共晶组织及其形成机理

1、共晶组织及其形成机理共晶组织 的基本特征是两相交替排列，但两相的形态却是多 种多样，如下图所示：层状片棒状球状针状 螺旋状典型的共晶组织形态为什么会有不同的组织形态？这是由于共晶组织中的各相 的熔化熵不同。从这一观点出发，可以把共晶组织分为三类： 粗糙粗糙界面 （即金属 - 金属型）共晶； 粗糙平滑界面 （即金属-非金属型 ）共晶； 平滑平滑界面 （即非金属 -非金属型 ）共晶。金属- 金属型共晶组织的形成机制以层片状共晶为例来说明，下边左图表明共晶凝固时固 - 液 界面的平衡相浓度；下边右图说明层片状共晶成长时界面前沿的 横向原子扩散。共晶凝固时的固 / 液 界面的平衡相浓度层状共晶成长时界

2、面 前沿的横向原子扩散共晶两相同时存在共同成长称为共晶凝固。共晶凝固所共同构成的共晶领域，称为 共晶晶团 , 或晶区一个共晶领域中的每一单相并不是都需要单独形核，各相间多半是通过“ 搭桥”连接起来的，即经过搭桥分枝形成，如下图所示：共晶生长时的“搭桥”机构 在这类共晶组织中，究竟是呈层状还是棒状，主要取决于两个因 素：共晶中两相的相对量 （体积分数 ）及相间界面能。数学分析可知： 当晶体中的体积分数在 30%以下时，形成棒状的总界面比形成层状 小，故有利于形成棒状共晶；当一相的体积分数在30%- 70%寸，有利于形成层片状。金属- 非金属型共晶组织 由于非金属相晶体结构上的特性，使其成长时具有

3、明显的各相异 性，如 Al-Si 共晶时，由于 Si 相生长的各相异性，就出现了分枝长大， 呈不规则形态。如下图所示：Al-Si 共晶成长形貌示意图共晶系合金的非平衡凝固和组织伪共晶组织 非平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶 组织，这种由非共晶成分的合金所得的共晶组织称为 伪共晶组织 。 伪共晶组织的形成可用下图左图来说明。由液相线所包围的伪晶区可分为： 对称型伪晶区 及不对称型伪 区 两种，如下图右图所示：伪共晶的形成伪共晶区的位置伪共晶区在相图中的位置，对说明合金中出现的不平衡组织有一 定帮助。例如 Al-Si 系中，共晶成分的 Al-Si 合金在铸造状态下的组织为 a+

4、（ a+Si）共晶，而不是单纯的共晶体。这种现象可以从下图 左图所示的 Al-Si 合金的伪共晶区发生偏移来说明。Al-Si合金的伪共晶区CU-Al合金曲警4）离异共晶组织在共晶转变中，若晶体中与初晶相同的那个相会依附在初晶上 生长，而剩下的另一相则单独存在于初晶晶粒的晶界处，从而使共晶组织特 征消失。这种两相分离的共晶称为 离异共晶 。上图右图为 Al-Cu（ wCu=0.04） 合金中出现的离异共晶。 Al- Cu 合相图如下图所示：AL- Cu 相图富 Al 角（a）层片状（b）棒状（条状或纤维状）（c）球状（d）针状（e） 螺旋状（1）金属- 金属型（粗糙 - 粗糙界面）。由金属 -金

5、属组成的共晶， 如 Pb-Cd， Cd-Zn， Zn-Sn, Ph-Sn等，以及许多由金属-金属间化合物组成的合金，如 AI-Ag2AI， Cd-S nCd等均属于此类。（2）金属- 非金属型（粗糙 -光滑界面）。在金属 - 非金属型中，两组成相为金属- 非金属或金属 - 亚金属，其中非金属或金属性较差的一相在凝固时，其液 - 固界 面为光滑界面，如Al-Ge, Ph Sb, Al-St , Fe C （石墨）等合金共晶属于此类。 （3）非金属 -非金属（光滑 -光滑界面）。此类共晶组织形态研究甚少，而且不 属于合金研究的范围，故不加以讨论。a 金属-金属型共晶这类共晶大多是层片状或棒状共晶。

6、b 金属-非金属型共晶这类共晶组织通常形态复杂，如针片状、骨骼状等 2层片生长的动力学在共晶生长中，由于动态过冷度很小和强烈的横向扩散，使液 -固界面前沿 不能建立起有效的成分过冷，因此界面是平直状。界面移动速度方程 :7.4.3 合金铸锭（件）的组织与缺陷 工业上应用的零部件通常由两种途径获得： 一种是由合金在一定几何形状与尺寸 的铸模中直接凝固而成，这称为铸件；另一种是通过合金浇注成方或圆的铸锭， 然后开坯， 再通过热轧或热锻， 最终可能通过机加工和热处理， 甚至焊接来获得 部件的几何尺寸和性能。显然，前者比后者节约能源，节约时间，节约人力，从 而降低生产成本， 但前者的适用范围有一定限制

7、。 对于铸件来说， 铸态的组织和 缺陷直接影响它的力学性能； 对于铸锭来说， 铸态组织和缺陷直接影响它的加工 性能，也有可能影响到最终制品的力学性能。 因此，合金铸件 （或铸锭）的质量， 不仅在铸造生产中，而且对几乎所有的合金制品都是重要的。 1铸锭（件）的宏观组织 金属和合金凝固后的晶粒较为粗大，通常是宏观可见的，见图 7.30图 7.30 钢锭的 3 个晶区示意图 1- 细晶区 2- 柱状晶区 3- 中心等轴晶区a. 表层细晶区 当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一 层熔液产生强烈过冷， 而且型壁可作为非均匀形核的基底， 因此，立刻形成大量 的晶核，这些晶核迅速长大至互相

8、接触， 形成由细小的、 方向杂乱的等轴晶粒组 成的细晶区。b. 柱状晶区 随着"细晶区"壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体 的冷却变慢 ,并且由于结晶时释放潜热 ,故细晶区前沿液体的过冷度减小， 形核变 得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。 在这种情况下， 只有一次轴（即 生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长， 而其他取向的晶粒， 由于受邻近晶粒的限制而不能发展， 因此，这些与散热相反 方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的 .C.中心等轴晶区 柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难， 冷

9、速变慢， 而且熔液中的温差随之减小， 这将阻止柱状晶的快速生长， 当整个熔 液温度降至熔点以下时， 熔液中出现许多品核并沿各个方向长大， 就形成中心等 轴晶区。2.铸锭（件）的缺陷a. 缩孔熔液浇入锭模后，与型壁接触的液体先凝固，中心部分的液体则后凝固。 由于多数金属在凝固时发生体积收缩 （只有少数金属如锑、 嫁、税等在凝固时体 积会膨胀），使铸锭（件）内形成收缩孔洞，或称缩孔。缩孔可分为集中缩孔和 分散缩孔两类，分散缩孔又称疏松铸件中的缩孔类型与金属凝固方式有密切关系。壳状凝固， 如图7.31 （a）所示。这种方式的凝固不但流动性好，而且熔 液也易补缩，缩孔集中在冒口 .糊状凝固,如图7.31 （C）所示。显然，这种凝 固方式熔液流动性差 . 实际合金的凝固方