共晶組織及其形成機理

1、共晶組織及其形成機理共晶組織 的基本特征是兩相交替排列，但兩相的形態(tài)卻是多 種多樣，如下圖所示：層狀片棒狀球狀針狀 螺旋狀典型的共晶組織形態(tài)為什么會有不同的組織形態(tài)？這是由于共晶組織中的各相 的熔化熵不同。從這一觀點出發(fā)，可以把共晶組織分為三類： 粗糙粗糙界面 （即金屬 - 金屬型）共晶； 粗糙平滑界面 （即金屬-非金屬型 ）共晶； 平滑平滑界面 （即非金屬 -非金屬型 ）共晶。金屬- 金屬型共晶組織的形成機制以層片狀共晶為例來說明，下邊左圖表明共晶凝固時固 - 液 界面的平衡相濃度；下邊右圖說明層片狀共晶成長時界面前沿的 橫向原子擴散。共晶凝固時的固 / 液 界面的平衡相濃度層狀共晶成長時界

2、面 前沿的橫向原子擴散共晶兩相同時存在共同成長稱為共晶凝固。共晶凝固所共同構成的共晶領域，稱為 共晶晶團 , 或晶區(qū)一個共晶領域中的每一單相并不是都需要單獨形核，各相間多半是通過“ 搭橋”連接起來的，即經過搭橋分枝形成，如下圖所示：共晶生長時的“搭橋”機構 在這類共晶組織中，究竟是呈層狀還是棒狀，主要取決于兩個因 素：共晶中兩相的相對量 （體積分數 ）及相間界面能。數學分析可知： 當晶體中的體積分數在 30%以下時，形成棒狀的總界面比形成層狀 小，故有利于形成棒狀共晶；當一相的體積分數在30%- 70%寸，有利于形成層片狀。金屬- 非金屬型共晶組織 由于非金屬相晶體結構上的特性，使其成長時具有

3、明顯的各相異 性，如 Al-Si 共晶時，由于 Si 相生長的各相異性，就出現了分枝長大， 呈不規(guī)則形態(tài)。如下圖所示：Al-Si 共晶成長形貌示意圖共晶系合金的非平衡凝固和組織偽共晶組織 非平衡凝固時，成分在共晶點附近的合金也可能獲得全部共晶 組織，這種由非共晶成分的合金所得的共晶組織稱為 偽共晶組織 。 偽共晶組織的形成可用下圖左圖來說明。由液相線所包圍的偽晶區(qū)可分為： 對稱型偽晶區(qū) 及不對稱型偽 區(qū) 兩種，如下圖右圖所示：偽共晶的形成偽共晶區(qū)的位置偽共晶區(qū)在相圖中的位置，對說明合金中出現的不平衡組織有一 定幫助。例如 Al-Si 系中，共晶成分的 Al-Si 合金在鑄造狀態(tài)下的組織為 a+

4、（ a+Si）共晶，而不是單純的共晶體。這種現象可以從下圖 左圖所示的 Al-Si 合金的偽共晶區(qū)發(fā)生偏移來說明。Al-Si合金的偽共晶區(qū)CU-Al合金曲警4）離異共晶組織在共晶轉變中，若晶體中與初晶相同的那個相會依附在初晶上 生長，而剩下的另一相則單獨存在于初晶晶粒的晶界處，從而使共晶組織特 征消失。這種兩相分離的共晶稱為 離異共晶 。上圖右圖為 Al-Cu（ wCu=0.04） 合金中出現的離異共晶。 Al- Cu 合相圖如下圖所示：AL- Cu 相圖富 Al 角（a）層片狀（b）棒狀（條狀或纖維狀）（c）球狀（d）針狀（e） 螺旋狀（1）金屬- 金屬型（粗糙 - 粗糙界面）。由金屬 -金

5、屬組成的共晶， 如 Pb-Cd， Cd-Zn， Zn-Sn, Ph-Sn等，以及許多由金屬-金屬間化合物組成的合金，如 AI-Ag2AI， Cd-S nCd等均屬于此類。（2）金屬- 非金屬型（粗糙 -光滑界面）。在金屬 - 非金屬型中，兩組成相為金屬- 非金屬或金屬 - 亞金屬，其中非金屬或金屬性較差的一相在凝固時，其液 - 固界 面為光滑界面，如Al-Ge, Ph Sb, Al-St , Fe C （石墨）等合金共晶屬于此類。 （3）非金屬 -非金屬（光滑 -光滑界面）。此類共晶組織形態(tài)研究甚少，而且不 屬于合金研究的范圍，故不加以討論。a 金屬-金屬型共晶這類共晶大多是層片狀或棒狀共晶。

