《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）07 二元相图及合金的凝固 THE BINARY PHASE DIAGRAM（2/2）固溶体合金的凝固、共晶合金的凝固、制造工艺与凝固组织

第三节固溶体合金的凝固THE SOLIDIFICATION OFSOLID 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）丝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相中无扩散固、液相原子充分扩散液相不完液相完全液相完全混合不混合全混合个个个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k。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ko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Csko=C

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H眼ws頭SSB%（B)%4ko>1ko<1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升高的开始温度和终了温度降低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

2.3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，即过冷度趋近于零热固体液体TIS2Xb)T31TEXLxxoZZLZZC-xs1XkoxoxoXXmaxxo/koXEa)c)

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

(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

（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

T(C)平衡凝固(k,<1)L/S界面浓度kekC时刻koCiS距离t时刻kC充分扩散，不产生偏析C.最终kgC2时刻

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L/S界面两侧，L相一一侧溶质有堆积，S相溶质浓度与L相平均溶质浓度有比例关系k有效分配系数个(Cs)结晶过程中固相界面处溶质浓度(CL)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