共晶組織的形貌特征與形成機理

1、共晶組織的形貌特征與形成機理作者:日期:共晶組織的形貌特征及形成機理探討黃繼龍M05031413 2（上海工程技術大學材料工程學院.上海201 6 2 0 ）摘要：共晶合金是一種被廣泛使用的鑄造合金，共晶組織的微觀形貌對合金的拉伸性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴展行為等力學性能有著重要影響。本文介紹了共晶組織的幾種常見微觀形貌；以及元素含量、冷卻速度等因素對共晶組織微觀形貌形成機理的影響，綜述了國內外在此方面的研究進展，預測了今后的發(fā)展趨勢。關鍵詞：共晶組織；形貌特征；形成機理The morphol ogy of eutectic organizatio n ch aracterist i c sa

2、n d format i on mecha n i s m is dis cusse dHu a n g J i-Long(College o f Ma t erials Eng i nee r i n g,Shan g hai Univer s i ty of Engi n eering Scie n ce , S hanghai 20 1 620,Ch i na)Abstrac t: eut e ctic al 1 oy is a ki n do f wide1 y usedca s tingalloy, th e m i cro s tru ctu reof eutec tico rga

3、niz a tion ont het ens ile pr op erti e sof thea lloy, the m e chan i calproperties s uch as fr a c t ure toughness a nd fatig u e c rack g r ow t h b ehav i or has importan t i nflue n ce.This paper i ntrod u c e s th e eut e c tic organ i zat i on of s eve r a l c om m on m i crost r u c t u re;An

4、d e lemen t co nte n tandcooling rate o neute c t ic formation mechanism, the influ ence ofthe micros tr u c t ur e morphol ogy in th i saspec tboth athome a nd abroad,th epapersummarize d th e r e sea r ch progr e s s, for eca s t s the d eve 1 o pme nt t r e nd in the fu t ure.?Key wo r ds: e u te

5、c t i c o rganizatio n ;A p pearance ch a rac t e ri s t i cs; T he formatio n mec h anism一固相以及固相一固相轉變過程中。過去人們?yōu)榱烁倪€是固一固相變，都是極為復雜的非平衡過程隨著研究的深入，人們逐步認識到金屬（或合金）的相變過引言材料的性能取決于它的微觀組織。對于絕大多數金屬（合金）材料，微觀組織的變化主要包含在液相金屬（或合金）的質量，往往側重于研究工藝過程等外 部因素對微觀組織影響。事實上 ，無論是液一固相變,程為界面前沿的濃度起伏、結構起伏、能量起伏及界 面微觀結構等因素所控制。圖1為p b-Sn

6、二元共晶相圖，圖中AEB為液相線， AMEI1為固相線，MF為Sn在pb溶解度曲線，也叫固 溶度曲線，N G為Pb在Sn中的溶解度曲線。相圖中 有三個單相區(qū)：即液相 L、固溶體口和固溶體3相。a相是S n溶于p b中的固溶體,3相是p b溶于S n 中的固溶體。各個單相區(qū)之間有三個兩相區(qū)，即L+a、 L+3 和 a + 3。在L +a、 L+3 與 a + 3 兩相 區(qū)之間的水平線MEN表示a+3 +L三相共存區(qū)。圖1 pb-Sn二元共晶相圖在三相共存水平線所對應的溫度下，成分相當于E點的液相（Le ）同時結晶出與M點相對應的m和N點所對應的兩個相，形成兩個固溶體的混合物。這種轉變的反應式是：

7、le m N。根據相律可知，在發(fā)生三相平衡轉變時，自由度等于零（F=2 3+1 = 0）,所以這一轉變必然在恒溫下進行,而且三個相的成分應為恒定值，在相圖上的特征是三個單相區(qū)與水平線只有一個接觸點，其中液相單相區(qū) 在中間，位于水平線之上，兩端是兩個固相單相區(qū)。這種在一定的溫度下，有一定成分的液相同時結晶出 成分一定的兩個固相的轉變過程，稱為共晶轉變或共 晶反應。共晶轉變的產物為兩個固相的混合物，稱為共晶組織。相圖中的M EN水平線稱為共晶線,E點稱 為共晶點，E點對應的溫度稱為共晶溫度，成分對應 于共晶點的合金稱為共晶合金，成分位于共晶點以左、M點以右的合金稱為亞共晶合金，成分位于共晶 點以右

