同学们在学习纯金属的凝固过程时，由于纯金属是由同种金属构成的，所以它的凝固过程也相对简单。但是对于合金来说，因其复杂的组成，凝固过程比较复杂，且合金的凝固在材料科学基础中是很重要的，所以需要我们认真地去学习。
今天学姐给大家整理一下合金凝固相关的知识点，文字较多要耐心看完哦！
一、与凝固有关的名词解释
1.四个易混淆的“过冷”
过冷：结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行，这种现象称为过冷。
过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。
动态过冷度：晶体长大也需要一定的过冷度。长大所需的界面过冷度称为动态过冷度，用∆Tk表示。
成分过冷：在合金凝固过程中，由于液相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度。界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷。
2.三种“起伏”
结构起伏：液态结构的原子排列为长程无序，短程有序，并且短程有序原子团不是固定不变的，它是此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏。
能量起伏：体系中每个微小体积所实际具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的情况。结构起伏与能量起伏是对应的，造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏。
成分起伏：材料内因原子的热运动引起微区中成分瞬间偏离溶液的平均成分，出现起伏平衡分配系数k0：平衡凝固时固相的溶质质量分数wS（成分）和液相溶质质量分数wL（成分）之比。
3.两种凝固
平衡凝固：指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散。
非平衡凝固：指在液体结晶并析出固体的过程中，由于降温速度过快，使得液体中所析出固体分子扩散不均匀，导致结晶中固体分子各处浓度不均匀，当温度降到固相线时，仍存在液相的非均匀结晶的现象。
4.几种比较重要的偏析
偏析：铸锭中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。分为宏观偏析和显微偏析。
正偏析：溶质浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布称为正偏析，它是宏观偏析的一种。这种偏析通过扩散退火也难以消除。
枝晶偏析：固溶体在非平衡冷却条件下，匀晶转变后新得的固溶体晶粒内部的成分是不均匀的，先结晶的内核含较多的高熔点的组元原子，后结晶的外缘含较多的低熔点的组元原子，而通常固溶体晶体以树枝晶方式长大，这样，枝干含高熔点组元较多，枝间含低熔点组元原子多，造成同一晶粒内部成分的不均匀现象。
枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，通过“均匀化退火”
或称“扩散退火”，即在固相线以下较高温度（要确保不能出现液相，否则会使合金“过烧”）经过长时间的保温使原子扩散充分，使之转变为平衡组织。
5.两种界面
光滑界面：是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的，但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。
粗糙界面：在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层，但是宏观上看，界面反而是平直的。
6.三种晶体长大机制
连续长大机制：对于粗糙界面，由于界面上约有一半的原子位置空着，故液相的原子可以进入这些位置与晶体结合起来，晶体便连续地向液相中生长，这种生长方式也称为垂直生长机制。
二维晶核生长机制：二维晶核是指一定大小的单分子或单原子的平面薄层。若界面为光滑界面，二维晶核在相界面上形成后，液相原子沿着二维晶核侧边所形成的台阶不断地附着上去，使此薄层很快扩展而铺满整个表面，这时生长中断，需在此界面上再形成二维晶核，又很快地长满一层，如此反复进行（二维形核)。二维晶核心形核功较大。二维晶核也需达到一定临界尺寸后才能进一步扩展。
借螺型位错长大机制：若光滑界面上存在螺型位错时，垂直于位错线的表面呈现螺旋形的台阶，且不会消失。因为原子很容易填充台阶，而当一个面的台阶被原子进入后，又出现螺旋型的台阶。在最接近位错处，只需要加入少量原子就完成一周，而离位错较远处需较多的原子加入。这样就使晶体表面呈现由螺旋形台阶形成的蜷线。
二、合金凝固的相关知识点
1.二元合金的凝固理论
平衡分配系数k0:定义为平衡凝固时固相的质量分数wS和液相质量分数wL之比。
有效分配系数ke：
（非平衡凝固时，边界层固相侧溶质浓度与边界层外液相溶质浓度之比）
（1）平衡凝固
固液相均混合均匀，无边界层，不能发生成分过冷。
（2）非平衡凝固
A.固相无扩散，液相完全混合（正常凝固）ke=k0,凝固结朿后成分最不均匀。
B.固相无扩散，液相部分混合（非正常凝固）k0<ke<1< span="" style="box-sizing: border-box;"></ke<1<>
由于冷却速度快，液相原子只能部分混合，靠近液一固界面处不发生对流，只有扩散，形成边界层。
C.固相无扩散，液相完全不混合（非正常凝固）ke=1
冷却速度非常快，液相原子无扩散,边界层溶质原子迅速富集，固相中溶质浓度迅速提高,凝固结束后成分最均匀。
冷却速度越快，液相越不均匀，凝固结束后固相越均匀。
D.上述三种情况凝固后铸锭成分如下图所示
2、合金凝固中的成分过冷
a.成分过冷的概念
纯金属在凝固时，其理论凝固温度（Tm）不变，当液态金属中的实际温度低于Tm时，就引起过冷，这种过冷称为热过冷。在合金的凝固过程中，由于液相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定，因此，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷。
成分过冷的临界条件为：边界层温度梯度与边界层浓度分布曲线相切
铸型中的温度梯度G越小、界面移动速度R越大（即凝固速度越快）、液相线斜率m越大、扩散系数D越小、溶质质量分数ω越大，则在k0<1时，k0越小，液-固相线之间的间距越大，成分过冷区越大。
b.成分过冷对晶体生长形态的影响
在纯金属凝固中，只有在负温度梯度下才能得到树枝状组织。
在合金中，由于成分过冷，即使是在正的温度梯度下凝固也能得到树枝状组织。
因此，成分过冷是合金凝固有别于纯金属凝固的主要特征。
成分过冷度很小或没有成分过冷（I区）到平直界面。
过冷度较大时（II区），得到胞状晶；
过冷度很大时（III区），得到树枝状晶。
以上就是合金凝固的相关知识点，下面通过这几个例题来检查一下自己的复习情况吧！
1、正常凝固是否指平衡凝固？如否，请指出二者的相同与不同之处。
2、假设平衡分配系数K0<1，简述成分过冷的原因，并判断合金在平衡凝固过程中是否会发生成分过冷？
3、单相固溶体非均匀凝固时，什么情况下平衡分配系数K0与有效分配系数Ke相等？
4、如果凝固组织中晶粒之间是平直界面，合金在凝固过程中是否发生了成分过冷？为什么？
答案
1、不是。二者的相同之处在于凝固过程中液相都完全混合，不同之处在于正常凝固的凝固过程中固相原子无扩散，而平衡凝固的固相原子能够充分扩散。
2、当凝固过程中液相不能完全混合时，会在液固相界面前沿生产溶质原子富集，形成边界层。如下图所示，曲线(粗)为由于边界层中的溶质原子分布而产生的实际熔点(Tm)，直线（细）为溶液中实际TL，可以看到部分区域Tm >TL，从而形成成分过冷。
平衡凝固过程中液固相界面前沿不产生边界层，故不会形成成分过冷。
3、当液相中溶质原子与溶剂完全混合。
4、不一定，只要固液界面是光滑界面，无论是否发生成分过冷，都会形成平直界面。
转载： 甜姐材料考研
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