(2)不同凝固条件下不同凝固区域微观组织差异情况及其机理分析
凝固过程微观机制与力学行为分析
凝固过程微观机制与力学行为分析凝固是一种物质由液态转变为固态的过程，凝固过程的微观机制与力学行为对于材料的性能和制备具有重要影响。
在本文中，我们将探讨凝固过程的微观机制和与之相关的力学行为。
凝固过程的微观机制涉及到原子或分子的有序排列，以形成固态材料的晶格结构。
在液态到凝固过程中，原子或分子在液态中以无序状态运动，而在凝固过程中逐渐有序排列。
首先，在凝固过程中，当液态的温度降低到凝固点以下时，原子开始聚集在一起，形成临时的有序区域，称为团簇。
这些团簇将继续通过吸收周围的原子而增长，形成凝固晶核。
凝固晶核的增长受到热力学驱动力和动力学因素的影响。
热力学驱动力是指固态相比液态相更为稳定的状态，液相中的原子由于热运动在晶体核心附近聚集形成临时团簇的趋势。
动力学因素包括扩散、表面张力、界面能等，影响着晶核的增长速率。
通过扩散过程，来自液相的原子逐渐扩散到晶核表面，并与晶核上的原子结合，使团簇增长。
表面张力和界面能则抵抗着原子的结合，阻碍晶核的增长。
只有当增长速率超过了由热力学驱动力和动力学因素造成的阻碍时，晶核才能继续增长并形成完整的晶体。
在凝固过程中，形成的晶体具有特定的晶体结构。
晶体结构影响着材料的力学行为。
晶体结构中的晶粒是由单个晶体晶格构成的，晶粒之间由晶界分隔开。
晶界是晶体内部的缺陷区域，对于材料的力学性能具有重要影响。
晶界的存在使材料具有优异的力学性能，例如强度、韧性和塑性等。
晶界的位错运动和滑移也是材料变形的主要机制之一。
在凝固过程中形成的晶体结构还会影响材料的热导和电导性能。
晶体的结构决定了原子或分子的周期性排列，因此影响了能量和电子的传输。
晶体结构的不同排列方式会导致材料具有不同的热导率和电导率。
例如，具有紧密晶格结构的金属通常具有较好的热导性能，而具有松散晶格结构的陶瓷材料通常具有较低的热导性能。
除了晶体结构，凝固过程还会影响材料的组织和缺陷形成。
凝固速率的不同将导致材料形成不同的晶粒尺寸和形貌。
溶液凝固的微观原理
溶液凝固的微观原理溶液凝固是指液体在一定条件下形成固体的过程。
在溶液凝固的过程中，溶质通过与溶剂分子之间的相互作用，使液体转变为固体状态。
溶液凝固的微观原理涉及到溶质分子/离子与溶剂分子之间的相互作用、热力学和动力学等多个方面。
溶液凝固的微观原理主要包括以下几个方面：1. 溶剂分子与溶质分子之间的相互作用溶液中的溶剂和溶质分子在接触时会发生相互作用。
这些相互作用包括氢键、离子键、范德华力等。
当溶液中溶剂分子与溶质分子之间的相互作用强于溶剂分子与自己之间的相互作用时，溶质分子就会与溶剂分子结合形成一个有序的结构，从而凝固为固体。
2. 热力学因素热力学是研究物质在不同条件下的热平衡状态和热力学性质的学科。
在溶液凝固过程中，热力学因素对溶质与溶剂的相互作用起着重要作用。
根据热力学第一定律（能量守恒定律），能量的转化可以使溶解过程的热效应，从而引起溶液凝固。
3. 动力学因素动力学是研究物质和过程的力学规律和规律变化的学科。
在溶液凝固过程中，动力学因素包括速度和方向的因素，主要包括溶质分子在溶液中的扩散和边界条件对于固化构型的制约等。
溶液中溶剂和溶质分子的扩散速率、分子大小、溶液浓度等动力学因素都会影响溶液凝固的速度和过程。