8、、N點以左的合金稱為過共晶合金1。1.共晶組織形貌共晶組織的形態(tài)很多，按其中兩相的分布形態(tài) ， 可將它們分為層片狀、 棒狀（條狀或纖維狀）、球狀（短 棒狀）、針片狀、螺旋狀等。共晶組織的形態(tài)受到多 種因素的影響。近年來有人提出，共晶組織中兩個組 成相的本質是其形態(tài)的決定性因素。在研究純金屬結 晶時已知，晶體的生長形態(tài)與固液界面的結構有關。金屬的界面為粗糙界面，半金屬和非金屬為光滑界面。因此，金屬-金屬型的兩相共晶組織大多為層片 狀或棒狀，金屬-非金屬型的兩相共晶組織通常具有 復雜的形態(tài)，表現(xiàn)為樹枝狀、針片狀或骨骼狀等2o盧錦堂以研究了冷卻速度對用于熱浸鍍辦的Zn 024Ni合金共晶組織的影響。

9、結果表明，在爐冷、空冷和鐵模水冷 3種不同冷卻條件下，合金分別生成 粗大的、細小的棒狀共晶和離異共晶組織。并對合金 形成片狀、棒狀共晶和離異共晶的條件進行了討論。假定兩種不同形態(tài)的共晶體如圖2所示，邊長均為a,層片狀共晶體中（見圖2 a） , 3相片層間距與棒狀共 晶體（見圖2 b） 3相圓棒的中心距均為，圓棒半徑為r。棒狀共晶體中，3圓棒的總數應為（a/ ）2,圓棒表面總表面積為 2 rL （a / ）2。層片狀共晶體片3層總數為(a/ ) , 3片層表面總面積為 2aL(a/ )。當 兩種不同形貌的共晶體中，a 3界面面積相等 時，2 rL(a/ )2=2aL(a/ )，即 r=( / )

10、，所以通 過等式可以知道此時棒狀共晶3相所占體積分數為 222(a/ )( / ) L/(a L) 1/ 。因此，當 3相所占體積分數小于(1/ ),棒狀表面積較層片狀小，此時 共晶為棒狀，反之共晶體應為層片狀。圖2片狀共晶及棒狀共晶組織示意圖就共晶成分的z n 0 .24Ni合金而言，在共晶溫 度下，液相發(fā)生共晶反應：L，形成(相+純鋅 相)的共晶組織。由于爐冷接近平衡態(tài)，根據Zn-Ni二元相圖，相中Ni的摩爾分數約為10%,密 度為7 0 6 0kg/m 3;相成分基本與純z n相同，密度為652 2 kg/m3,可求得共晶相體積分數僅約為O. 02,遠小于(1/ )。所以，Zn0.2 4

11、N i合金 共晶組織中的共晶相以棒狀形態(tài)存在。2 .影響共晶凝固組織的因素現(xiàn)以層片狀共晶組織來說明其形成過程，和純金屬及固溶體合金的結晶過程一樣，共晶轉變同樣要經 過形核和長大的過程，在形核時的兩個相中總有一個 在先，一個在后，首先形核的相叫領先相。如果領先 相是a ,由于a相中的含錫量比液相中的少，多余的 錫從晶體中排出，使頁面附近的液相中錫含量富集。這就給3相的形核在成分上創(chuàng)造了條件，而3相的形核又要排出多余的鉛，使界面前沿的液相中鉛含量富 集，這又給“相的形核在成分上創(chuàng)造了條件，于是兩 相就交替的形核和長大，構成了共晶組織(圖3 )。進一步的研究表明，共晶組織中的兩個相都不是孤立的，a片

12、與a片、3片與3片分別互相聯(lián)系 ，共同構 成一個共晶領域，或稱為共晶團。這樣，兩個相就不需 要反復形核，很可能是以“搭橋”的方式形成的。圖3層片狀交替形核生長2.1 元素含量對共晶組織的影響馬濤4研究不同C u含量的AlCu合金共晶組 織的析出方式及形貌特征，為共晶合金凝固研究提供 了參考。采用A l 2 5%Cu和A l-40%Cu合金為研究 對象。通過不同鑄型條件下合金的鑄態(tài)顯微組織，來探討初生aA 1及初生金屬間化合物相伊AL2Cu。以及共晶Al/ AL2Cu的凝固行為。利用光學顯微鏡、 掃描電鏡等儀器研究了 AlCu合金中aA1及伊Al z Cu相的生長行為，成分對共晶組織形貌的影響。

