3-凝固原理
金属凝固原理——形核
r 2SLVS 2SLVs Tm
GV
Hm T
形核功：G 136S 3L V H Sm T mT2
r* 与ΔT 成反比，即过冷度ΔT 越大，r* 越小； ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT 越大，ΔG* 越小。
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12
临界晶核的表面能为：
A S L 4(r )2 S L 16 S 3 L V H S m T m T 2
基本热力学条件（必要条件） 大量形核的过冷度（ T *） 是完成形核过程的充分条件。
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8
§3-2 均质形核
• 均质形核 ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而 从液相自身发生形核的过程，所以也称“自发形核” （实际生产中均质形核是不太可能的，即使是在区域精炼 的条件下，每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原 子的立方体的微小杂质颗粒）。
第3章作业：
1.均质形核和异质形核的临界晶核半径都
是
2LS Vs Tm
Hm T
，两者区别何在？异质形核与
均质形核相比，其特点是什么？
2.界面共格对应原则的实质是什么？举例说
明此原则的应用。
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32
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30
三、异质形核动力学
用异质形核的形核率 I **来描述： I**cexpGAK G* Tf()
· I**I* （ T相同时）
· 对同一形核衬底（ 相同），
T越大，I **也越大。
· 不同形核衬底， 越小，T*越* 小
· 当T很大时，I * 和 I **反而越小
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31
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22
进一步研究细化后引入界面共格对应原则：
物理冶金原理 3-二元合金相图与凝固
L
L+a TE a
A a+b
E L+b Bb
完全离异形核、离异生长的共晶组织
－球墨铸铁组织：Ductile Cast Iron
Binary Peritectic Phase Diagrams and Solidification of
Binary Peritectic Alloys
二元包晶合金相图及二元 包晶合金的凝固
NiTi2
二元系中的三相平衡
F = 2 –3 + 1 = 0
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b 包析转变 a + b g
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b
包析转变 a + b g
L36 + (Cr5Si3)27 Cr(3SCi rSi)35
1)、液固界面处两相局域平衡：
Local equilibrium at S/L interface Cs/CL=k
2)、液相线及固相线均为直线：k=constant 3)、液-固界面保持平面：Planar S/L interface
固相无扩散、液相完全混合
No Diffusion in Solid and Complete Mixing in Liquid
Segregation-Induced Interdendritic Eutectics
Primary Dendrite
Solidification Segregation
凝固偏析的分类：
晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析 宏观偏析 微观偏析
