非均質形核

金屬的凝固特性需要掌握的主要內容
概念:
1,溫度場的描述(不穩定溫度場,穩定溫度場,等溫面,等溫線,溫度梯度)
2,鑄件的凝固方式(逐層凝固,中間凝固,體積凝固)
3,均質形核與非均質形核
4,晶體長大
5,單相合金的結晶與多相合金的結晶
6,平衡結晶與非平衡結晶
7,溶質再分配係數與成分過冷
8,共生區與共生生長
9,離異生長與離異共晶
溫度場的描述(不穩定溫度場,穩定溫度場,等溫面,等溫線,溫度梯度)
複習掌握穩態溫度場和不穩態溫度場的區別
掌握不穩態溫度場的微分方程表達式及邊界條件初始條件
溫度場的求解方法(解析法,數值法及試驗法)
掌握等溫面,等溫線和溫度梯度的定義和表達方式
逐層凝固體積凝固中間凝固
鑄件凝固方式對凝固液相的補縮能力影響很大,從而影響最終鑄件的緻密性和熱裂紋產生幾率
均質形核與非均質形核要掌握的內容
臨界形核半徑
臨界形核功
形核率
非均質形核條件(主要考慮兩相之間的錯配度)
非均質形核形核條件
1,結晶相的晶格與雜質基底晶格的錯配度δ的影響
晶體長大
粗糙界面和光滑界面的文字敘述
粗糙界面:界面固相一側的點陣位置只有約50%被為固相原子所占據,形成坑坑窪窪,凹凸不平的界面結構.粗糙界面也稱"非小晶面"或"非小平面".
光界滑面:界面固相一側的點陣位置幾乎全部為固相原子所占滿,只留下少數空位或台階,從而形成整體上平整光滑的界面結構.光滑界面也稱"小晶面"或"小平面".
基於不同生長界面表現出的不同的長大方式
1,連續長大
2,台階方式長大(側面長大)
單相合金結晶中應重點掌握的內容
對於K0〈1時,平衡結晶與非平衡結晶條件下溶質再分配的過程分析
特別是熟練掌握固態無溶質原子的擴散,液態溶質原子只有部分擴散條件下的溶質再分配過程分析.
在這個條件下,穩定凝固區域(表示單位時間內從固相排到液相中的溶質原子數等於擴散離開界面的原子數)固相溶質的濃度和液相中溶質的濃度變化值的分析與計算.
溶質再分配係數
定義:溶質平衡分配係數K0定義為恆溫T*下固相合金成分濃度CS與液相合金成分濃度CL達到平衡時的比值
K0<1的合金,K0越小,固液相線張開程度越大,固相凝固開始和終了時的成分差別越大,成份偏析越嚴重.
|1-K0|為偏析係數.
合金凝固
溶質擴散不均
溶質再分配
巨觀和微觀成分偏析
晶體形貌,微觀尺寸,不同相之間分布特徵
氣孔,縮孔縮松,鑄造應力,鑄造裂紋
材料的性能
由溶質再分配引起的成分過冷
成分過冷的判據
"成分過冷"對合金單相固溶體結晶形態的影響
平面生長方式
胞狀生長方式
胞狀樹枝晶生長方式
自由樹枝晶生長方式
共晶合金的凝固
將共晶組織分為三類:
(1)粗糙-粗糙界面(非小晶面-非小晶面)共晶
金屬-金屬共晶及金屬-金屬間化合物共晶
(2)粗糙-光滑界面(非小晶面-小晶面)共晶
金屬-非金屬共晶
(3)光滑-光滑界面(小晶面-小晶面)共晶
非金屬-非金屬共晶
共生區和共生生長的概念
離異生長與離異共晶的概念
(暈圈型和晶間偏析型)
1)把平衡相圖概念和不平衡共晶結晶動力學過程聯繫了起來
2)非平衡結晶現象:如非共晶成分的合金可以結晶成100%的共晶組織,而共晶成分的合金結晶時反而得不到100%共晶組織
3)有助於對共生生長和離異生長這兩種不同共晶方式,作進一步分析和探討共生區的概念與平衡圖並不矛盾,在無限緩慢的冷卻條件下,共生區退縮到共晶點E,合金液即按平衡相圖所示的規律進行結晶
注意共晶結晶時領先相的含義以及作為領先相應具備的條件.