13、結果發(fā)現(xiàn)，在過共晶組織中，初生肌AL2Cu相形貌大部分有明顯的拐角，呈現(xiàn)小平面生長特性5。在aAl 與伊AL2Cu相共晶耦合生長時，伊AL2Cu擇優(yōu)生長特 征削弱，與aA1耦合生長呈現(xiàn)非小平面一非小平面 生長6。在亞共晶組織中.出現(xiàn)了伊AL?Cu包裹著初生a Al相的暈圈組織。唐玲7利用。的口 SEM觀 察不同銅含量M g Cu合金的鑄態(tài)共晶組織形貌，探討不同共晶組織的形成機理及CuMg 2相的小平面特性。結果表明，M g -C u亞共晶合金中共晶組織的數量 隨銅含量的逐漸增加， 初生相數量減少，且在Mg-15% Cu合金中出現(xiàn)了暈圈組織。在Mg - Cu合金系中有CuMg 2和Cu2Mg兩種

14、金屬問化合物相 ,CuMg 2以 有棱有角的小平面生長， 而Cu2Mg以非小平面生長。夏鵬舉8利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等設備研究了不同A 1含量的 Mg- A 1合金的鑄態(tài)共晶組織形貌，分析了不同共晶組織的形成 機理及影響因素。結果表明，共晶生長時其領先相為3相；隨著Al含量的加，Mg -Al合金的共晶組織由離 異共晶向粒狀、纖維狀和層片狀共晶轉變。圖 4為不 同A 1含量Mg-Al合金試樣的XRD譜2 ,各成分鎂合 金的組織主要由 A和B兩相組成。根據兩相的最強衍 射峰相對強度，采用K值法1 ,對各成分Mg-A l合 金中的B相含量的計算結果見表1。固溶區(qū)的M g -Al

15、合金隨著A1含量白增加，共晶組織增多，其形貌由完 全離異狀向粒狀（部分離異）轉變。亞共晶 Mg-A 1合 金隨著A1含量白增加，初生A- Mg相減少，共晶組 織增多，共晶組織形貌從粒狀向纖維狀和層片狀轉 變。共晶組 Al含量直接影響到凝固后期剩余共晶成 分的液相率，是影響 Mg- Al合金共晶形貌的主要因 素。圖4 Mg-A 1合金鑄態(tài)組織的X射線衍射圖1試整合金申評的廢土分盥%林加 Mg-6Al Al Mg-15A1 M娓也 1 M缶32M3.96血 14口 現(xiàn) H 6S.S5S5,5S2. 2冷卻速度對共晶組織的影響吳瓊11研究了在不同冷卻速度情況下Mg-Al合金的鑄態(tài)共晶組織形貌，實驗表

16、明隨著冷卻速度的加 快,共晶組織細化，初生a相發(fā)達。初生a枝晶顯著影 響固溶區(qū)Mg-Al合金的共晶組織形貌。 圖5分別Mg - 2 7Al和Mg-32 Al合金在砂型和金屬型中鑄造試樣的 顯微組織，可以看出，隨著冷卻速度的加快，初生a-Mg相枝晶發(fā)達，共晶組織細化。冷卻速度對共晶組織 形貌的影響有以下幾個方面：改變了初生樹枝晶的形態(tài)；冷卻速度影響凝固的枝晶前沿液相的溶質濃 度分布梯度，進一步影響共晶組織的形核、長大； 快速冷卻將增加B相形核時的過冷度，影響共晶3相(a ) Mg-27Al,砂型(b)Mg 2 7 Al ,金屬型的形核(c)Mg-32Al,砂型(d ) Mg-32Al ,金屬型圖