4. 平衡态的形成溶液凝固的过程是一个动态平衡过程。
在溶解过程中，溶质分子与溶剂分子之间的相互作用强烈，但是溶液中依然随机存在游离的溶质分子。
在一定条件下，当溶剂分子与溶质分子之间的相互作用达到动态平衡时，溶液凝固就发生了。
除了以上几个方面，溶液凝固的微观原理还与溶液的性质、温度等因素有关。
而溶液凝固的条件主要包括溶质浓度的变化、温度的变化、压力的变化和时间的变化等。
当一定条件下这些因素发生变化时，会影响到溶液凝固的速度和过程。
综上所述，溶液凝固的微观原理包括溶剂分子与溶质分子之间的相互作用、热力学和动力学因素、平衡态的形成等。
这些因素共同作用，导致溶液从液体状态转变成固体状态。
了解溶液凝固的微观原理，有助于我们更好地理解溶液的特性、性质和应用。
凝固条件对非晶合金的微观结构和性能的影响
摘 要 ：采用不 同凝 固控 制的方法 ，研究了凝固条件对非晶合金 的微观结构 、热稳定性 以及力 学性能的影响。研究表 明，高
温下铜 模喷铸样品为完全非 晶结构 ，而低温喷铸和 电弧原位 吸铸所制备 的样 品中存 在着一些 纳米量级 的析 出相 。高温喷铸样
品表现出非晶合金典型 的脆断行为 ，但低温喷铸和原位 电弧吸铸样 品则表现 出较 高的强度 和 良好 的塑性变形 能力 。高温甩带 样品初 始晶化温度高于相应 的低温甩带样 品，其长期热稳定性优 于低 温甩带样 品，表明浇铸温 度的升 高增强 了非 晶合金 的热
稳 定性 。
关 键 词 ：非 晶合金 ； 固条件 ；微观结构 ；力学性能 ；热稳定性 凝
ａｎｄ ｝ｒ Ｊ ０Ｄｅｒ ｉ ｍ ０ｒＤｎＯＵＳ Ａ ｌ ＯｙＳ ， ｔ ｅｓ ｏＩ Ａ ｌ
Ｗ ＡＮＣ ｍｉ ＺＨＵ Ｚｈ ｎ ｗａ ｇ， ＦＵ Ｈｕ ｍｅ ｇ， Ａｉ ｎ， ｅｇ ｎ ａ ｎ
Ｌ ｎ Ｉ Ｈｏ ｇ， ＺＨ ＡＮＧ ｉ ｎ Ｈａ ｆ ｇ， Ｈ Ｕ ｈ ａ ｇ ｉ ｅ Ｚ ｕ ｎ ｑ
ｗｅｅ ｔ ｐ ｃ ｌ ｂ ｉ ｌ ｎ ｓ ， ｂ ｔｔ ｅ Ｌ ｎ Ｃ ｓ ｍｐ ｅ ｘ ｉ ｉ ｄ ｈ ｇ ｔｅ ｇｈ ａ ｄ ｇ ｏ ｌｓｉ ｅｏ ｍａ ｉｎ ａ ｉ ｔ ． Ｔ ｅ ｒ ｙ ｉ ａ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔｅ ｕ ｈ Ｔ ａ ｄ Ｓ ａ ｌｓ ｅ ｈｂ ｔ ｉｈ ｓｒ ｎ ｔ ｎ ｏ ｄ ｐａ ｔ ｄ ｆｒ ｔ ｂ ｌ ｙ ｅ ｃ ｏ ｉ ｈ ｃ ｓａｌ ａｉｎ ｓａｔｔｍｐ ｒ ｔｒ ｆｈ ｇ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｍｅｔｓ ｉ ａ ｌ ｓ ｗ ｒ ｉｈ ｒ ａ ｄ ｉ ｏ ｇ ｔｒ ｔ ｅ ａ ｔｂ ｌ ｙ ｗａ ｙ ｒ ｔ ｌ ｚ ｔ ｔｒ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｏ ｉｈ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｌ ｐｎ ｓ ｍｐ ｅ ｅ ｅ ｈ ｇ ｅ ｎ ｔ ｌ ｎ ｅ ｍ ｈ ｒ ｌｓａ ｉ ｔ ｓ ｉ ｏ ｓ ｍ ｉ ｂ ｔ ｒｔ ａ ｈ ｔｐ ｅ ａ ｅ ｙ ｌｗ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｌ ｓ ｉ ｔ ｏ ｅ ｓ ｏ ｓ ｔｅ ｔ ｅ ａ ｔｂ ｌｙ ｏ ｍｏ ｈ ｕ ｌ ｙ ｒ ｍ— ｅｔ ｈ ｎ ｔａ ｒ ｐ ｒ ｄ ｂ ｏ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｍｅｔ ｐ ｎ， ｈ ｓ ｈ ｗ ｈ ｈ ｒ ｌｓａ ｉ ｔ ｆ ａ ｒ ｏ ｓ ａ ｏ ｓ ｗｅｅ ｉ ｅ ｍ ｉ ｐ ｐ ｏ ｅ ｙ ｅ ｅ ａ ｅ ａ ｔ ｇ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ． ｒｖ ｄ ｂ ｌｖ ｔ ｄ ｃ ｓｉ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｎ
凝固原理
3.3.1 溶质再分配
• 液相完全均匀化，固相中不发生任何扩散
• 设合金C0在T1开始结晶， 并随着温度的下降，结晶 连续进行。 固相中无任何扩散，所以 在不同温度T1、T2，…… 形成的a，便始终各自保持 着与其形成温度相对应的 平衡成分C1a、 C2a ，……。这样，当温 度降至相当于固线的T3 时，所有固相a的平均民分 必然位于C0之左。
23
3.3.1 溶质再分配
• 若令K0=Ca/CL，由fL=1-fa，可得dfL=-dfa，则可将 上式变为： (1-K0)CLdfa=(1-fa)dCL+faK0dCL • 分离变量积分，并利用Ca= K0CL可得： CL=C0[1-（1-K0）fa]-1 Ca=K0C0[1-(1-K0)fa]-1
aC ⇔LC
a 1
( )
( )
L 1
16
3.3.1 溶质再分配
• 并以此来更替旧的平衡关系。新平衡关系建立后， 利用杠杆定律，则可求出两相的相对量：
a%=[(C1L －C0)/(C1L － C1a)]×100% L%=[(C0－ C1a)/(C1L － C1a)]×100%
• 结晶过程的进一步发展，有赖于温度进一步下 降。设冷至T2，这时结晶分两方面同时进行： • 在T1时已不同程度成长的晶体再在T2继续长大 • 在T2由L(C1L)中重新生核并长大。
21
3.3.1 溶质再分配
• 若使分段冷 凝过程中的 温度差△T 缩 小 到 dT ， 即 成 连续平衡冷 凝过程，即 液、固两相 随时随地都 可达到平衡 成分，如图 实线所示。
22
3.3.1 溶质再分配
• 设此时固液两相的分数分别为fa和fL(=1-fa)，如有微 量固相dfa析出，则固、液相的成分必随之发生变化， 分别增加dCa和dCL，如图虚线所示。 • 由于faCa+fLCL=定值C0 ，故微分之，即得平衡凝固 的质量微分方程： fadCa+Cadfa+fLdCL+CLdfL=0 1、3两项分别相当于区域1和3 2、4两项之和，即Cadfa+CLdfL[=-(CL-Ca)dfa] 相当于区域2
西北工业大学《材料科学基础》课后题答案
1． 有关晶面及晶向附图2.1所示。
2． 见附图2.2所示。
3． {100}＝(100)十(010)+(001)，共3个等价面。
{110}＝(110)十(101)+(101)+(011)+(011)+(110)，共6个等价面。
{111}＝(111)+(111)+(111)+(111)，共4个等价面。
)121()112()112()211()112()121()211()121()211()211()121()112(}112{+++++++++++=共12个等价面。
