擴(kuò)散與相變word版本.doc

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1、擴(kuò)散與相變精品文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔鑄錠均勻化的擴(kuò)散機(jī)理1基礎(chǔ)理論眾所周知，所有金屬和合金凝固時(shí)都存在枝晶偏析，必須通過(guò)均勻化處理消除或減少晶內(nèi)化學(xué)成分、組織的不均勻性和在鑄錠快速冷卻時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改善鑄錠的熱塑性。均勻化處理能改善合金的塑性，提高合金元素在基體中的固溶度，提高合金的強(qiáng)度。均勻化過(guò)程越徹底，時(shí)效后合金的強(qiáng)度越高。在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)合金經(jīng)澆鑄后(鑄錠或鑄件)，冷卻較快，一般是幾分鐘，最多是幾小時(shí)就已凝固完畢，不可能達(dá)到平衡凝固。由于非平衡凝固擴(kuò)散進(jìn)行不充分，鑄錠或鑄件的成分、組織、性能存在不均勻性。主要體

2、現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：鑄錠存在成分偏析，如不消除會(huì)影響產(chǎn)品的性能的均勻性和降低耐蝕性。鑄錠中的低熔點(diǎn)組織在熱加工過(guò)程中熔化，不利于加工。(3)鑄錠中存在較大的殘余應(yīng)力，在加工過(guò)程中可能導(dǎo)致鑄錠開(kāi)裂。(4)鑄錠中的硬脆相在加工過(guò)程中碎化，形成裂紋，降低合金的塑性。鑒于以上問(wèn)題，就需要對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，以改善鑄造合金的工藝性能，為后續(xù)冷、熱加工和熱處理創(chuàng)造條件，并且改善鑄件的最終使用性能。均勻化是一個(gè)在高溫下進(jìn)行的過(guò)程，需要一定時(shí)間才能完成，其微觀機(jī)理是合金中一種或多種溶質(zhì)原子在高溫下在化學(xué)位梯度的作用下發(fā)生擴(kuò)散，使合金的成分、組織不均勻性得以消除或者

3、減少。這是典型的擴(kuò)散問(wèn)題。2一個(gè)實(shí)際鑄錠的枝晶偏析問(wèn)題及其均勻化收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔固溶體合金在非平衡結(jié)晶時(shí)，由于先后從液體中凝固出來(lái)的固相成分不同，加之冷卻速度快，固相中均勻擴(kuò)散來(lái)不及進(jìn)行，結(jié)果使得晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻。往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的枝晶偏析，從而損害合金的性能。由于不平衡結(jié)晶，得到的固相晶粒內(nèi)部先結(jié)晶區(qū)高熔點(diǎn)組元含量高，后結(jié)晶區(qū)低熔點(diǎn)組元含量高，這種在一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象就是晶內(nèi)偏析。由于固溶體晶體通常是樹(shù)枝狀，枝干和枝間的化學(xué)成分不同，因此又稱(chēng)為枝晶偏析。如圖Ni-Cu合金鑄態(tài)組織，先凝固的晶體中心

4、含Ni量高，后凝固的晶體部分含Cu量高，如圖1所示。圖1(a)為鑄態(tài)Ni-Cu合金經(jīng)拋光侵蝕后，由于不同成分的侵蝕程度不同，而顯示出枝晶形狀，其先凝固的樹(shù)枝狀骨架(白色)含Ni量較高，后凝固的枝與枝之間(黑色)含Cu量較高；圖1(b)為兩個(gè)枝臂間的電子探針顯微分析照片，證明了枝臂中心含Ni高，枝與枝枝間含Cu高。如果合金中存在嚴(yán)重的枝晶偏析，會(huì)導(dǎo)致合金的塑性顯著下降，難于壓力加工，為消除枝晶偏析，可以將鑄態(tài)合金加熱至略低于固相線溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的均勻化退火，使異類(lèi)原子互相充分?jǐn)U散均勻。由圖2(a)可見(jiàn)，鑄態(tài)Ni-Cu合金經(jīng)均勻化退火后的晶粒組織是均勻

5、的，電子探針掃描圖像[圖2(b)]也證明經(jīng)過(guò)均勻化退火后晶粒內(nèi)部的成分是均勻。圖1Ni-Cu合金的枝晶偏析(a)鑄造組織(枝晶偏析)；(b)相鄰兩枝臂間的電子探針掃描圖象收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔圖2Ni-Cu的組織經(jīng)均勻化退火后的晶粒組織(a)及穿過(guò)晶粒的電子探針掃描圖象(b)3建立鑄錠均勻化的擴(kuò)散模型為克服固溶體合金的枝晶偏析，工業(yè)上常常將鑄錠(或鑄件)加熱到高溫使之通過(guò)擴(kuò)散而達(dá)到成分的均勻化。鑄錠均勻化是通過(guò)擴(kuò)散來(lái)消除或減小實(shí)際結(jié)晶條件下晶內(nèi)成分不均勻和偏離于平衡的組織狀態(tài)，以改善合金材料的工藝性能與使用性能。所以鑄錠的均勻

6、化過(guò)程是典型的擴(kuò)散問(wèn)題，主要由擴(kuò)散控制，下面就對(duì)這種鑄錠的均勻化問(wèn)題建立擴(kuò)散模型，用擴(kuò)散理論對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析，得到該問(wèn)題擴(kuò)散相關(guān)的解答。圖3鑄錠中的枝晶偏析(a)與橫截二次枝晶軸的直線上(如AB線)的溶質(zhì)原子濃度分布如圖3(a)所示鑄錠中的枝晶，鑄錠的均勻化過(guò)程可以近似成一維無(wú)限大介質(zhì)中的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問(wèn)題。在具有枝晶偏析的鑄錠中，沿一橫截二次枝晶軸的直線上(圖3(a)中的AB線)的溶質(zhì)原子濃度變化，大致呈圖3(b)所示的正弦波形狀。即其初始濃度分布呈正弦規(guī)律，可用下述方程描述：(3-1)收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔式中為平均濃度，A0

7、為鑄態(tài)合金中原始成分偏析的振幅，它代表溶質(zhì)原子濃度最高值Cmax與平均值之差，即A0=Cmax-。λ為溶質(zhì)原子最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的距離，即枝晶二次軸之間距離的一半。在鑄錠均勻化退火時(shí)，由于溶質(zhì)原子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，因此正弦波的振幅會(huì)逐漸減小，但其波長(zhǎng)和周期不變。4根據(jù)擴(kuò)散模型理論推導(dǎo)根據(jù)上述模型求解此擴(kuò)散問(wèn)題的解。以下有兩種方法。第一種解法是根據(jù)邊界條件和初始條件求解菲克第二定律的解，第二種方法是根據(jù)初始條件和一維無(wú)限大介質(zhì)非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的通解來(lái)求解。其實(shí)質(zhì)是一樣的。解法一：由上述建立的模型可得兩個(gè)邊界條件，①在x=0時(shí)，濃度保持常數(shù)C。得

8、邊界條件：C(0,t)=(4-1)②在x=λ/2位置時(shí)，正處于正弦波的峰值，所以有dC/dx=0.得邊界條件：(4-2)用