單相合金與多相合金的凝固

單相合金與多相合金的凝固第1頁/共92頁2按照液態(tài)金屬凝固過程中晶體形成的特點，合金分為：單相合金——指在凝固過程中只析出一個固相的合金，如固溶體、金屬間化合物；多相合金——指在凝固過程中同時析出兩個以上新相的合金，如具有共晶、包晶或偏晶轉(zhuǎn)變的合金。

牛牛文庫文檔分享第2頁/共92頁3凝固過程中溶質(zhì)傳輸?shù)闹饕碚摶A是質(zhì)量傳輸?shù)膬蓚€擴散定律：菲克第一定律：對于一個A、B物質(zhì)的二元系或多元系，溶質(zhì)A在擴散場中某處的擴散通量與溶質(zhì)在該處的濃度梯度成正比；菲克第二定律：對于不穩(wěn)擴散，在一維擴散的情況下，擴散場任一點的濃度隨時間的變化率與該點的濃度梯度隨空間的變化率成正比。

牛牛文庫文檔分享第3頁/共92頁4第一節(jié)單相合金的凝固第二節(jié)共金合金的凝固第三節(jié)偏晶合金與包晶合金的凝固第四節(jié)對流對凝固組織的影響及半固態(tài)金屬的凝固第五節(jié)金屬基復合材料的凝固主要內(nèi)容

牛牛文庫文檔分享第4頁/共92頁5第一節(jié)單相合金的凝固一固-液界面前言的溶質(zhì)再分配現(xiàn)象二平衡凝固時的溶質(zhì)再分配三近平衡凝固時的溶質(zhì)再分配四成分過冷五“成分過冷”對單相合金凝固過程的影響

牛牛文庫文檔分享第5頁/共92頁6一、固-液界面前沿的溶質(zhì)再分配現(xiàn)象1溶質(zhì)再分配現(xiàn)象的產(chǎn)生除純金屬外，單相合金的凝固過程一般是在一個固液兩相共存的溫度區(qū)間完成的。在區(qū)間內(nèi)的任一點，共存兩相都具有不同的成分，因此結(jié)晶過程必然導致界面處固液兩相成分的分離；同時，由于界面處兩相成分隨溫度降低而變化，故晶體生長與傳質(zhì)過程必然相伴而生。這樣，從形核開始到凝固結(jié)束，在整個結(jié)晶過程中固液兩相內(nèi)部將不斷進行著溶質(zhì)元素的重新分布過程，稱為合金結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配。

牛牛文庫文檔分享第6頁/共92頁7平衡凝固——在一定的壓力下，凝固體系的溫度、成分完全由相應合金系的平衡相圖所規(guī)定的理想狀態(tài)下的凝固過程。近平衡凝固——對于大多數(shù)實際的材料加工而言，所涉及的合金凝固過程一般不符合平衡凝固的條件，合金凝固過程中的固液兩相成分并不符合平衡相圖的規(guī)定，但是在固液界面處合成分符合平衡相圖，這種情況稱為界面凝固，相應的凝固過程稱為近平衡凝固，也稱正常凝固過程。非平衡過程——極端條件下的凝固過程。一些凝固過程（如某些快速冷卻）完全背離平衡過程，即使在固液界面處也不符合平衡相圖的規(guī)定，產(chǎn)生所謂的“溶質(zhì)捕獲”現(xiàn)象，這類凝固過程稱為非平衡凝固過程。

牛牛文庫文檔分享第7頁/共92頁82溶質(zhì)平衡分配系數(shù)在給定的溫度下，平衡固相溶質(zhì)濃度CS與液相溶質(zhì)濃度CL的比值描述了在固液兩相共存條件下溶質(zhì)原子在界面兩側(cè)的平衡分配特征

牛牛文庫文檔分享第8頁/共92頁9合金的熔點隨溶質(zhì)濃度增加而降低，CS<CL，k<1；合金的熔點隨溶質(zhì)濃度增加而降低，CS>CL，k>1.

牛牛文庫文檔分享第9頁/共92頁10二、平衡凝固條件下的溶質(zhì)再分配平衡凝固是指液、固相溶質(zhì)成分完全達到平衡狀態(tài)圖對應溫度的平衡成分，即固、液相中成分均能及時充分擴散均勻。開始（

T=TL）時：

CS=kC0CL=C0凝固過程(T=T*)中，固-液界面上成分為：固、液相質(zhì)量分數(shù)fs、fL與固液相成分間關(guān)系式：凝固終了時，固相成分均勻地為:CS=C0，CL=C0/k可見：平衡凝固時溶質(zhì)的再分配僅取決于熱力學參數(shù)k，而與動力學無關(guān)，即此時此刻的動力學條件是充分的。凝固進行雖然存在溶質(zhì)的再分配，但最終凝固結(jié)束時，固相的成分為液體合金原始成分C0。