4． 单位晶胞的体积为V Cu ＝0.14 nm 3(或1.4×10-28m 3) 5． (1)0.088 nm ；(2)0.100 nm 。
6． Cu 原子的线密度为2.77×106个原子/mm 。
Fe 原子的线密度为3.50×106个原子/mm 。
7． 1.6l ×l013个原子/mm 2；1.14X1013个原子/mm 2；1.86×1013个原子/mm 2。
8． (1) 5.29×1028个矽原子/m 3； (2) 0.33。
9． 9. 0.4×10-18/个原子。
10． 1.06×1014倍。
11． (1) 这种看法不正确。
在位错环运动移出晶体后，滑移面上、下两部分晶体相对移动的距离是由其柏氏矢量决定的。
位错环的柏氏矢量为b ，故其相对滑移了一个b 的距离。
(2) A'B'为右螺型位错，C'D'为左螺型位错；B'C'为正刃型位错，D'A'为负刃型位错。
位错运动移出晶体后滑移方向及滑移量如附图2.3所示。
12． (1)应沿滑移面上、下两部分晶体施加一切应力τ0，的方向应与de 位错线平行。
(2)在上述切应力作用下，位错线de 将向左(或右)移动，即沿着与位错线de 垂直的方向(且在滑移面上)移动。
不同硬化方法形成的水玻璃胶粒的微观形态变化及其原因探讨
许 进（ 湛江 广播 电视大 学 ， 东省 湛 江市 ５ ４ ０ 广 ２ ０ ３）
摘 要 ： 用有 机 酯硬 化 、 热硬 化钠 水玻璃 砂 的 强度 均 比 Ｃ ： 化 的成 倍提 高 。通 过 实验和 分析 可知 ： 采 加 Ｏ硬 水
ｓ ｌｔ ｎ ｔ ｅ ｎ ｒ ａ ｅ ｆ ｏ ｃ ｎ ｒ ｔ ｎ ｗｈ ｃ ｉ ｎ ｒ ａ ｅ ｐｐ ｒ ｎ ｔ ｓ ｆ ｏ ｌ ｉ ａ ｏ ｇ ｈ ａ ｉ ｏｕ ｉ ， ｉ ｃ ｅ ｓ ｏ ｃ ｎ ｅ ｔａ ｉ ， ｉ ｈ ｗ ｌ ｃ ｅ ｓ ｏ ｏ ｔ ｉｅ ｏ ｃ ｌ ｏｎ ｍ ｎ ｔ ｅ ｃ ｄ ｏ ｈ ｏ Leabharlann ｉ ｕ ｉ ｉ ｓ维普资讯
材 料 工 艺 Ｍ ＴＲＡ ＆ＴＣ Ｎ Ｌ Ｇ Ａ Ｅ ＩＬ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ
不 同硬化方法 形成的 水玻璃胶粒的微观形态变化及其原因探讨
Ｔｈ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ Ｃｈ ｎ ｅ ｆＳ ｌ ａ ｅＰ ｒ ｉｌｓＭ ｏ ｐ ｏ ｏ ｙ Ｃｕ ｅ ｙ ｅＦ ｒ ｔｏ ａ ｇ ｓｏ ｉ ｃ ｔ ａ ｔｃｅ ｒ ｈ ｌ ｇ ｒ ｄ ｂ ｉ
ｍ ｏｅ ｕｅ ，ｎ ｂｌ ｇ ｔ ｅ ｆ ｒ ａ ｉ ｆ ｌｃ ｌｓｅ ａ ｉ ｈ ｏ ｍ ｔ ｎ ｏｎｏ ｒ ａ ｔ ｌｓｍ ａ ｉｇ ｔ ｅ ｐａｔ ｌｓｃ ｎａ ｎｌｓ ｏｕ ｉｎ ｈ ｎ ｅ ｓ ｍｏ ｅ ｐ ｒｃｅ ， ｋｎ ｈ ｒｃｅ ｏ ｔ ｉ ｓ ｓ ｌｔ ，ｅ ｃ ｍａ ｌ ｉ ｉ ｅ ｏ ｌ
