第六章多相合金的凝固

1、1 一、一、 共晶共晶组织的分类组织的分类 二、二、 非平衡状态下的共晶共生区非平衡状态下的共晶共生区 三、三、 共晶组织的形成机理共晶组织的形成机理2一、共晶组织的分类一、共晶组织的分类（一）（一） 规则共晶与非规则共晶规则共晶与非规则共晶规则共晶：规则共晶： 金属金属金属金属，如，如: Pb-Sn ，Ag-Cu层片状共晶层片状共晶 金属金属金属间化合物金属间化合物，如，如: Al-Al3Ni棒状共晶棒状共晶.规则共晶长大时，两相彼此紧密相连，相互依赖生长，两相规则共晶长大时，两相彼此紧密相连，相互依赖生长，两相前方的液体区域中存在溶质的运动。这种长大方式称之为前方的液体区域中存在溶质的运动

2、。这种长大方式称之为:“共生生长共生生长”。这种属于非小平面（。这种属于非小平面（nonfacet-nonfacet）共晶）共晶34图图4-23 Pb-Sn层片状共晶层片状共晶图图4-23 Pb-Sn层片状共晶层片状共晶5 非规则共晶非规则共晶: 金属金属非金属：非金属： 如如: Fe-C , Al-Si 共晶共晶 非金属非金属非金属：非金属：如如: 琥珀睛琥珀睛-茨醇共晶茨醇共晶非金属非金属-非金属共晶体，长大过程不再是偶合的。非金属共晶体，长大过程不再是偶合的。所得到的组织为两相的不规则混合物，也属于所得到的组织为两相的不规则混合物，也属于“不不规规则共晶则共晶”。6非小平面非小平面-小平

3、面（小平面（nonfacet-facet）共晶）共晶78 图4-26 两相非偶合生长形成不规则共晶 规则共晶体 a) 琥珀睛-茨醇共晶 , b) 偶氮苯-苯偶酰共晶, c) 四溴化碳-六氯乙烷 91011n非平衡凝固过程，由于共晶生长动力学因素的影响，共晶组织有非平衡凝固过程，由于共晶生长动力学因素的影响，共晶组织有以下三种情况：以下三种情况：1) 共晶成分的合金共晶成分的合金，在，在冷速较快冷速较快时，时， 不一定能得到不一定能得到100的共晶组的共晶组 织，而是得到织，而是得到亚共晶或过共晶亚共晶或过共晶2）有些）有些非共晶成分的合金非共晶成分的合金在在冷速较快冷速较快时可以在时可以在TE

4、以下温度得到以下温度得到100的共晶的共晶组织，该区域称之为组织，该区域称之为共生区共生区, 图中阴影区图中阴影区,即两条液相线即两条液相线的延长线以下的延长线以下,对两相同时过冷对两相同时过冷,而结晶出偶合生长的共晶组织而结晶出偶合生长的共晶组织,称称为为伪共晶伪共晶,此区也称为此区也称为 ；伪共晶区伪共晶区.3)有些有些非共晶成分的合金非共晶成分的合金，在，在一定冷速一定冷速下，既不出现下，既不出现100的共晶组的共晶组织，也不出现初晶织，也不出现初晶+共晶的情况，而是出现共晶的情况，而是出现“离异共晶离异共晶”。12n两个组元熔点相近、两个组元熔点相近、两条液相线基本对称、两条液相线基本

5、对称、两相长大速度基本相两相长大速度基本相同的非小晶面同的非小晶面-非小非小晶面合金，容易形成晶面合金，容易形成对称型共生区。对称型共生区。 13n 当两个组元熔点相差较当两个组元熔点相差较大，两条液相线不对称时，大，两条液相线不对称时，共晶点往往偏向于低熔点共晶点往往偏向于低熔点组元一侧，而共生区则由组元一侧，而共生区则由共晶点向高熔点组元一侧共晶点向高熔点组元一侧倾斜。倾斜。原因：由于浓度起伏和扩散的原因：由于浓度起伏和扩散的原因，共晶成分附近的低熔点原因，共晶成分附近的低熔点相在非平衡结晶条件下较高熔相在非平衡结晶条件下较高熔点相更易于析出，其生长速度点相更易于析出，其生长速度也更快。因