17、5 Mg-27A 1和M g-32Al合金的顯微組織高雪剛利用單輻甩帶方法1 制備A l-12.6Si 多元合金快速凝固條帶，采用掃描電鏡、透射電鏡和 DSC技術”I研究了電解低鈦共晶鋁硅合金快速凝 固組織形態(tài)、相結構特征，探討合金快速凝固組織形 成機理。結果表明：快速凝固不僅使合金組織細化， 形成微納米晶，并能使組織和相結構發(fā)生變化，形成 了大量的 a-A 1等軸晶和少量的羽毛針列狀共晶體 組織。蔡惠民15采用液淬方法1 6探討了共晶成分鋁硅 合金在冷卻過程中共晶組織的形成和轉變規(guī)律。研究 表明：在共晶溫度以上 (包括共晶溫度的激冷試件 中，呈現(xiàn)亞共晶組織，存在著初生a和共晶硅的粗化過 程；

18、共晶a首先依附在初生a四周形成。然后兩相共 同伸向共晶液體；同時，在初生a內部也有硅相析出： 從凝固結束到室溫的緩慢冷卻的過程中，高于固溶度 的硅繼續(xù)析出，硅片繼續(xù)粗化，使初生a與共晶a的差別消失。最后形成粗大硅片均勻分布在固溶體基體 上的共晶組織。劉春霞采用液態(tài)金屬冷卻的定向凝 固技術，獲得了在不同凝固速度下的高銘鑄鐵 (Fe-3 . 3 5 C-2 7 . 5Cr),并研究了凝固速度對高銘 鑄鐵共晶組織的影響規(guī)律。結果表明，當溫度梯度為150y cm,凝固速度為110m/s時，固液界面均可維持平直狀，可獲得M 7c3型碳化物呈定向排列的高銘鑄鐵，碳化物與基體結合牢固，具有原位生長復合材料的

19、效果.蒲健 口 8采用玻璃熔覆法1使Ni-P 共晶合金實現(xiàn)了深過冷。隨著過冷度的增加，其凝固組織發(fā)生了一系列的變化：晶粒逐漸細化，凝固組織從規(guī)則棒狀共晶向異常粒狀共晶組織轉化，最后得到 顯微結構細小的胞狀共晶團組織。利用單相枝晶狀共 晶的熔斷模型，解釋了過冷熔體形成異常粒狀共晶團 的形成原因。熔體在深過冷條件下形成的胞狀共晶組 織則可以固-液界面穩(wěn)定性理論來描述。王俊峰2 0采用添加稀土元素Er變質處理制備了 A35 6合金，通過控制 Er的添加量和不同的冷卻 速率以改變共晶硅相的形貌。采用金相觀察、掃描電 鏡、透射電鏡及能譜分析等測試分析手段研究了餌對 A35 6合金中硅相的變質作用。研究發(fā)

20、現(xiàn)：在A3 56合金中添加 0.5% E r元素能夠使共晶硅相形貌從板塊 狀變成細小纖維狀，共晶硅相生長方式的改變不僅與 Er元素的添加有關，也與合金凝固過程中的冷卻速率有關。在較低的冷卻速率20 C/s下，大部分Er元素形成溶質富集顆粒富集在固液界面前21。但是在較高的冷卻速率250 C /s時，當餌元素的添加量為0. 5%寸，部分E r會吸附在硅相的生長前沿并改變 其生長界面結構，可以獲得細小纖維狀的共晶硅相。共晶硅相形貌的變化可以歸因于不同生長面的生長 速率的不同，硅相周圍熔體溫度場和成分場的差異 22 o的重要研究課題.對于二元共晶生長已經建立了比較共晶合金的凝固過程涉及兩個或多個固相

21、在同 一個液相中的競爭形核與協(xié)同生長，是材料物理領域成熟的理論模型23,而三元共晶合金的凝固過程非常 復雜.雖然這方面研究取得了一些進展2 3 -現(xiàn)仍然有待于進行深入的理論研究.近年來，對三元共晶凝固的研究主要集中在平衡或近平衡條件下J a ck s onHunt模型s擴展、凝固組織演變以及合金性能等方 面.H i memiya等人2將J a ckson-Hunt模型擴展到 三元共晶合金三相平界面耦合生長中，并提出了組織 選擇機制。Sou z a與合作者28研究了定向凝固條件 下A1 C r Nb共晶合金的初生相生長機制和共晶 組織演變。Wit u siewicz等人29-3”對三元共晶合金