减轻或消除凝固偏析的方法：
凝固过程的基本原理
wS
wL
▪ 在平衡凝固过程中，固相和液相中的溶质质量分数wS与wL是由相图的固相线和
液相线确定的。相图只能确定平衡凝固条件下的溶质分配系数。但在实际情况
下，平衡凝固的情况非常罕见。
▪ 一般将合金的凝固过程分为平衡凝固、近平衡凝固和非平衡凝固过程。对应于 上述凝固过程，k的定义和名称也各不相同，分别称为：平衡溶质分配系数k0, 有效溶质分配系数ke, 非平衡溶质分配系数 (也叫实际溶质分配系数) ka 。
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
相图计算的基本原理就 是依据热力学原理，计算
收集评估相图与热力学试验数据
系统的相平衡关系及各种
选择各相的吉布斯自由能模型
热力学数据，并绘制出相 图。热力学计算技术不仅
重新评估实验数据
给模型参数赋初值
能获得多元合金的相图信 息如分凝系数、液相线 (面) 斜率等，同时也能够获得
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
▪ 多元合金的溶质再分配分析
同样，对于多元合金，一般是从热力学的基本原理出发，对其溶质再分
配规律作出分析。
在研究多元合金的凝固过程时，仅当发生单相析出时，讨论溶质分配系
数才是有意义的。此时，任一组元i在液相和固相j中的化学位为，
L i
(GL wi
)T,P,WCj
1.相图与凝固---二元合金凝固过程的溶质再分配
▪ 溶质再分配是凝固过程的重要伴随现象，对凝固组织有决定性的影响。正是50~ 60年代以来对凝固过程溶质再分配现象的发现和深入研究，推动了现代凝固理 论的形成和发展。
▪ 描述凝固过程溶质再分配的关键参数是溶质分配系数k，它是凝固过程中固相溶
质质量分数wS与液相溶质质量分数wL之比。可写为，
混凝土凝固过程原理
混凝土凝固过程原理一、引言混凝土是一种广泛应用于建筑、道路、桥梁等工程领域的材料，其性能直接影响着工程结构的稳定性和耐久性。
混凝土在施工过程中必须经历从流动状态到硬化状态的过程，这个过程被称为凝固。
混凝土的凝固过程是一个复杂的化学反应过程，涉及到水泥水化反应、温度变化、水分流动等多个因素，本文将对混凝土凝固过程的原理进行详细的分析。
二、混凝土凝固过程的基本原理1.水泥水化反应水泥是混凝土中的主要胶凝材料，当水泥与水混合时，会发生水泥水化反应。
水泥水化反应是混凝土凝固的基础，其反应化学方程式可以表示为：C3S+H→C-S-H+CH。
其中，C3S表示三钙硅酸盐，H表示水，C-S-H表示水化硅酸钙胶凝体，CH表示游离钙氢氧化物。
这个反应过程是放热的，因此混凝土在凝固过程中会释放出热量。
2.水分流动水分在混凝土中的流动是混凝土凝固过程中重要的因素之一。
水分会随着时间的推移逐渐从混凝土表面向内部渗透，同时水泥水化反应也会不断消耗水分。
在混凝土内部，水分的流动会受到多种因素的影响，包括水泥的类型、水灰比、气孔率、温度等。
3.温度变化混凝土的凝固过程中，温度变化是一个重要因素。
水泥水化反应是放热的，因此混凝土在凝固过程中会产生大量的热量，导致温度升高。
同时，混凝土中的水分也会随着温度变化而发生相应的变化。
温度变化对混凝土的性能有着重要的影响，如温度变化会导致混凝土收缩、开裂等问题。
三、混凝土凝固过程的详细分析1.初凝阶段混凝土刚浇筑时，水泥水化反应刚开始进行，混凝土处于流动状态。
在这个阶段，混凝土的流动性能较强，可以通过振捣等方式来加强混凝土的密实性。
2.凝结阶段随着时间的推移，混凝土逐渐从流动状态转变为凝结状态。
在这个阶段，水泥水化反应逐渐加剧，混凝土内部的胶凝体逐渐形成。
同时，混凝土的温度也逐渐升高，水分的流动也逐渐减缓。
在这个阶段，混凝土的强度逐渐增加，但依然较低，需要注意施工过程中的保护。
3.终凝阶段随着时间的推移，混凝土逐渐从凝结状态转变为终凝状态。
[论述题,2分] 试述血液凝固的基本过程及其原理
![[论述题,2分] 试述血液凝固的基本过程及其原理](https://img.taocdn.com/s3/m/957d4d8f0129bd64783e0912a216147917117e8d.png)
