运城学院：《材料科学基础》课程电子教案（PPT教学课件）第七章 二元系相图与合金的凝固 THE BINARY PHASE DIAGRAM（2/2）

第三节固溶体合金的凝固 THE SOLIDIFICATION OF SOLID SOLUTION 固溶体的平衡凝固 固溶体的不平衡凝固 成分过冷及其影响

第三节 固溶体合金的凝固 THE SOLIDIFICATION OF SOLID SOLUTION 固溶体的平衡凝固 固溶体的不平衡凝固 成分过冷及其影响

固溶体结晶的特点 (1)结晶过程由形核与长大组成。 (2)结晶在一定温度范围进行，在此温度范围的每一 温度下，只能凝固出一定数量的固相，温度降低，固 相的量升高。 (3)结晶过程，液、固两相的成分始终在不断变化， 液/固界面处成分始终保持局部平衡。 (4)平衡结晶时： ·液、固两相的成分分别沿着液相线和固相线变化 ·结晶结束获得均匀的单相多晶固溶体

固溶体结晶的特点 （1）结晶过程由形核与长大组成。 （2）结晶在一定温度范围进行，在此温度范围的每一 温度下，只能凝固出一定数量的固相，温度降低，固 相的量升高。 （3）结晶过程，液、固两相的成分始终在不断变化， 液/固界面处成分始终保持局部平衡。 （4）平衡结晶时： • 液、固两相的成分分别沿着液相线和固相线变化 • 结晶结束获得均匀的单相多晶固溶体

(5)非平衡结晶时： ·已结晶的固相和剩余液相的平均成分分别沿着液 相和固相的平均成分线变化。 ·结晶结束时获得不均匀的单相多晶固溶体。 ·先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔 点组元多，这种成分不均匀的现象称为成分偏析。 ·在一个晶粒内成分不均匀的现象称为微观偏析或 晶内偏析。 ·在铸件内不同区域成分不均匀的现象称为宏观偏 析或区域偏析

（5）非平衡结晶时： • 已结晶的固相和剩余液相的平均成分分别沿着液 相和固相的平均成分线变化。 • 结晶结束时获得不均匀的单相多晶固溶体。 • 先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔 点组元多，这种成分不均匀的现象称为成分偏析。 • 在一个晶粒内成分不均匀的现象称为微观偏析或 晶内偏析。 • 在铸件内不同区域成分不均匀的现象称为宏观偏 析或区域偏析

固溶体凝固 固相原子是否扩散 固溶体凝固方式的分类 平衡凝固 非平衡凝固 固、液相原 固相中无扩散 子充分扩散 液相完 液相不完 液相完全 全混合 全混合 不混合 非正常凝固 正常凝固 固溶体的凝固

固溶体凝固方式的分类 非正常凝固 正常凝固 固溶体的凝固

固溶体的平衡凝固 1. 平衡分配系数ko 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布 的程度用平衡分配系数k表示。 平衡分配系数ko:处于固/液两相平衡的固相中的溶质 原子浓度Cs与液相中溶质原子浓度C之比。 ko

一、固溶体的平衡凝固 1. 平衡分配系数k0 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布 的程度用平衡分配系数k0表示。 平衡分配系数k0：处于固/液两相平衡的固相中的溶质 原子浓度CS与液相中溶质原子浓度CL之比。 0 S L C k C =

假设相图中液、固相线均为直线，k为常数 A wo W(B)% w(B)% k1 随溶质含量增加，合金凝固 随溶质含量增加，合金凝固 的开始温度和终了温度降低 的开始温度和终了温度升高 k。~1,表示合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分越 接近，即重新分布的程度越小

假设相图中液、固相线均为直线，k0为常数 随溶质含量增加，合金凝固 的开始温度和终了温度降低 随溶质含量增加，合金凝固 的开始温度和终了温度升高 k0～1，表示合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分越 接近，即重新分布的程度越小

2.平衡凝固的特征 (ⅰ)凝固过程中的冷却速度非常缓慢 ()凝固开始温度低于但趋近于熔点，即过冷度趋 近于零 热 固体 液体 T T 6 T: xmax xo/ko X一 a)

2. 平衡凝固的特征 （ⅰ）凝固过程中的冷却速度非常缓慢 （ⅱ）凝固开始温度低于但趋近于熔点，即过冷度趋 近于零

()溶质原子扩散得以充分进行，液相和固相中溶 质原子都均匀分布 ()随温度降低，液相和固相的溶质原子浓度整体 分别沿着相图中的液相线和固相线相应变化， 即总是满足平衡分配系数 (V)凝固终了温度低于但趋近于固相线 ()凝固后所得固溶体中处处成分均匀，皆等于固 溶体的平均成分，既无微观偏析，也无宏观偏 析

（ⅲ）溶质原子扩散得以充分进行，液相和固相中溶 质原子都均匀分布 （ⅳ）随温度降低，液相和固相的溶质原子浓度整体 分别沿着相图中的液相线和固相线相应变化， 即总是满足平衡分配系数 （ⅴ）凝固终了温度低于但趋近于固相线 （ⅵ）凝固后所得固溶体中处处成分均匀，皆等于固 溶体的平均成分，既无微观偏析，也无宏观偏 析

平衡凝固 (k,s1) T(℃) 浓度 LS界面 时刻 距离 时刻 充分扩散，不产生偏析 C Co 时刻kC2 最终 大学

二 固溶体的不平衡凝固 有效分配系数k。 由于扩散不充分，在LS界面两侧，L相一 侧溶质有堆积，S相溶质浓度与L相平均溶 质浓度有比例关系k。 有效分配系数 k。 (Cs) 结晶过程中固相界面处溶质浓度 此时余下液相的溶质平均浓度

二、固溶体的不平衡凝固 有效分配系数ke