6、此结晶时往往容易也更快。因此结晶时往往容易出现低熔点组元一侧的初生相。出现低熔点组元一侧的初生相。为了满足共生生长所需的基本为了满足共生生长所需的基本条件，就需要合金液在含有更条件，就需要合金液在含有更多高熔点组元成分的条件下进多高熔点组元成分的条件下进行共晶转变。行共晶转变。14 把平衡相图概念和不平衡共晶结晶动力学过程把平衡相图概念和不平衡共晶结晶动力学过程联系了起来；联系了起来； 可以满意地解释非平衡结晶现象：如非共晶成分的合金可可以满意地解释非平衡结晶现象：如非共晶成分的合金可以结晶成以结晶成100的共晶组织，而共晶成分的合金结晶时反而的共晶组织，而共晶成分的合金结晶时反而得不到得不到

7、100共晶组织；共晶组织； 有助于对共生生长和离异生长这两种不同共晶方有助于对共生生长和离异生长这两种不同共晶方式作进一步分析和探讨。式作进一步分析和探讨。 共生区的概念与平衡图并不矛盾，在无限缓慢的共生区的概念与平衡图并不矛盾，在无限缓慢的冷却条件下，共生区退缩到共晶点冷却条件下，共生区退缩到共晶点E，合金液即按平，合金液即按平衡相图所示的规律进行结晶。衡相图所示的规律进行结晶。15w2/vKvGDT小平面8 . 01/vKvGDT非小8 .02vKT非非5.041.0156vGT小非1617( (三三) )共晶组织的形成机理共晶组织的形成机理18层片状共晶组织是最常见的一类非小晶面一非小晶

8、面共生共晶组织。现以球状共晶团为例，讨论层片状共晶组织的形成过程。(1)层片状共晶生核过程及层片状共晶生核过程及“搭桥搭桥”方式方式(2)共生过程的协同生长共生过程的协同生长(3)片层距的调整片层距的调整(4)胞状、树枝状共晶的形成胞状、树枝状共晶的形成19领先相富A组元的固溶体小球析出 界面前沿B组元原子的不断富集 相固溶体在相球面上的析出 向前方及侧面的熔体中排出A组元原子 相依附于相的侧面长出分枝 相沿着相的球面与侧面迅速铺展 交替进行 形成具有两相沿着径向并排生长的球形共生形成具有两相沿着径向并排生长的球形共生界面双相核心界面双相核心20“搭桥搭桥”方式方式：领先相表面一旦出现第二相，

9、则可通：领先相表面一旦出现第二相，则可通过这种彼此依附、交替生长的方式产生新的层片来构过这种彼此依附、交替生长的方式产生新的层片来构成所需的共生界面，而不需要每个层片重新生核。成所需的共生界面，而不需要每个层片重新生核。21共生协同生长共生协同生长：两相各向其界面前沿排出另一组元的原子，由：两相各向其界面前沿排出另一组元的原子，由于于相前沿富相前沿富B，而，而相前沿富相前沿富A，扩散速度正比于溶质的浓度，扩散速度正比于溶质的浓度梯度，因此横向扩散速度比纵向大的多。共晶两相通过横向梯度，因此横向扩散速度比纵向大的多。共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需扩散不断排走

10、界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元，彼此合作，齐头并进地快速向前生长。的组元，彼此合作，齐头并进地快速向前生长。22ARBT推导得出在长大速度一定的条件下，界面推导得出在长大速度一定的条件下，界面温度与片层间距的关系：温度与片层间距的关系：从图中可以看出，在长大速度一定的情况从图中可以看出，在长大速度一定的情况下，除下，除m点外，同样的过冷度会有两个层片点外，同样的过冷度会有两个层片间距，这在实际上是不可能的，因为一个间距，这在实际上是不可能的，因为一个长大速度只与之对应的只有一个层片间距。长大速度只与之对应的只有一个层片间距。片间距过小时，由于相间面积增加，使界片间距过小时，由于