[论述题,2分] 试述血液凝固的基本过程及其原理血液凝固是血液从液态变为固态的一种物理现象，它的发生关乎着人体的正常血液循环，是保护血液和维护血液正常循环的重要机制。
那么，血液凝固的基本过程及其原理是什么呢？血液凝固过程包括三个基本步骤：血小板凝集、凝血因子的活化和凝血酶的活性化。
1、血小板凝集。
当外界因素影响血管壁的组织，使血管壁受损时，血小板便会被活化，由血流中的悬浮状态向血管壁附着，并于血管壁上形成一层薄薄的血小板层，开始凝集。
血小板凝集过程中，血小板之间胞质细胞相互作用，产生一种特殊的凝结素，叫做“凝结素”，该物质可以促进血小板之间胞质细胞的结合，有助于血小板凝集。
2、凝血因子的活化。
在血小板凝集的同时，血液中的凝血因子也会被活化，如凝血酶原、凝血酶、纤维蛋白原、纤维蛋白原酶、血栓素、抗血小板抗体等。
凝血因子的活化主要是通过受到血小板分泌的张力素、凝血素、环磷酰胺等物质的作用而发生的。
凝血因子活化后，可以与血小板凝集形成的凝结素结合起来，形成凝血酶-凝血素复合物，进一步促进血小板凝集的过程。
3、凝血酶的活性化。
凝血酶是血液凝固过程中最重要的物质，它可以将凝血因子活化后形成的凝血酶-凝血素复合物进一步活化，使其变为能够催化血液凝固的凝血酶-凝血因子复合物。
凝血酶的活性化是由血小板分泌的凝血酶原酶活化剂负责的，只有当凝血酶原酶活化剂活化凝血酶原时，才能形成可以催化血液凝固的凝血酶-凝血因子复合物。
血液凝固的原理主要是凝血酶-凝血因子复合物的作用。
当凝血酶-凝血因子复合物活性化后，它可以催化血液凝固的反应，即将血液中的凝血因子（如凝血酶原、凝血酶、纤维蛋白原、纤维蛋白原酶、血栓素、抗血小板抗体等）活化后形成的凝血酶-凝血素复合物，与凝血酶-凝血因子复合物结合，并形成凝血复合物，使血液由液态变为固态，从而完成凝固反应。
血液凝固是一个复杂的过程，它是由血小板凝集、凝血因子活化和凝血酶的活性化三个步骤共同作用完成的，它的原理主要是凝血酶-凝血因子复合物的作用，只有当凝血酶-凝血因子复合物活性化后，它才能催化血液凝固的反应。
凝固过程的基本原理
当恒压下金属有多种晶体结构时, 各自在其对应的熔点温度下与液 相平衡Δ无熔点只能由气相形成. 热力学上,只有α相能在平衡温度 下形成而βγ不能.但是在连续冷 却条件下的较低温度下是析出稳 定相α,还是介稳相Β,γ将取决 于体积自有能,界面能和异质形核 的条件. .
10
2. 压力、曲率对熔点的影响
4
二、晶体生长的热力学与动力学 （一）晶体生长的热力学 (二）均质形核 （三）非均质形核
5
（一）晶体生长的热力学 1. 相变驱动力 2. 压力、曲率对熔点的影响 3. 溶质平衡分配系数
6
1. 相变驱动力
系统的自由能随温度的变化关系： 系统的自由焓（G）可表示为： G=H-TS H----热焓，S----熵，T----绝对温度 自由焓 G也称等压位，而对应的为自由能F，也称等容位， F = u- TS，又：G = H-TS = u + PV- TS， 当pV很小时，G =u –TS=F，故有时粗略地将自由焓称为自由能 由G= u+PV-TS 可得：dG = du-TdS -SdT+ PdV + VdP du =δ q -δ A q：系统从外界吸收的热量，A： 系统对外界所做的功。 恒温下：δ q = TdS，而只有膨胀功时，δ A = PdV 故 du=TdS-PdV 则有： dG=-TdS +VdP dG S 在恒压条件下dp=0，故：dG=-SdT ，即：
1 1 GS VS r r 2 1 S S Tr
设k为平均界面曲率： 固液两相平衡时：
1 1 1 k 2 r 1 r2
GS 2VS k S S Tr
Tr 2VS k 2TmVS k S m H m
混凝土凝固过程的原理及影响因素
混凝土凝固过程的原理及影响因素混凝土凝固过程是指混凝土从液态到固态的转变过程。
在这个过程中，混凝土中的水和水泥发生化学反应，形成胶凝体，并逐渐失去流动性，最终变为坚固的固体结构。
