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1.成分过冷，1.界面前液体的凝固温度（液相线温度）是由溶质富集引起的，（1）“成分过冷”的条件是过冷：理论凝固温度和金属的实际温度。热过冷：金属凝固所需的过冷程度完全由传热提供。它仅由熔体的实际温度分布决定。组分过冷：由于凝固过程中溶质的重新分布，固液界面前部的溶质浓度发生变化，导致理论凝固温度的变化和液固界面前液相形成的过冷。这种由固液界面前的溶质重新分布引起的过冷称为成分过冷。它由界面前的实际温度和液相线温度分布共同决定。部件过冷不仅受热扩散控制，还受溶质扩散控制。, 合金的原始成分 C0, 平衡结晶温度 T0, 液相线斜率 m, 当液相中只有扩散时: 当 x = 0 时, 当 x = , 2 时, 由于内部和外在因素 由固液界面前的溶质重新分布引起的，称为成分过冷。它由界面前的实际温度和液相线温度分布共同决定。部件过冷不仅受热扩散控制，还受溶质扩散控制。, 合金的原始成分 C0, 平衡结晶温度 T0, 液相线斜率 m, 当液相中只有扩散时: 当 x = 0 时, 当 x = , 2 时, 由于内部和外在因素 由固液界面前的溶质重新分布引起的，称为成分过冷。它由界面前的实际温度和液相线温度分布共同决定。部件过冷不仅受热扩散控制，还受溶质扩散控制。, 合金的原始成分 C0, 平衡结晶温度 T0, 液相线斜率 m, 当液相中只有扩散时: 当 x = 0 时, 当 x = , 2 时, 由于内部和外在因素 也可以通过溶质扩散。, 合金的原始成分 C0, 平衡结晶温度 T0, 液相线斜率 m, 当液相中只有扩散时: 当 x = 0 时, 当 x = , 2 时, 由于内部和外在因素 也可以通过溶质扩散。, 合金的原始成分 C0, 平衡结晶温度 T0, 液相线斜率 m, 当液相中只有扩散时: 当 x = 0 时, 当 x = , 2 时, 由于内部和外在因素
2、由于（冷却速度），组分过冷程度（TK很小，可以忽略）：产生“组分过冷”必须满足两个条件：一是固相前沿的溶质富集-液体界面导致组分的重新分布；二是固液界面前液相的实际温度分布，或者说温度分布梯度GL必须达到一定值。,成分过冷条件: ,成分过冷度:,影响成分过冷区宽度和过冷度的因素: 工艺因素: G, v 合金本身因素: DL, m, k0, C0, 部件宽度过冷区，随凝固速率的增加而减小，随溶质在液体中扩散系数的增加而增加。构件过冷区的宽度和构件过冷的大小直接影响凝固过程中缩孔和热裂等缺陷的形成。, “组分过冷”条件及判据,“组分过冷”形成条件分析（以K01为例）：界面前沿形成富溶层
3.液相线温度TL(x)随着x的增加而增加。当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的斜率时，即发生“组分过冷”。，当液相中只有有限的扩散时，液相部分混合时形成“组分过冷”判据。相内温度梯度小（GL小）；晶体生长速度快，R大；mL L 大，即液相线斜率陡；原组分浓度高，C 0 大；液相中的溶质扩散系数DL低；K 01 K 0 小时，K 0 小；当K 01、K 0 大时，工艺因素，合金本身的因素，
4、恒定结晶温度大大降低，降低了实际过冷度，甚至阻碍了晶体的生长。, (2) 成分过冷，使界面不稳定，无法保持平面。2、“组分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响。随着“组分过冷”的增加，固溶体生长方式：Planar unit cell-like unit cell-like dendrites（柱状枝晶）内部等轴晶（free Dendrite），合金固溶体凝固的晶体生长形态 a) 不同成分过冷条件 b) 无成分过冷平面晶体 C) 窄成分过冷区间蜂窝晶 d) 具有较宽成分过冷区间的柱状枝晶 e) 宽成分过冷内等轴晶。纯金属在正温度梯度下呈平面生长，在负温度梯度下呈树枝状生长。对于合金，在正温度梯度下，无成分过冷，同样纯的Like金属，界面为平面界面；在负温度梯度下，也和纯金属一样 纯金属在正温度梯度下呈平面生长，在负温度梯度下呈树枝状生长。对于合金，在正温度梯度下，无成分过冷，同样纯的Like金属，界面为平面界面；在负温度梯度下，也和纯金属一样 纯金属在正温度梯度下呈平面生长，在负温度梯度下呈树枝状生长。对于合金，在正温度梯度下，无成分过冷，同样纯的Like金属，界面为平面界面；在负温度梯度下，也和纯金属一样
