共晶組織及其形成機理

1、共晶組織及其形成機理共品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嫡不同。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）共品；粗糙平滑界面（即金屬-非金屬型）共品；平滑平滑界面（即非金屬-非金屬型）共品。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面前沿的橫向原子擴散共晶兩相同時存在共同成長稱

2、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，或晶區(qū)。一個共品領(lǐng)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(jīng)過搭橋分枝形成，如下圖所示：共品生長時的“搭橋”機構(gòu)在這類共晶組織中，究竟是呈層狀還是棒狀，主要取決于兩個因素：共晶中兩相的相對量（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犯下時，形成棒狀的總界面比形成層狀小，故有利于形成棒狀共品；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，使其成長時具有明顯的各相異性，如Al-Si共晶時，由于Si相生長的各相異性，就出現(xiàn)了分枝長

3、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品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品組織，這種由非共品成分的合金所得的共晶組織稱為偽共品組織。偽共品組織的形成可用下圖左圖來說明。由液相線所包圍的偽品區(qū)可分為：對稱型偽品區(qū)及不對稱型偽區(qū)兩種，如下圖右圖所示：偽共品的形成偽共品區(qū)的位置偽共品區(qū)在相圖中的位置，對說明合金中出現(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c+(o+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)生偏移來說明。Al-Si合金

4、的偽共品區(qū)Cu-Al合金(WSn=0.04)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O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)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Al-Ag2AI,Cd-SnCcH?均屬于此類。(2

5、)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,PhSb,Al-St,Fe-C（石墨）等合金共品屬于此類。（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-金屬型共晶這類共品大多是層片狀或棒狀共晶。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.層片生長的動力學(xué)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：

6、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(chǎn)成本，但前者的適用范圍有一定限制。對于鑄件來說，鑄態(tài)的組織和缺陷直接影響它的力學(xué)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(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，而且對幾乎所有的合金制品都是重要的。1 .鑄錠（件）的

7、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.表層細品區(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接觸，形成由細小的、方向雜亂的等軸晶粒組成的細品區(qū)。b.柱狀晶區(qū)隨著“細品區(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，只有細品區(qū)中現(xiàn)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

8、（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(dāng)整個熔液溫度降至熔點以下時，熔液中出現(xiàn)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(shù)金屬在凝固時發(fā)生體積收縮（只有少數(shù)金屬如睇、嫁、稅等在凝固時體積會膨脹），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