混凝土的凝固过程涉及多个因素的相互作用，包括水化反应、温度、湿度、外部环境等。
在本文中，我们将深入探讨混凝土凝固过程的原理及其影响因素。
1. 混凝土凝固过程的原理混凝土凝固的原理可分为两个主要方面：水化反应和水的蒸发。
1.1 水化反应混凝土中的水化反应是混凝土凝固的关键过程之一。
水泥在与水发生反应时产生水化产物，其中最重要的产物是水化硅酸钙胶凝体（C-S-H）和钙水化物（CH）。
C-S-H是混凝土中的主要胶结材料，其形成和发展决定了混凝土的强度和持久性。
水化反应是一个放热反应，也就是说，它会产生热量。
这种发热反应会加速混凝土的凝固过程，并对温度有一定的影响。
1.2 水的蒸发混凝土中的水分会随着时间的推移逐渐蒸发，这也是混凝土凝固的一个重要过程。
水的蒸发会导致混凝土中的溶质浓度升高，从而促进水化反应的进行。
但是，如果水分的蒸发速度过快，可能导致混凝土在凝固过程中产生裂缝和收缩问题。
控制混凝土中水分的蒸发速度对于确保混凝土结构的质量和可靠性非常重要。
2. 影响混凝土凝固过程的因素混凝土凝固过程的速度和质量受多种因素的影响，以下是其中几个重要因素的介绍。
2.1 水胶比水胶比是指混凝土中水的重量与胶凝材料（如水泥）的重量之比。
水胶比越低，混凝土的强度和耐久性越好，因为胶凝材料与水的反应相对充分。
然而，水胶比过低可能导致混凝土的流动性不足和与模板脱水困难。
在设计混凝土配合比时需要权衡水胶比的选择。
2.2 温度温度对混凝土凝固过程有着显著影响。
温度低于5℃时，水化反应的速率会明显降低，甚至会停止。
在低温环境下进行施工时，需要采取措施保持混凝土的温度，如使用加热设备或在混凝土中添加加热剂。
另高温环境下的水化反应速率较快，容易引起混凝土过早的凝固和龟裂。
凝固原理讲义-第一课绪论
涉及凝固过程的重要生产环节
8
铸造：
锭模铸造 连续铸造 精密铸造
熔模铸造 金属型铸造 陶瓷铸造 压力铸造 消失模铸造 挤压铸造
焊接
2020/3/25
快速凝固过程：
甩带 平面流铸造 雾化 深过冷 表面重熔
定向凝固：
布里奇曼法 直拉法 区熔 电渣重熔法
本门课程设计的意义
由一个晶核长成的晶体就 是一个晶粒。
若整个结晶过程只有一个 晶核形成并长大，即形成 单晶体金属。
常用金属多为多晶体金属 。
2020/3/25
纯金属结晶过程示意
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2020/3/25
凝固过程中的热力学和动力学
重要的基础概念 金属凝固的现象 金属凝固的热力学条件 金属凝固的结构条件
形核过程 长大过程 铸锭的组织与缺陷
2020/3/25
形核过程
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一.均匀形核 当液态金属非常纯净、不含任何杂质
时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠 液相内部的结构起伏直接从液相中自发形 成。
也即：新相晶核是在均一的母相内均 匀地形成称为均匀形核。
2020/3/25
形核过程
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在过冷的条件下，金属液体 中晶胚的形成和增大，将引起系 统自由能变化：一方面，转变为 固态的那部分体积会引起自由能 下降；另一方面，晶胚与液相之 间增加的界面会造成自由能（表 面能）增大。设单位体积自由能 的下降为 ΔGv (ΔGv < 0)， 单 位面积的表面能为σ；假设晶胚 为球体，半径为r, 则过冷条件下 形成一个晶胚时，系统自由能的 变化为（见动画演示）
ii
)
iL
p
p
（2-15)
纯溶质元素在液态时的标准化学位
活度系数
材料的凝固ppt
材料的晶体结构决定了其物理和化学性质，如硬 度、电导率、光学性能等。
03
材料凝固过程中的显微组 织与性能
材料的显微组织
01
晶粒大小
晶粒大小对材料的力学性能和传热性能有显著影响。细小的晶粒可以
提高材料的强度和韧性，同时降低材料的热导率。
02 03
晶界特性