ｂ ｕ ｄ ｂ ｙ ｏ ｅ ｏ ｄ ｎ ｔｅ ｈｇ ｏ ｎ ｙ ｈ ｄｒ ｇ ｎ ｂ ｎ ｓ ｉ ｈ ｉｈ－ ｃ ｔ ｔ ｉｃ ｔ ｒｃｅ ｔ ｐ ｔｅ ｐａ ｔ ａ ｅ ｓ ｇ ｏ ｎ Ｓｍ ａｌ ａ ｅａ ｅ ｓｌ ａｅ ｐａ ｔ ｌｓ ｓ ｏ ｈ ｌｓｉ ｔ ｂｌｔ ｒ ｗｉｇ． ｉ ｉ ｃ ｌ ｐ ｒｃｅ ａｎ ｄ ｗｈｌ ｅ ｔ ｇ ｓ ｌｒ ｓｓ ｄ ｐｅ ｄ ｏ ｈ ｎ ｒ ｙ ｃ ｕ ｉｇ ｔ ｅ ｒ ｄｕ ｔ ｎ ｏ ｏ ｕ ｓｌ ａ ｅ ａｔ ｌｓ ｇ ｉｅ ｉ ｈ ａｉ ｃｅ ｏ ｉ ｅ ｎ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ， ａ ｓｎ ｈ ｅ ｃ ｉ ｆｓ ｄｉｍ ｉ ｔ ｉ ｅ ｎ ｏ ｉ ｃ
第3章凝固组织
第三章铸坯凝固组织凝固组织包括两个方面：（1）宏观组织：指用肉眼观察到的铸坯内部的组织情况，通常包括晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。
也就是针对铸坯的宏观状态而言F也称为“凝固结构”“低倍组织”和“低倍结构”（2）显微组织：是指借助于显微镜观察到的晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶以及枝晶间距等。
也就是针对铸坯的微观形态而言。
也称为“金相组织”“微观组织”两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸坯的各项性能，特别是机械性能产生强烈的影响。
第二章讨论了晶粒微观组织的形成过程，本章侧重于分析铸坯宏观组织的成因以及各种因素的影响。
在理论分析基础上，总结生产中控制铸坯结晶组织的各种有效方法。
第一节铸坯的凝固区域一．铸坯凝固的特点（1）钢属于一种合金。
钢液与纯金属的凝固特征的区别在于：①纯金属是在一个固定温度下完成凝固。
在定向凝固时，凝固前沿无过冷，凝固前沿或凝固区域为一个等温平面。
②钢是铁碳合金，钢液凝固是在一定的温度范围内完成的。
由于溶质再分配产生成分过冷,以树枝晶生长方式完成凝固。
即凝固发生在一定范围内，而不再位于一个平面内。
（2）冷却强度高：与铸造和模注工艺相比，连铸采用了强制冷却方式，冷却强度高。
即使在空冷区，铸坯的冷却强度也大于砂模铸造和模注。
（3）定向传热：在凝固过程中，采取铸坯表面冷却，从而形成了由内部向表面的定向传热方式。
从钢液内部到坯壳表面温度逐渐降低，即铸坯内外存在较大的温度梯度G。
二．凝固区域从宏观来看，定向传热使铸坯内部存在温度梯度，而合金性质决定了凝固是在一定温度 范围内完成，因此铸坯在凝固过程中会存在三个区域：固相区、两相区和液相区。
如图3—18所示。
左图是平衡相图，钢液的结晶温度范围为T -T 。
右图是正在凝固的LS铸坯断面，厚度为D 。
(1) 固相区：铸坯表层区域，其温度低于固相线温度T 而成为固态，即凝固坯壳。
S(2) 液相区：中心温度仍在液相线T 以上而仍为液态钢水，即液芯；L(3) 两相区：在固相区和液相区之间，温度处于液相线T 和固相线T 之间，呈固液共存。
凝固缺陷及控制
凝固缺陷及控制凝固缺陷是金属在冷却凝固过程中极易出现的一类缺陷，它们以不同的类型和形态存在于固态金属中，对金属的性能产生不同程度的影响。
本章主要介绍偏析、气孔、夹杂、缩孔、缩松和裂纹等重要凝固缺陷的形成机理、影响因素及控制措施。
第一节合金中的成分偏析根据偏析范围的不同，可将偏析分为：微观偏析和宏观偏析两大类。
微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。