6、b 金屬-非金屬型共晶這類共晶組織通常形態(tài)復雜，如針片狀、骨骼狀等 2層片生長的動力學在共晶生長中，由于動態(tài)過冷度很小和強烈的橫向擴散，使液 -固界面前沿 不能建立起有效的成分過冷，因此界面是平直狀。界面移動速度方程 :7.4.3 合金鑄錠（件）的組織與缺陷 工業(yè)上應用的零部件通常由兩種途徑獲得： 一種是由合金在一定幾何形狀與尺寸 的鑄模中直接凝固而成，這稱為鑄件；另一種是通過合金澆注成方或圓的鑄錠， 然后開坯， 再通過熱軋或熱鍛， 最終可能通過機加工和熱處理， 甚至焊接來獲得 部件的幾何尺寸和性能。顯然，前者比后者節(jié)約能源，節(jié)約時間，節(jié)約人力，從 而降低生產成本， 但前者的適用范圍有一定限制

7、。 對于鑄件來說， 鑄態(tài)的組織和 缺陷直接影響它的力學性能； 對于鑄錠來說， 鑄態(tài)組織和缺陷直接影響它的加工 性能，也有可能影響到最終制品的力學性能。 因此，合金鑄件 （或鑄錠）的質量， 不僅在鑄造生產中，而且對幾乎所有的合金制品都是重要的。 1鑄錠（件）的宏觀組織 金屬和合金凝固后的晶粒較為粗大，通常是宏觀可見的，見圖 7.30圖 7.30 鋼錠的 3 個晶區(qū)示意圖 1- 細晶區(qū) 2- 柱狀晶區(qū) 3- 中心等軸晶區(qū)a. 表層細晶區(qū) 當液態(tài)金屬注人錠模中后，型壁溫度低，與型壁接觸的很薄一 層熔液產生強烈過冷， 而且型壁可作為非均勻形核的基底， 因此，立刻形成大量 的晶核，這些晶核迅速長大至互相

8、接觸， 形成由細小的、 方向雜亂的等軸晶粒組 成的細晶區(qū)。b. 柱狀晶區(qū) 隨著"細晶區(qū)"殼形成，型壁被熔液加熱而不斷升溫，使剩余液體 的冷卻變慢 ,并且由于結晶時釋放潛熱 ,故細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小， 形核變 得困難，只有細晶區(qū)中現有的晶體向液體中生長。 在這種情況下， 只有一次軸（即 生長速度最快的晶向）垂直于型壁（散熱最快方向）的晶體才能得到優(yōu)先生長， 而其他取向的晶粒， 由于受鄰近晶粒的限制而不能發(fā)展， 因此，這些與散熱相反 方向的晶體擇優(yōu)生長而形成柱狀晶區(qū)。各柱狀晶的生長方向是相同的 .C.中心等軸晶區(qū) 柱狀晶生長到一定程度，由于前沿液體遠離型壁，散熱困難， 冷

9、速變慢， 而且熔液中的溫差隨之減小， 這將阻止柱狀晶的快速生長， 當整個熔 液溫度降至熔點以下時， 熔液中出現許多品核并沿各個方向長大， 就形成中心等 軸晶區(qū)。2.鑄錠（件）的缺陷a. 縮孔熔液澆入錠模后，與型壁接觸的液體先凝固，中心部分的液體則后凝固。 由于多數金屬在凝固時發(fā)生體積收縮 （只有少數金屬如銻、 嫁、稅等在凝固時體 積會膨脹），使鑄錠（件）內形成收縮孔洞，或稱縮孔。縮孔可分為集中縮孔和 分散縮孔兩類，分散縮孔又稱疏松鑄件中的縮孔類型與金屬凝固方式有密切關系。殼狀凝固， 如圖7.31 （a）所示。這種方式的凝固不但流動性好，而且熔 液也易補縮，縮孔集中在冒口 .糊狀凝固,如圖7.31 （C）所示。顯然，這種凝 固方式熔液流動性差 . 實際合金的凝固方