晶界是材料中的界面，其结构和特性对材料的性能具有重要影响。例 如，大角度晶界可以阻碍位错运动，提高材料的强度，而小角度晶界 则有助于热扩散。
为一致的凝固组织。
在航空航天、汽车等领域，定向凝固 技术被广泛应用于制备高性能的金属
材料和合金。
通过定向凝固技术，可以获得具有优 良力学性能和抗疲劳性能的材料，提
高产品的可靠性和安全性。
快速凝固技术
快速凝固技术是一种材料加工 技术，它通过高冷却速率使材 料在短时间内凝固。
快速凝固技术可以制备出具有 微纳结构、高强度、高韧性的 材料，广泛应用于航空航天、 汽车、电子等领域。
相组成
材料的显微组织通常由多种相组成，不同相的体积分数和分布对材料 的性能产生显著影响。例如，硬质相可以提高材料的硬度，而软质相 则有助于提高材料的韧性。
材料凝固对性能的影响
力学性能
材料凝固过程中的组织演变对其力学性能具有重要影响。例如，粗大的柱状晶组 织可以提高材料的拉伸强度，但降低其韧性；而细小的等轴晶组织则可以提高材 料的韧性和冲击强度。
快速凝固技术具有短时间、高 效率的优点，可以降低生产成 本，提高材料性能。
消失模铸造技术
消失模铸造技术是一种近无余量的精确铸造方法，它采用泡沫塑料模样 代替传统金属模样，使液态金属在凝固过程中将模样全部气化消失。
消失模铸造技术具有生产周期短、成本低、精度高等优点，广泛应用于 航空航天、汽车、船舶等领域。
物理冶金原理：3-1-纯金属的凝固
No Dislocations
Composition Homogeneity
The atoms are arranged in a random fashion, similar to their arrangement in the liquid state
Example of a crystalline atomic structure. Four grains are illustrated
《物理冶金学原理》
主要研究内容
➢金属材料的原子排列与结构(晶体 结构、晶体缺陷等)
➢金属材料制备成形基本原理(凝固、
固态相变、塑性变形等)
➢金属材料组织结构、性能及其与材 料加工制备过程之间相互关系与控 制的基本理论。
《物理冶金学原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
DTk Tm DT＊
Time
Atomically Rough S/L Interface
（原子尺度）粗糙液－固界面
Continuous Growth --连续生长 Non-faceted Phases (非小面相）
连续生长－Continuous Growth 晶 生 所 （Non-Faceted Crystal）
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements:
- Crystal Structure and Defects of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
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3.2 单相合金的凝固
• 合金原始成分为C0 • 微元体左端冷却到温度TL，凝固从左端开 始，此时固相成分为k0C0，液相成分接近 C0 • 界面温度冷却到T*时，液相侧浓度Cs*，固 相侧浓度CL*，固相侧浓度平均值按12线变 化，与原来的固相线偏离
33
3.2 单相合金的凝固
• 设凝固某时刻，界面上固相、液相的成分 浓度为Cs*和CL*,相应的质量分数为fs和fL; • 当固相出现增量dfs时，排出溶质（CL*Cs*)dfs,剩余液相（1-fs-dfs)的浓度升高 dCL* • 于是，有下面的质量平衡关系：
11
3.1 几个基本概念
12
3.1 几个基本概念
• 溶质再分配 • 合金凝固过程中，固相成分沿固相线变化， 液相成分沿液相线变化 • 肯定发生传质，导致固液界面两侧的固相和 液相内部溶质再分配 • 如图：
13
3.1 几个基本概念
• 平衡分配系数 • 从合金溶液形成晶体，其局部界面处于平 衡。 • 界面温度T*，固相侧溶质含量Cs*，液相 侧溶质含量Cl*，则：
