第十一章凝固理论基础 的某一部分向前推移并超出总的界面位置,由于界面上的动力学过冷度非常小(约为 00IK),这些突出部分就延伸到比熔化温度TM更高的区域,从而使这些突出部分熔化 因此,晶体在正的温度梯度下长大时,界面的推移必定是均匀的移动 (2)在负的温度梯度下长大 在凝固界面前方的液相中,当温度梯度为负时,凝固过程如图11-3所示。凝固潜热 不仅可以通过固相的热传导而且也可以通过液相的热传导和对流而散失。也就是说,在 这种情况下通过固相使潜热排除的过程不再是控制介面推移的唯一因素。而且,如果界 面的一部分突出并超过其余部分,碰到的液相的温度将比原来的温度更低,因此,将促 使突出部分向液相进一步推移。所以在负的温度梯度下长大时,在宏观上为平面的界面 是不稳定的,将被破坏并形成一系列凸出的或针状的部分,向液相延伸。当针状部分突 出到过冷的液相中时,每一个针状部分的长大速率并不是连续地增加,当在界面上释放 的凝固潜热等于散失的热量,即达到稳定状态时,这些针状部分就保持恒定的长大速率 突出部分就成为枝晶主轴。同理,从一次轴可以长出二次的或更高次的枝晶轴。通常把 这种长大方式称为枝晶长大 在大体积的液体金属凝固过程中,这种枝晶长大方式仅在形核初期到枝晶轴变粗阶 段之间才出现。在凝固开始前,液体金属通常过冷几度才出现非均质形核,而在凝固过 程中液固界面的过冷度仅为约001K,所以纯金属的凝固是这样进行的:首先在过冷几 度的液体金属中,在很小一部分液体体积中完成非均质形核过程。由于凝固潜热的释放, 晶核的温度很快升高并达到略低于TM,造成界面过冷度下降;尔后,出现热量从固、液 相的散失,在固-液界面前方的液相中出现负的温度梯度。在负的温度梯度下,晶核以枝 晶方式长大,直到液相的过冷度被耗尽为止;最后,枝晶轴变粗直至完全凝固,由它释 放出的潜热必须通过模壁的热传导而散失。 11.3合金的凝固 合金的凝固是一个很复杂的问题,为了便于分析,此处选择单相合金进行凝固过程 的分析,单相合金又称单一固溶体合金,它的凝固过程具有合金凝固过程的一般特点。 下面以具有匀晶平衡相图的合金为例,讨论单相合金的凝固。具有匀晶平衡相图的二元 合金有Au-Ag、Cu-Ni、Fe-Ni、Bi-Pb、CrMo等。 在合金平衡凝固的过程中,液相和固相的浓度梯度可以通过扩散而消除,从而,固 相和液相的成份是均匀的。而在一般凝固条件下,由于冷却很快,没有充分时间建立平 衡状态,此时平衡相图只能预示在不同温度下合金可能同时出现的相和它们近似的成份。 这是合金凝固过程和纯金属凝固过程的主要区别。 平衡凝固 现讨论在图11-4a中所示的匀晶平衡相图中C成份的合金的平衡凝固。设想合金在 个坩埚熔化,而后缓慢冷却。当合金冷却到温度T时,即冷却到与液相线相交所对 应的温度时,出现成份为C}的固相晶核。根据平衡相图可知,在温度T时与C}固相 平衡的液相成份为C或Co。精确地说,由于凝固出现的固相比液相含有较少的B组元, 所以即使形成极其微量的固相,也将在固-液界面邻近区域的液相中稍微地增加B组元的 含量。由于缓慢冷却,所以有足够时间使介面前方液相中增多的B组元扩散到大体积的第十一章 凝固理论基础 183 的某一部分向前推移并超出总的界面位置，由于界面上的动力学过冷度非常小（约为 0.01K），这些突出部分就延伸到比熔化温度 TM更高的区域，从而使这些突出部分熔化。 因此，晶体在正的温度梯度下长大时，界面的推移必定是均匀的移动。 （2） 在负的温度梯度下长大 在凝固界面前方的液相中，当温度梯度为负时，凝固过程如图 11-3 所示。凝固潜热 不仅可以通过固相的热传导而且也可以通过液相的热传导和对流而散失。也就是说，在 这种情况下通过固相使潜热排除的过程不再是控制介面推移的唯一因素。而且，如果界 面的一部分突出并超过其余部分，碰到的液相的温度将比原来的温度更低，因此，将促 使突出部分向液相进一步推移。所以在负的温度梯度下长大时，在宏观上为平面的界面 是不稳定的，将被破坏并形成一系列凸出的或针状的部分，向液相延伸。当针状部分突 出到过冷的液相中时，每一个针状部分的长大速率并不是连续地增加，当在界面上释放 的凝固潜热等于散失的热量，即达到稳定状态时，这些针状部分就保持恒定的长大速率， 突出部分就成为枝晶主轴。同理，从一次轴可以长出二次的或更高次的枝晶轴。通常把 这种长大方式称为枝晶长大。 在大体积的液体金属凝固过程中，这种枝晶长大方式仅在形核初期到枝晶轴变粗阶 段之间才出现。在凝固开始前，液体金属通常过冷几度才出现非均质形核，而在凝固过 程中液-固界面的过冷度仅为约 0.01K，所以纯金属的凝固是这样进行的：首先在过冷几 度的液体金属中，在很小一部分液体体积中完成非均质形核过程。由于凝固潜热的释放， 晶核的温度很快升高并达到略低于 TM，造成界面过冷度下降；尔后，出现热量从固、液 相的散失，在固-液界面前方的液相中出现负的温度梯度。在负的温度梯度下，晶核以枝 晶方式长大，直到液相的过冷度被耗尽为止；最后，枝晶轴变粗直至完全凝固，由它释 放出的潜热必须通过模壁的热传导而散失。 11．3 合金的凝固 合金的凝固是一个很复杂的问题，为了便于分析，此处选择单相合金进行凝固过程 的分析，单相合金又称单一固溶体合金，它的凝固过程具有合金凝固过程的一般特点。 下面以具有匀晶平衡相图的合金为例，讨论单相合金的凝固。具有匀晶平衡相图的二元 合金有 Au-Ag、Cu-Ni、Fe-Ni、Bi-Pb、Cr-Mo 等。 在合金平衡凝固的过程中，液相和固相的浓度梯度可以通过扩散而消除，从而，固 相和液相的成份是均匀的。而在一般凝固条件下，由于冷却很快，没有充分时间建立平 衡状态，此时平衡相图只能预示在不同温度下合金可能同时出现的相和它们近似的成份。 这是合金凝固过程和纯金属凝固过程的主要区别。 一、 平衡凝固 现讨论在图 11-4a 中所示的匀晶平衡相图中 C0 成份的合金的平衡凝固。设想合金在 一个坩埚熔化，而后缓慢冷却。当合金冷却到温度 T1 时，即冷却到与液相线相交所对 应的温度时，出现成份为 的固相晶核。根据平衡相图可知，在温度 T1 时与 固相 S C1 S C1 平衡的液相成份为 或 C0。精确地说，由于凝固出现的固相比液相含有较少的 B 组元， l C1 所以即使形成极其微量的固相，也将在固-液界面邻近区域的液相中稍微地增加 B 组元的 含量。由于缓慢冷却，所以有足够时间使介面前方液相中增多的 B 组元扩散到大体积的 183