共晶組織及其形成機(jī)理

1、共晶組織及其形成機(jī)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(huì)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(diǎn)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(jī)制以層片狀共晶為例來(lái)說(shuō)明，下邊左圖表明共晶凝固時(shí)固 - 液 界面的平衡相濃度；下邊右圖說(shuō)明層片狀共晶成長(zhǎng)時(shí)界面前沿的 橫向原子擴(kuò)散。共晶凝固時(shí)的固 / 液 界面的平衡相濃度層狀共晶成長(zhǎng)時(shí)界

2、面 前沿的橫向原子擴(kuò)散共晶兩相同時(shí)存在共同成長(zhǎng)稱為共晶凝固。共晶凝固所共同構(gòu)成的共晶領(lǐng)域，稱為 共晶晶團(tuán) , 或晶區(qū)一個(gè)共晶領(lǐng)域中的每一單相并不是都需要單獨(dú)形核，各相間多半是通過(guò)“ 搭橋”連接起來(lái)的，即經(jīng)過(guò)搭橋分枝形成，如下圖所示：共晶生長(zhǎng)時(shí)的“搭橋”機(jī)構(gòu) 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(gè)因 素：共晶中兩相的相對(duì)量 （體積分?jǐn)?shù) ）及相間界面能。數(shù)學(xué)分析可知： 當(dāng)晶體中的體積分?jǐn)?shù)在 30%以下時(shí)，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(dāng)一相的體積分?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)上的特性，使其成長(zhǎng)時(shí)具有

3、明顯的各相異 性，如 Al-Si 共晶時(shí)，由于 Si 相生長(zhǎng)的各相異性，就出現(xiàn)了分枝長(zhǎng)大， 呈不規(guī)則形態(tài)。如下圖所示：Al-Si 共晶成長(zhǎng)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(shí)，成分在共晶點(diǎn)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(lái)說(shuō)明。由液相線所包圍的偽晶區(qū)可分為： 對(duì)稱型偽晶區(qū) 及不對(duì)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(duì)說(shuō)明合金中出現(xiàn)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(xiàn)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(lái)說(shuō)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(zhuǎn)變中，若晶體中與初晶相同的那個(gè)相會(huì)依附在初晶上 生長(zhǎng)，而剩下的另一相則單獨(dú)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(xiàn)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(shí)，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(fù)雜，如針片狀、骨骼狀等 2層片生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)在共晶生長(zhǎng)中，由于動(dòng)態(tài)過(guò)冷度很小和強(qiáng)烈的橫向擴(kuò)散，使液 -固界面前沿 不能建立起有效的成分過(guò)冷，因此界面是平直狀。界面移動(dòng)速度方程 :7.4.3 合金鑄錠（件）的組織與缺陷 工業(yè)上應(yīng)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(guò)合金澆注成方或圓的鑄錠， 然后開坯， 再通過(guò)熱軋或熱鍛， 最終可能通過(guò)機(jī)加工和熱處理， 甚至焊接來(lái)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(shí)間，節(jié)約人力，從 而降低生產(chǎn)成本， 但前者的適用范圍有一定限制

7、。 對(duì)于鑄件來(lái)說(shuō)， 鑄態(tài)的組織和 缺陷直接影響它的力學(xué)性能； 對(duì)于鑄錠來(lái)說(shuō)， 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(xué)性能。 因此，合金鑄件 （或鑄錠）的質(zhì)量， 不僅在鑄造生產(chǎn)中，而且對(duì)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(gè)晶區(qū)示意圖 1- 細(xì)晶區(qū) 2- 柱狀晶區(qū) 3- 中心等軸晶區(qū)a. 表層細(xì)晶區(qū) 當(dāng)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(chǎn)生強(qiáng)烈過(guò)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(zhǎng)大至互相

8、接觸， 形成由細(xì)小的、 方向雜亂的等軸晶粒組 成的細(xì)晶區(qū)。b. 柱狀晶區(qū) 隨著"細(xì)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(jié)晶時(shí)釋放潛熱 ,故細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小， 形核變 得困難，只有細(xì)晶區(qū)中現(xiàn)有的晶體向液體中生長(zhǎng)。 在這種情況下， 只有一次軸（即 生長(zhǎng)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(zhǎng)， 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(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。各柱狀晶的生長(zhǎng)方向是相同的 .C.中心等軸晶區(qū) 柱狀晶生長(zhǎng)到一定程度，由于前沿液體遠(yuǎn)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(zhǎng)， 當(dāng)整個(gè)熔 液溫度降至熔點(diǎn)以下時(shí)， 熔液中出現(xiàn)許多品核并沿各個(gè)方向長(zhǎng)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(shù)金屬在凝固時(shí)發(fā)生體積收縮 （只有少數(shù)金屬如銻、 嫁、稅等在凝固時(shí)體 積會(huì)膨脹），使鑄錠（件）內(nèi)形成收縮孔洞，或稱縮孔?？s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(guān)系。殼狀凝固， 如圖7.31 （a）所示。這種方式的凝固不但流動(dòng)性好，而且熔 液也易補(bǔ)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(dòng)性差 . 實(shí)際合金的凝固方