5、呈树枝状。但合金的枝晶生长也与溶质再分布有关。但是，当合金处于正温度梯度时，由于溶质的重新分布，合金晶体的生长方式也会多样化：当成分略微过冷时，是细胞生长，并且随着溶质的增加组成过冷（即温度梯度的降低）。小），晶体由细胞变为柱状、柱状枝晶和游离枝晶（等轴枝晶）。, 1. 无组分过冷的平面生长，平面生长的条件：, 界面前无组分过冷的平面生长 a) 局部不稳定界面 b) 最终稳定界面, 稳定界面的前进速率为晶体生长速率 v 可由界面上的热平衡方程推导出： 式中 S，L 为固液相热导率；L是合金的密度和结晶潜热。, 单相合金晶体生长同时受到传热和传质过程的影响。为保持平面界面生长模式，温度梯度应高，生长速率应为
6. 低。合金的性能也有影响。C0和越大，k偏离1越远，DL越大，界面越趋于平坦。, 2. 窄元件过冷区的细胞生长，图 a) 窄元件过冷区的形成 b) 平坦界面在元件过冷下失去稳定性 c) 形成稳定的细胞界面形态，对于宏观上是平坦的界面，任何产生的凸起都不可避免地面临更大的过冷度并以更快的速度向前增长。同时，多余的溶质不断排放到周围的熔体中，凹区的溶质浓度增加得更快，因为凹区的溶质比凸区更难扩散到熔体中。由于凸部的快速生长，溶质进一步集中在凹部。, 单元界面处的部件过冷区宽度约为0.0l至0.1cm。随着组分过冷度的增加，发生： ，溶质富集降低了凹陷区熔体的过冷度，从而抑制了凸起晶体的横向生长。凸
7、晶体前端的生长受元件过冷区宽度的限制，不能自由向前伸展。当界面处的液体组分由于溶质的富集而达到相应温度的平衡温度时，界面形貌趋于稳定。在狭窄的组分过冷区的作用下，不稳定的宏观平面界面转变为由许多类似于旋转抛物面的突起单元和凹槽网络组成的稳定的新界面形态。这种形式称为细胞晶体。以细胞形状前进的生长方式称为细胞晶体生长方式。3. 柱状枝晶生长在较宽的部件过冷区。在柱状枝晶的生长过程中，随着界面前的部件过冷区变宽，凸形单胞将向熔体延伸得更远；原来的晶胞晶体抛物界面逐渐变得不稳定。晶胞的生长方向开始转向优先晶体生长方向，晶胞晶体的横向也会受到晶体学因素的影响，产生法兰结构。组合物过冷强化时，法兰 并且晶胞晶体的横向也会受到晶体学因素的影响，产生法兰结构。组合物过冷强化时，法兰 并且晶胞晶体的横向也会受到晶体学因素的影响，产生法兰结构。组合物过冷强化时，法兰
8、会有锯齿状结构，即二次枝晶。，由细胞生长向树枝状生长的转变，具有次生枝晶的细胞晶体称为细胞枝晶，或柱状枝晶。如果成分过冷区足够宽，则二次枝晶在随后的生长中会在其前端分裂成三次枝晶。, 枝晶在较宽的组分过冷作用下生长, 随着界面前的组分过冷区逐渐变宽, 晶胞突起向远离熔体的熔体延伸。“二次枝晶”（cell dendrites） 当成分过冷区足够大时，“三次枝晶”在二次枝晶上生长（动画），4。宽成分过冷区的自由枝晶生长，由柱状枝晶的外生生长转变为等轴枝晶的内生生长。枝晶是游离的枝晶（等轴晶体）。当固液界面前液体的过冷度最大值大于均质形核所需的过冷度T
9、柱状枝晶生长时，界面前的这部分液体会发生新的形核过程，导致晶体在过冷液中自由形核生长，并长成枝晶，称为自由枝晶. ，树枝状形态：在液体内部自由成核生长，从自由能的角度看应该是一个球体。但是为什么又变成了树突的形式呢？在近平衡状态下，多面体棱角处液相中的溶质浓度梯度较大，扩散速度较快；而大平面前沿液相中的溶质梯度较小，扩散速度较慢；这样，晶体在边缘和角落生长。速度大，平面小，近球形的多面体逐渐长成星形，从星形分枝形成枝晶。，宏观上，平面生长、细胞生长和柱状枝晶生长属于晶体从自面体壁成核，然后由外向内单向延伸，称为外生生长。等轴晶体在液体内部自由生长，称为内生生长。
10. , 5. 枝晶的生长方向和枝晶间距，（1）立方晶系晶体生长方向为密排六方晶系，（1010）生长方向为体心立方晶系，图立方晶系枝晶 a) 晶面生长 b) 非晶面生长，对于晶面生长的枝晶结构，生长面为缓慢生长的密堆积面；对于粗糙界面的非小面生长，非晶性质与树枝状生长中的性质不同。二次枝晶间的垂直距离的晶体学特征没有完美的理论解释。主轴间距d1，二级枝间距d2，三级枝间距d3。在树突的枝杈之间，溶质含量高的晶体被填充，导致溶质偏析，导致材料或产品性能降低。，C0和GL/R对单相合金晶体形貌的影响，各种晶体形貌之间的关系如图所示。平面晶体是溶质浓度 C0=0 的特例。当溶质浓度一定时，随着GL的减小，v的增大；或者当GL和V一定时，随着C0的增加，晶体形态由平面晶转变为细胞晶、细胞枝晶和柱状枝晶。和等轴的树突。, 各种晶体形态之间的关系如图所示。平面晶体是溶质浓度 C0=0 的特例。当溶质浓度一定时，随着GL的减小，v的增大；或者当GL和V一定时，随着C0的增加，晶体形态由平面晶转变为细胞晶、细胞枝晶和柱状枝晶。和等轴的树突。, 各种晶体形态之间的关系如图所示。平面晶体是溶质浓度 C0=0 的特例。当溶质浓度一定时，随着GL的减小，v的增大；或者当GL和V一定时，随着C0的增加，晶体形态由平面晶转变为细胞晶、细胞枝晶和柱状枝晶。和等轴的树突。,
