离心压力下凝固组织形成热力学与动力学分析

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离心压力和整体压力一样也会改变合金或金属凝固时的热力学与动力学条件,但是离心压力是梯度压力,不同的离心半径和旋转速度下,压力是不同的,所以对热力学和动力学的影响都有其特殊性。对于凝固收缩的合金或金属,热力学上的影响主要有:离心压力导致熔点升高,造成相对过冷度增大,离旋转中心越远,旋转速度越高,熔点的增量越大,增加的过冷度就越多,当旋转速度达到8000rpm,离心半径为2m,Al、Ti、Mg、Cd、Cu、Sn、Zn的过冷度分别可以达到227.984、187.376、178.756、847.96、368.004、326.132、401.872K,除了钛和镁,离心压力造成的过冷度超过其匀质形核的过冷度最大值;随着旋转速度和离心半径的增大,临界形核功和临界形核半径减少的越多,越有利于在外侧的金属或合金的凝固,以锡、铜为例,当转速为6000rpm,离心半径2m,外侧Sn的临界形核半径是旋转中心Sn的0.22倍,Cu的临界形核半径是旋转中心Cu的0.194倍,而临界形核功分别为中心的Sn、Cu的四分之一和五十分之一;当旋转速度和离心半径较小的时候,重力的影响是很大的,此时改变合金或金属的热力学条件是两者共同作用的。随着旋转速度和离心半径的增加,离心压力对动力学的影响主要有:扩散系数减少,当离心半径为2m,旋转速度为8000rpm时,外侧的钛、铝扩散分别只是旋转中心的0.0175、0.0076倍;固溶度、压力过冷相应增加;晶化激活能增加,热力学势垒减少,由于晶化激活能和热力学势垒的共同作用,存在一临界离心压力,此时形核率有一最大值;离心压力还会导致生长速度减少,晶粒尺寸受生长速度和形核率两者的共同作用,存在另一临界的离心压力,理论上在该处晶粒是最小的,但是由于外层的激冷作用,外层的晶粒才是最小的,达到该临界压力而凝固的组织,会出现四个区,第一、第二、第三和激冷区,其中第一和第三的组织较大,第二和激冷区的组织较小;另外,离心压力还会对层片间距产生影响。根据现有的实验条件,主要考虑壁厚、重力、离心半径对组织的影响。随着重力和离心半径的增加,组织就越细小;壁越薄,凝固的时间越短,得到组织越细小。
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