3.2 单相合金的凝固
• 同理推导，可得： CL*=C0[1-fs/（1+ak0）]k0-1 Cs*=k0C0(1-fs/（1+ak0）)k0-1 参数a=Dtf/l2 D为扩散系数 tf为凝固终了时间 l为凝固始末端距离 与上种情形相比，多出了aK0相，a是决定凝固组织中溶 质分布状况的重要参数，是无量纲值，物理意义：在一 定时间内，溶质扩散距离与凝固距离的比值的平方值。 a越小，Cs*越大。 37
L+
L C
D
T1 A
C1
+
B,%
Ce
B
6
3.1 几个基本概念
• 平衡凝固 • 所谓平衡凝固是指在结晶过程的各个 不同温度阶段，处处都能随时达到相 应的平衡状态，即随着温度的变化， 液、固两相的平衡成分都分别沿着液 线和固线而变化。 • 只有当冷却非常缓慢或分段冷凝的条 件下，才可能实现。
• 原已形成的固相其成分为 C1a ，而新生长的部分其 成分应为C2a，前者较后者组元A 含量较高（组元B 较低） • 两者之间势必发生相互扩散，以使成分均匀化。但 这就破坏了新生晶体在T2时的稳定平衡关系
24
3.2 单相合金的凝固
• 平衡的恢复依赖于液相中的组元 B的扩散，这样的过程 需要反复进行，直到新旧固相完全均匀化，并都变为相 当于 T2 时的平衡成分 C2a 后，新旧固相间以及固相与液 相间的互扩散才会停止。随后这些晶体将与那些在 T2时 重新生核并长大的晶体一样地成长。 • 上述两个过程可一直继续到固相与液相的成分各自完全 达到C2a和C2L，结晶中断为止。此时两相的相对量分别 为:
30
3.2 单相合金的凝固
• 非平衡凝固 • 随着与平衡凝固偏离程度的不同，非平衡凝 固是多种多样： • 液相完全均匀化的凝固 • 固相中不发生任何扩散 • 固相部分扩散 • 液体不均匀化条件下的凝固 • 只有扩散 • 部分扩散和部分对流
31
3.2 单相合金的凝固
• 液相完全均匀化，固相中不发生任何扩散
40
3.2 单相合金的凝固
• 临近结束的情况是： • 溶质富集层被推到右端小体积的残余液体 中，无法向外扩散 • 界面前沿的浓度又开始增加 • 形成后过渡阶段 • 图e
41
3.2 单相合金的凝固
• 对成分为C0，k0<1的合金，按图d取坐标系 • 设界面推进速度为R，离界面x处的液相浓度 为Cx， • 当界面推移时，相当于有RCx的溶质由右向左 输入 C x D • 同时，由于扩散，有 L x 的溶质由左向右排 出 ，扩散系数为DL
C x 2C x R DL 0 2 x x
26
3.2 单相合金的凝固
• 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。
27
3.2 单相合金的凝固
• 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
28
3.2 单相合金的凝固
• 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
• 相当于力学杠杆ab，将p作为支点，其他两个着力 点为a和b。
17
3.2 单相合金的凝固
• 平衡时的溶质再分配 • 对于多数金属和无机非金属可以近似认为生长 时界面处于平衡状态。也就是说凝固时无论液 体和固体都有很大的浓度梯度，原子通过界面 的阻力可以忽略不计。 • 设有一浓度为C0，以平面前沿长大，固液界面 处的平衡，可以在液相线温度以下的温度中得 到，若凝固温度降到T*，其平衡条件液固界面 浓度为C*L、C*S。
（CL*-Cs*）dfs=(1-fs-dfs)dCL* • 因为：k0=Cs*/CL*，而且fs=0时，Cs*=k0C0
34
3.2 单相合金的凝固
解微分方程，得：
CL*=C0(1-fs)k0-1 Cs*=k0C0(1-fs)k0-1
35
3.2 单相合金的凝固
• 液相成分随时均匀，固相部分扩散
36
aC LC
a 1
L 1
21
3.2 单相合金的凝固
• 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。