11、相间面积增加，使界面能增大，片间距过大时，在层片中央前面能增大，片间距过大时，在层片中央前沿的液体由于扩散距离较远，富集了大量沿的液体由于扩散距离较远，富集了大量的溶质原子，从而迫使这里的固一液界面的溶质原子，从而迫使这里的固一液界面曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐渐向曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐渐向界面的反向延伸，直到在这里产生另一相界面的反向延伸，直到在这里产生另一相为止。这样，也就自动调整了层片间距。为止。这样，也就自动调整了层片间距。总之，一个长大速度，只有一个最小过冷总之，一个长大速度，只有一个最小过冷度与之对应。图中的度与之对应。图中的m点，即为某一长大速点，即为某一长大速度所

12、需要的最小过冷度以及与之对应的一度所需要的最小过冷度以及与之对应的一定大小的层片间距。定大小的层片间距。对上式进行微分便可得到片层间距与长大对上式进行微分便可得到片层间距与长大速度之间的关系：速度之间的关系：21Rk2324胞状、树枝状共晶的形成胞状、树枝状共晶的形成（第三组元的影响）当当第三组元浓度较大第三组元浓度较大，或在，或在更大更大的凝固速度的凝固速度下，成分过冷进一步下，成分过冷进一步扩大，扩大，胞状共晶胞状共晶将发展为将发展为树枝状树枝状共晶共晶组织，甚至还会导致共晶合组织，甚至还会导致共晶合金金自外生生长到内生生长的转自外生生长到内生生长的转变变。25棒状共晶：该组织中一个组成相

13、以棒状或纤维状形态沿着生长棒状共晶：该组织中一个组成相以棒状或纤维状形态沿着生长方向规则地分布在另一相的连续基体中。方向规则地分布在另一相的连续基体中。形成棒状共晶的一般条件：形成棒状共晶的一般条件： 如果一相的体积分数小于如果一相的体积分数小于1时，该相将以棒状结构出现；时，该相将以棒状结构出现； 如果体积分数在如果体积分数在 1/ 之间时，两相均以片状结构出现。之间时，两相均以片状结构出现。 26第三组元的影响n如果第三组元在两相中的平衡分配系数相差较大，如果第三组元在两相中的平衡分配系数相差较大，则可能出现第三组元仅引起一个组成相产生成分则可能出现第三组元仅引起一个组成相产生成分过冷。产

14、生成分过冷相的层片在生长过程中将会过冷。产生成分过冷相的层片在生长过程中将会越过另一相层片的界面而伸入液相中，通过搭桥越过另一相层片的界面而伸入液相中，通过搭桥作用，落后的一相将被生长快的一相割成筛网状，作用，落后的一相将被生长快的一相割成筛网状，并最终发展成棒状组织。并最终发展成棒状组织。27n在共晶转变中也存在着合金液不能进入共生区的情况：在共晶转变中也存在着合金液不能进入共生区的情况：共晶两相没有共同的生长界面共晶两相没有共同的生长界面，它们各自以不同的速，它们各自以不同的速度独立生长，即度独立生长，即两相的析出在时间上和空间上都是彼两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的此分离的，因而

15、形成的组织没有共生共晶的特征。这，因而形成的组织没有共生共晶的特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶。的组织称离异共晶。n离异共晶分离异共晶分“晶间偏析型晶间偏析型”和和“晕圈型晕圈型”两种类型。两种类型。28“晶间偏析型晶间偏析型”离异共晶离异共晶n当一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，将形成晶间偏析型离当一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，将形成晶间偏析型离异共晶。异共晶。由另一相的生核困难所引起：合金偏离共晶成分，初晶相长得较大，由另一相的生核困难所引起：合金偏离共晶成分，初晶相长得较大，如另一相不能以初生

16、相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大使该相如另一相不能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大使该相析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。29n两相性质差别较大的非小晶面两相性质差别较大的非小晶面小晶面共晶合金中能更经小晶面共晶合金中能更经常地见到这种晕圈组织。由于两相在生核能力和生长速度常地见到这种晕圈组织。由于两相在生核能力和生长速度上的差别，第二相环绕着领先相表面生长而形成一种镶边上的差别，第二相环绕着领先相表面生长而形成一种镶边外围层的情况，此外围层称为外围层的情况，此外围层称为“晕圈晕圈”。30n 如果领先相的如果领先相的固固液界面是各液界面是各向异性向异性的，第二相只能将其慢的，第二相只能将