牛牛文庫文檔分享第10頁/共92頁11三、近平衡凝固時的溶質(zhì)再分配該情況下溶質(zhì)在固相中沒有擴散，而在液相中充分混合均勻。起始凝固時與平衡凝固時相同：CS=kC0，CL=C0凝固過程中固－液界面上的成分為（夏爾Scheil公式）：因接著凝固時由于固相中無擴散，成分沿斜線由kC0逐漸上升。1固相無擴散、液相均勻混合的溶質(zhì)再分配

牛牛文庫文檔分享第11頁/共92頁12隨著固相分數(shù)（fS）增加，凝固界面上固、液相中的溶質(zhì)含量均增加，因此已經(jīng)凝固固相的平均成分比平衡的要低。當溫度達到平衡的固相線時，勢必仍保留一定的液相（杠桿原理），甚至達到共晶溫度TE時仍有液相存在。這些保留下來的液相在共晶溫度下將在凝固末端形成部分共晶組織。

牛牛文庫文檔分享第12頁/共92頁132固相無擴撒、液相無對流只有有限擴散時的溶質(zhì)再分配凝固過程分為三個階段：

起始瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)階段終止瞬態(tài)

牛牛文庫文檔分享第13頁/共92頁14可見：達到穩(wěn)態(tài)時需要的距離x取決于R/DL和k，當k<1時，適應于起始態(tài)，其長度的特征距離為DL/Rk，在此距離處形成的固相成分上升到最大值[1-1/e]倍，即穩(wěn)態(tài)時的67%。而當

時，進入穩(wěn)態(tài)凝固階段。

牛牛文庫文檔分享第14頁/共92頁15X’特征距離凝固穩(wěn)定狀態(tài)階段富集層溶質(zhì)分布規(guī)律（指數(shù)衰減曲線）：當時，｛CL(x’)－C0｝降到:稱為溶質(zhì)富集層的“特性距離”。

牛牛文庫文檔分享第15頁/共92頁16凝固最后，當液相溶質(zhì)富集層厚度大約等于剩余液相區(qū)的長度時，溶質(zhì)擴散受到單元體末端邊界的阻礙，溶質(zhì)無法擴散。此時固液界面處C*S和C*L同時升高，進入凝固終止瞬態(tài)。數(shù)學模型如下：實際上，總是希望擴大穩(wěn)態(tài)而縮小二個過渡區(qū)，以獲得無偏析的材質(zhì)或成形產(chǎn)品，而討論分析凝固過程溶質(zhì)再分配的規(guī)律的意義也就在這里。

牛牛文庫文檔分享第16頁/共92頁173固相無擴散、液相有對流時的溶質(zhì)再分配

在部分混合情況下，固-液界面處的液相中存在一擴散邊界層，在邊界層內(nèi)只靠擴散傳質(zhì)（靜止無對流），在邊界層以外的液相因有對流作用成分得以保持均一。液相充分大時邊界層寬度δ內(nèi)任意一點x?液相成分：當液相不是充分大時：液相部分混合達穩(wěn)態(tài)時C*s及C*L值：

牛牛文庫文檔分享第17頁/共92頁18令為有效分配系數(shù)，kE與平衡分配系數(shù)k0的關(guān)系：kE=k0：發(fā)生在＜＜1時，即慢生長速度和最大的攪動對流，δ很小時，這相當于前面討論的液相完全混合的情況。kE=1：發(fā)生在＞＞1時，即快生長速度凝固、或沒有任何對流，δ很大的情況，這相當于液相只有擴散時的情況。k0＜kE＜1：相當于液相部分混合(有對流)的情況，工程中常在該范圍。四種單向凝固條件下的溶質(zhì)分布情況示意圖。

牛牛文庫文檔分享第18頁/共92頁19

單向凝固時鑄棒內(nèi)溶質(zhì)的分布

總結(jié)：

牛牛文庫文檔分享第19頁/共92頁20曲線的形狀受凝固速度R、溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)DL、分配常數(shù)k影響，R越大，DL越小，k越小，則在固-液界面前沿溶質(zhì)富集越嚴重，曲線越陡峭。另外，最初過渡區(qū)的長度取決于k、R、DL的值，k越大、R越大或DL越小，則最初過渡區(qū)越短；最后過渡區(qū)長度比最初過渡區(qū)的要小得多，與溶質(zhì)富集層的“特性距離”的數(shù)量級相同。

牛牛文庫文檔分享第20頁/共92頁214絕對的非平衡凝固如快速凝固、激光重熔、合金霧化冷卻凝固

牛牛文庫文檔分享第21頁/共92頁221、“成分過冷”條件和判據(jù)2、“成分過冷”的過冷度四、成分過冷

牛牛文庫文檔分享第22頁/共92頁231、“成分過冷”條件和判據(jù)“成分過冷”的形成條件分析

（k＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→

液相線溫度TL(x’)隨x’增大上升→

當GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即:

出現(xiàn)“成分過冷”。

牛牛文庫文檔分享第23頁/共92頁24液相中只有有限擴散時形成“成分過冷”的判據(jù)液相部分混合時形成“成分過冷”的判據(jù)

