《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件讲稿）第七章 二元相图及其合金的凝固 7.4 二元合金的凝固理论

7.4二元合金的凝固理论

7.4 二元合金 的凝固理论

液态金属凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶液中发生重新分布，这对合金方式和晶体的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异固溶体的凝固理论共晶凝固理论

❖ 液态金属凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外， 由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶液 中发生重新分布，这对合金方式和晶体的生长形态 产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析。 ❖ 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。 ❖ 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域 范围内，由于结晶 先后不同而出现的成分差异。 ❖ 固溶体的凝固理论 ❖ 共晶凝固理论

7.4.1固溶体的凝固理论1.正常凝固2.区域熔炼

7.4.1 固溶体的凝固理论 1.正常凝固 2.区域熔炼

1.正常凝固及平衡分配系数k0-A平衡凝固：在凝固过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用溶质平衡分配系数k0表示。平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数Ws和液相的质量分数WI（即液固两平衡相中溶质浓度之比），即：ko=Ws/WI

1. 正常凝固及平衡分配系数k0－A ❖ 平衡凝固：在凝固过程中固相和液相始终保 持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分 分别沿着固相线和液相线变化。 ❖ 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新 分布的程度可用溶质平衡分配系数k0表示。平 衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数Ws 和液相的质量分数Wl(即液固两平衡相中溶质 浓度之比)，即： k0 = Ws/Wl

平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速过快固相和液相的整体成分不可能达到平衡成分，凝固为非平衡凝固。在非平衡条件下，已凝固的固相成分随凝固先后变化。即随凝固距离x而变化。正常凝固方程表示固相浓度随凝固距离变化规律。经正常凝固后溶质浓度的分布如图

平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速过 快固相和液相的整体成分不可能达到平 衡成分，凝固为非平衡凝固。在非平衡 条件下，已凝固的固相成分随凝固先后 变化。即随凝固距离x而变化。 ❖ 正常凝固方程 表示固相浓度随凝固距离 变化规律。经正常凝固后溶质浓度的分 布如图

2.区域熔炼如果合金通过由试样一端向一端局部熔化，经过区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与正常凝固有所不同，其变化符合区域熔炼方程7.11式。该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。当k0<1时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低后端部分不断地富集，这使固溶体经区域熔炼后的前端部分因溶质减少而得到提纯，因此区域熔炼又称为区域提纯区域提纯已广泛应用于提纯许多半导体材料、金属、有机和无机化合物等。如鳍

2. 区域熔炼 ❖ 如果合金通过由试样一端向一端局部熔化，经过区 域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与 正常凝固有所不同，其变化符合区域熔炼方程： 7.11式。该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离 变化的固溶体质量浓度。 ❖ 当k0<1时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低， 后端部分不断地富集，这使固溶体经区域熔炼后的 前端部分因溶质减少而得到提纯，因此区域熔炼又 称为区域提纯。 ❖ 区域提纯已广泛应用于提纯许多半导体材料、金属、 有机和无机化合物等。如鍺

7.4.2共晶凝固理论1.共晶组织分类及形成机制（1）金属一金属型大多数简单规则：层片状或棒状共晶。影响形状的因素：①共晶中两组成相的相对量（体积分数）。若共晶中两相中一相的体积分数小于27.6%时，有利于形成棒状；反之有利于形成层片状。②相界面的比界面能。在共晶中一相的体积分数在27.6%以下时，当比界面能较低时，有利于形成层片状。当界面积降低时，倾向于形成棒状共晶体层片间距：形状不规则。2金属一非（亚）金属型（3）非金属一非金属型

7.4.2 共晶凝固理论 1.共晶组织分类及形成机制 (1)金属—金属型 大多数简单规则：层片状 或棒状共晶。 影响形状的因素： ① 共晶中 两组成相的相对量（体积分数）。若共晶中两 相中一相的体积分数小于27.6%时，有利于形 成棒状；反之有利于形成层片状。②相界面的 比界面能。在共晶中一相的体积分数在27.6% 以下时，当比界面能较低时，有利于形成层片 状。当界面积降低时，倾向于形成棒状。 共晶体层片间距： (2)金属—非(亚)金属型 形状不规则。 (3)非金属—非金属型

2.层片生长的动力学一界面移动速度问题根据能量守恒定律、体系自由能变化和扩散定律可推导出界面移动速度R：3.共晶界面的稳定性T很小，成分过（1）纯二元共晶金属一金属型冷不明显，dT/dx>0时，界面稳定，无枝晶；金属一非金属型^T较大，成分过冷明显，在dT/dx<0很小时，就可形成枝晶（2）含杂质的二元共晶杂质元素的存在造成成分过冷，杂质多时，可能形成树枝晶；杂质少时可形成胞状。（3）二元伪共晶

2. 层片生长的动力学—界面移动速度问题 根据能量守恒定律、体系自由能变化和扩散定律 可推导出界面移动速度R： 3. 共晶界面的稳定性 (1)纯二元共晶 金属—金属型 △T很小，成分过 冷不明显，dT/dx>0时，界面稳定，无枝晶；金 属—非金属型 △T较 大，成分过冷明显， 在 dT/dx<0很小时，就可形成枝晶 (2)含杂质的二元共晶 杂质元素的存在造成成 分过冷，杂质多时，可能形成树枝晶；杂质少时， 可形成胞状。 (3)二元伪共晶

二元伪共晶伪共晶组织（复合共晶组织）定义：伪共晶组织成分：W=fαWα+fpWp伪共晶组织形成条件：液固界面前沿的液体成分接近共晶成分1平直界面必须稳定，无枝晶出现2

二元伪共晶 ❖ 伪共晶组织（复合共晶组织）定义： ❖ 伪共晶组织成分：W=fW + fW ❖ 伪共晶组织形成条件： ① 液固界面前沿的液体成分接近共晶成分。 ② 平直界面必须稳定，无枝晶出现

7.4.3合金铸锭（件）的组织与缺陷零件的获得途径：①铸件②铸锭一开坏一热轧（锻）一机加工一热处理一机加工等工序铸锭（件）的宏观组织及性能铸锭（件）的缺陷一缩孔与偏析

7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷 ❖ 零件的获得途径： ①铸件 ②铸锭—开坯—热轧(锻)—机加工—热 处理—机加工等工序 ❖ 铸锭(件)的宏观组织及性能 ❖ 铸锭(件)的缺陷 —缩孔与偏析