兩個組元熔點相近,兩條液相線基本對稱,兩相長大速度基本相同的非小晶面-非小晶面合金,領先相的概念不突出.
對於非小晶面和小晶面的結晶,領先相往往是小晶面生長的高熔點非金屬相.
合金中的其它元素可能改變領先相的生長方式,從而改變共晶組織形態.
複習思考題
1.怎樣理解溶質平衡分配係數K0的物理意義及熱力學意義
2.說明為什麼異質形核比均質形核容易,影響異質形核的因素是什麼
3.討論兩類固-液界面結構(粗糙面和光滑面)形成的本質及其判據.
4.固-液界面結構如何影響晶體生長方式和生長速度同為光滑固-液界面,螺旋位錯生長機制與二維晶核生長機制的生長速度對過冷度的關係有何不同
複習思考題
5.何謂結晶過程中的溶質再分配它是否僅由平衡分配係數K0所決定當相圖上的液相線和固相線皆為直線時,試證明K0為一常數.
6.何為成分過冷判據成分過冷的大小受哪些因素的影響
7.分別討論"成分過冷"對單相固溶體及共晶凝固組織形貌的影響
8.如何認識"外生生長"與"內生生長"由前者向後者轉變的前提是什麼僅僅由成分過冷因素決定嗎
9.試描述離異共晶組織的兩種情況及其形成原因.
10.試述非小晶面-非小晶面共生共晶組織的生核機理及生長機理,組織特點和轉化條件.
11.以灰鑄鐵共晶生長為例,試描"非小晶面-小晶面"共晶生長方式以及生長動力學因素對其影響.
第四章液態成型過程質量控制
本章主要介紹的鑄件巨觀組織形成及凝固缺陷(包括偏析,氣孔,夾雜,收縮,縮孔,縮松,鑄造應力和裂紋)等.
主要從凝固缺陷的形成機理,影響因素及控制措施著三方面進行討論.
記憶重點:
1,概念敘述
2,形成機理
3,影響因素及控制措施
表面細等軸晶區:緊靠型壁的外殼層,由紊亂排列的細小等軸晶組成,僅幾個晶粒厚度
柱狀晶區:由自外向內沿著熱流的方向彼此平行排列的柱狀晶組成
內部等軸晶區:由紊亂排列的粗大等軸晶所組成
重點掌握各晶區形成的規律.
細等軸晶的形成:
1,激冷作用大量非均質生核
2,型壁脫落的晶粒隨著澆注液流而分布於整個鑄件
3,"枝晶熔斷"理論
4,孕育處理起非自發形核作用並促進晶粒游離以細化晶粒
5,控制冷卻條件(從G線和開始結晶溫度線的位置考慮)
6,控制澆注工藝(在澆鑄過程中增加液流對型壁的沖刷,採用振動方式引起更多的枝晶脫落)
偏析主要是由於合金在凝固過程中溶質再分配和擴散不充分引起的,它們對合金的力學性能,切削加工性能,抗裂性能以及耐腐蝕性能等有著程度不同的損害.
偏析現象也有有益的一面,如利用偏析現象可以淨化或提純金屬等.
微觀偏析(晶內偏析,晶界偏析)
巨觀偏析(正常偏析,逆偏析,帶狀偏析
重力偏析,V形偏析和逆V形偏析)
(掌握每一種偏析的形成原因和預防措施)
合金中氣體的存在形式和危害性
存在形式:固溶體,化合物和氣孔
危害:
1.使鋼鐵脆化
2.形成氣孔
3.產生冷裂紋
4.引起氧化和合金元素燒損
氣體的來源與產生
熔煉過程
澆注過程
鑄型
金屬中的氣孔按氣體來源不同可分為:析出性氣孔,侵入性氣孔和反應性氣孔.
掌握每一種氣孔的形成原因,特徵,危害性及消除措施
夾雜物的分類