宏观偏析是指凝固断面上各部位的化学成分不均匀现象，按其表现形式可分为正常偏析、逆偏析、重力偏析等。
、微观偏析（一）晶内偏析晶内偏析：是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。
枝晶偏析：固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异。
这种在树枝晶内出现的成分不均匀现象又称为枝晶偏析。
晶内偏析程度取决于合金相图的形状、偏析元素的扩散能力和冷却条件。
（1）合金相图上液相线和固相线间隔越大，则先、后结晶部分的成分差别越大，晶内偏析越严重。
（2）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，晶内偏析倾向就越大。
如硅在钢中的扩散能力大于磷，故硅的偏析程度小于磷。
（3）在其他条件相同时，冷却速度越大，则实际结晶温度越低，原子扩散能力越小，晶内偏析越严重。
但另一方面，随着冷却速度的增加，固溶体晶粒细化，晶内偏析程度减轻。
因此，冷却速度的影响应视具体情况而定。
晶内偏析程度晶内偏析的危害：使晶粒内部成分不均匀，导致合金的力学性能降低，特别是塑性和韧性降低。
（二）晶界偏析在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。
晶界偏析的产生一般有两种情况：（1）两个晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向。
由于表面张力平衡条件的要求，在晶界与液相的接触处出现凹槽，此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(2)不同凝固条件下不同凝固区域微观组织差异情况及其机理分析
在不同凝固条件下，合金材料在凝固过程中会形成不同的凝固区域，从而影响材料的微观组织。
下面分别介绍不同凝固条件下不同凝固区域的微观组织差异和机理分析。
1. 等温凝固条件下的微观组织差异
等温凝固条件是指材料在相同温度下凝固。
这种条件下，材料的凝固过程比较缓慢，而且凝固区域的组织变化相对较小。
在等温凝固条件下，材料的凝固区域主要分为液相区、固相区和凝固界面区。
其中，凝固界面区是液态和固态之间的过渡区域，是材料的典型微观组织区域。
在凝固界面区域，固相的晶粒数目和尺寸大小决定着材料的力学性能。
因此，在等温凝固条件下，研究凝固界面区域的晶粒生长和缺陷形成等问题是非常重要的。
2. 非等温凝固条件下的微观组织差异
非等温凝固条件是指材料在不同温度下凝固。
这种条件下，材料的凝固过程相对较快，而且凝固区域的组织变化比等温凝固条件下更为复杂。
在非等温凝固条件下，材料的凝固区域主要分为表面区、内部区和凝固界面区。
其中，表面区的组织状态与材料的冷却速率有关。
当冷却速率越快时，表面区的晶粒数目越多，晶粒尺寸越小。
内部区的组织状态则会受到热传导的影响，从而形成不同的晶粒生长速度和尺寸大小。
而凝固界面区的组织状态则决定了整个材料的力学性能。
在非等温凝固条件下，研究凝固界面区域的晶粒取向和缺陷形成等问题是非常重要的。
综上所述，不同凝固条件下，不同凝固区域的微观组织差异主要是由晶粒生长、缺陷形成等因素决定的。
因此，可以通过控制材料的凝固条件来调节材料的晶粒尺寸和取向，从而提高材料的力学性能和结构稳定性。