a% C2L C0
a C 0 2
L% C
C C
L 2 L 2
a C2 100% a C2
100%
25
3.2 单相合金的凝固
• 结晶的进一步进行，有待于再降低温度。 • 依此类推，直到温度达到相当于固线温度 TS，液相消失，而完全变为与合金成分C0相 同的a固溶体的多晶粒组织时，结晶过程即告 终了。
39
3.2 单相合金的凝固
• 初期阶段的情况是： • 扩散的速度小于固相排出的速度 • 固相排出的溶质在界面处富集，界面前沿溶 质浓度不断升高 • 浓度梯度的增大，加速了扩散，扩散速度逐 渐增加 • 当CL*达到C0/k0，Cs*=C0时，扩散速度 等于排出速度，界面上固相成分和液相成分 均保持不变 • 即为稳定期
• 纯金属和合金 • 只含有单一元素的金属，理想情况，实际 是不存在的 • 含有一种以上元素的金属：钢水
4
3.1 几个基本概念
合金在凝固过程中只析出唯一的相，称作单相合金。
5
3.1 几个基本概念
合金在凝固过程中析出两个以上的新相，称作多相合 金 A B L T
C
L+
C1
L C
E
Ce
a b p A (1 X a ) A (1 X b ) 1 X p
16
3.1 几个基本概念
• 杠杆定律
• 联立求解，得到两相的相对量为：
X b X p pb A X b X a ab X p X a ap A X b X a ab
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3.2 单相合金的凝固
• 离开界面处的成份将有很大变化，但界面处的平衡条件 要求T*、 C*L、C*S三个之一被确定时，另外两个参数 依据相图也被确定了。平衡分配值（分配系数）K＝ C*S/C*L。
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3.2 单相合金的凝固
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3.2 单相合金的凝固
• 设合金C0分段冷凝在温度T1时开始结晶，按照平 衡关系，这时形成的晶体a，其成分应相当固线上 点C1a，而与之平衡的液相L的成分已非C0。而是 位于联结线上另一端，相当于液线上的点C1L，它 比母液所含组元B的浓度要高，显然，这样的C1L 在T1时其过冷度为零，应属于稳定态。 • 说明，在结晶过程中，一旦新的固相稳定出现， 系统就力求开始建立起一个新的平衡关系
3.2 单相合金的凝固
• 液相成 分不均 匀，只 有扩散
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3.2 单相合金的凝固
• 温度为TL时，C0合金从左端开始凝固，界面上 析出成分k0C0的固体，图b • 多余溶质排入液体，但只导致界面前沿的浓度 升高，界面远处的浓度仍维持C0，界面推移， 界面溶质不断富集，CL*和Cs*都不断增加，图 C • 当CL*达到C0/k0时，Cs*=C0，初期阶段结 束，进入稳定阶段，图d
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3.1 几个基本概念
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3.1 几个基本概念
成分为xb的合金 固相 液相 传质
A
xb
B
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3.1 几个基本概念
成分为xb的合金 固相 液相 传质
A
xb
B
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3.1 几个基本概念
• 非平衡凝固 • 随与平衡凝固偏离程度的不同，非平衡凝固 是多种多样： • 在结晶过程中液相能够随时借助扩散、 对流或搅动等作用完全均匀化，而固相 中不发生任何扩散 • 在结晶过程中液相能够随时借助扩散、 对流或搅动等作用完全均匀化，而固相 中不发生任何扩散 • 液体不均匀化条件下的凝固