22、的相平衡與層片共晶生長機制進行了研究.王偉麗32：研究了 Pb- s b sn三元系中不同相 區(qū)的合金在深過冷條件下凝固組織形成規(guī)律。實驗發(fā) 現(xiàn)，初生（P b ）和SbSn相均以枝晶方式生長，而初生 （sb）相主要呈現(xiàn)為多邊形塊狀和板條狀小面相。（Pb）和SbS n相之間的親和力較強，易于形成二相共 晶，組織形態(tài)豐富多彩。（Pb）和（s b ）相則是以離異 共晶方式生長。（S b ）和SbSn相不易單獨形成二相共 晶，但在三元共晶組織中可以相互依附生長。 （Pb）+（Sb ） + Sb Sn三元共晶組織通常呈層片狀生長 當其體積分數較小時會形成不規(guī)則共晶組織。EDS分析表明，在深過冷快速凝固條

23、件下，三種初生相的溶 質固溶度均得以擴展，表現(xiàn)出顯著的溶質截留效應。除元素含量、冷卻速度外，初生枝晶對共晶組 織的形貌也有很大的影響。黃龍輝3 研究了初生枝晶對Mg-Al合金共晶凝固組織的影響，實驗表明初 生a -Mg相枝晶的形貌決定了共晶組織能夠生長區(qū)域 的大小，并且對共晶組織生長提供幾何學的約束，它還影響著3晶核的數量。對于低 Al含量的Mg -Al合 金,在共晶轉變時由于被分隔的每一液相區(qū)域很小，而偏析程度很高，為單獨形成8相提供了成分條件，因此形成離異共晶組織。而對于A1含量較高的 Mg-A 1合金，當溫度達到共晶溫度時還存在著大量液相 a -Mg相枝晶仍繼續(xù)生長；液相中的濃度超過共晶

24、成 分，達到某一過冷度時，開始出現(xiàn)3相的形核質點，在a - Mg相枝晶上形成一層8相暈圈；這時液相中溶質 的濃度降低到共晶成分 ，在3相暈圈上共生生長形成 規(guī)則的共晶組織。共晶形貌受初生枝晶的影響，尤其 是固溶區(qū)的Mg- Al合金，發(fā)達的初生a Mg相枝晶把 最后進行共晶轉變的液相區(qū)分隔成微小的孤立區(qū)域，阻止了網狀、大塊狀的離異共晶8相的形成。因此對 于商用M g-Al合金來 說，若加入適當的變質劑促使 初生8 -Mg相枝晶分枝、細化，就可以改善Mg-Al合 金的顯微組織。此外，由于Mg-Al合金在共晶轉變時 3相為共生生長的領先相，如果能找到一種合適的變 質劑使8相球化，則將大大提高M g-

25、Al合金的力學 性能。3.總結共晶合金是一種重要的鑄造合金，其具有密度 小、比強度高，同時兼有良好的鑄造性能、耐蝕性、 可焊性等優(yōu)點，廣泛應用于航空、汽車、儀表及機械 等工業(yè)。過去的幾十年里，人們對共晶合金做了大量 的研究與開發(fā)，無論在基礎理論上，還是生產應用中 都取得了較大的成就。但由于研究方法、實驗條件以 及探索思路的不同，仍有許多問題值得進一步的探索 和研究，以揭示其內在基本規(guī)律，這無疑對改善該類 合金的性能，挖掘其內在潛能具有重要的意義。隨著 航空、汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對鑄件可靠性要求越來越高，對合金的綜合性能和特種性能的要求也不斷提diagram of t he M n Bi sys

26、tem 1 l e & r MnBi . J高。因此，在保持優(yōu)良的鑄造性能的同時 ，進一步提高合金的強韌性，是共晶合金的發(fā)展方向。參考文獻1崔忠圻金屬學與熱處理機械工業(yè)出版社2 0 0 7年第二版2楊順華晶體位錯理論(第一卷)科學出版社19 8 8第一 版3 盧錦堂，孔綱.冷卻速度對Zn -0.2 4 Ni合金共晶組織的 影響.華南理工大學報.200 3 (3): 1 2-1 54馬濤，唐玲.Al-Cu合金共晶凝固組織形貌及其影響因 素.鑄造技術.2 0 05,23( 5 ): 55 0 -554.5 J i an z Y, Nag a shio K, K uribayashi K.Dir e

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