牛牛文庫文檔分享第24頁/共92頁25由判據(jù)可見，下列條件有助于形成“成分過冷”：液相中溫度梯度?。℅L小）；晶體生長速度快，R大；mL大，即陡的液相線斜率；原始成分濃度高，C0大；液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)DL低；k＜1時，k?。籯＞1時，k

大工藝因素材料因素

牛牛文庫文檔分享第25頁/共92頁262、“成分過冷”的過冷度

以液相只有擴散的情況為例：“成分過冷”區(qū)的最大過冷度：“成分過冷”所引起的固液共存區(qū)域?qū)挾龋撼煞诌^冷度表示為：

牛牛文庫文檔分享第26頁/共92頁27“成分過冷”對單相合金凝固過程的影響1、熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響2、“成分過冷”對合金固溶體晶體形貌的影響規(guī)律3、成分過冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌4、較寬成分過冷作用下的枝晶生長5、自由樹枝晶的生長6、枝晶間距

牛牛文庫文檔分享第27頁/共92頁281、熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響純金屬液相在正溫度梯度的區(qū)域內(nèi)晶體生長的凝固界面通常為平直形態(tài)，其溫度低于平衡熔點溫度Tm，過冷度ΔTk提供凝固所必須的動力學驅(qū)動力，稱為“動力學過冷”

。

牛牛文庫文檔分享第28頁/共92頁29當界面液相一側(cè)形成負溫度梯度時純金屬界面前方獲得大于ΔTk的過冷度。這種僅由熔體存在的負溫度梯度所造成的過冷，習慣上稱為“熱過冷”（僅與傳熱過程有關(guān)）。純金屬在負溫度梯度下可發(fā)展為樹枝晶。

牛牛文庫文檔分享第29頁/共92頁302、“成分過冷”對合金固溶體晶體形貌的影響規(guī)律隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長方式：

→平面晶→胞狀晶

→胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹枝晶)

牛牛文庫文檔分享第30頁/共92頁31合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)a)不同的成分過冷情況

b)無成分過冷平面晶c)窄成分過冷區(qū)間

胞狀晶d)成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶

e)寬成分過冷內(nèi)部等軸晶

牛牛文庫文檔分享第31頁/共92頁323、成分過冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌胞狀界面的成分過冷區(qū)的寬度約在0.0l一0.1cm之間，隨著成分過冷的增大，發(fā)生：

溝槽不規(guī)則的胞狀界面狹長的胞狀界面規(guī)則胞狀態(tài)胞狀晶的生長方向垂直于固-液界面（與熱流相反與晶體學取向無關(guān)）。胞狀晶可認為是一種亞結(jié)構(gòu)。

牛牛文庫文檔分享第32頁/共92頁334、較寬成分過冷作用下的枝晶生長隨界面前成分過冷區(qū)逐漸加寬→胞晶凸起伸向熔體更遠處→胞狀晶擇優(yōu)方向生長→胞狀晶的橫斷面出現(xiàn)凸緣→短小的鋸齒狀“二次枝晶”（胞狀樹枝晶）在成分過冷區(qū)足夠大時，二次枝晶上長出“三次枝晶”。

牛牛文庫文檔分享第33頁/共92頁345、自由樹枝晶的生長（1）自由樹枝晶形成條件（2）為什么成為樹枝晶的形態(tài)（3）“外生生長”與“內(nèi)生生長”的概念

牛牛文庫文檔分享第34頁/共92頁35（1）自由樹枝晶形成條件界面前成分過冷的極大值大于熔體中非均質(zhì)形核所需的過冷度時，在柱狀枝晶生長的同時，前方熔體內(nèi)發(fā)生非均質(zhì)形核過程，并在過冷熔體中的自由生長，形成了方向各異的等軸晶（自由樹枝晶）。等軸枝晶的存在阻止了柱狀晶區(qū)的單向延伸，此后的結(jié)晶過程便是等軸晶區(qū)不斷向液體內(nèi)部推進的過程。

牛牛文庫文檔分享第35頁/共92頁36（2）為什么成為樹枝晶的形態(tài)晶體的表面總是由界面能較小的晶面組成，寬而平的面是界面能小的晶面，而棱與角的狹面為界面能大的晶面。界面能大的晶面（垂直）生長速度較快，長成等軸樹枝晶。方向性較強的非金屬晶體，其平衡態(tài)的晶體形貌具有清晰的多面體結(jié)構(gòu)；方向性較弱的金屬晶體，其平衡態(tài)近乎球形。但在近平衡態(tài)下，多面體的棱角前沿液相中的溶質(zhì)濃度梯度大，其擴散速度也大，而大平面的反之，這樣棱角處晶體長大速度大，平面處小，近于球形的多面體逐漸長成星形，從星形再生出分枝而成樹枝狀。

牛牛文庫文檔分享第36頁/共92頁37不等軸自由樹枝晶（兩維）生長過程的數(shù)值模擬。純鎳等軸樹枝晶長大過程的數(shù)值模擬

牛牛文庫文檔分享第37頁/共92頁38（3）“外生生長”與“內(nèi)生生長”的概念晶體自型壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生長方式，稱為“外生生長”。平面生長、胞狀生長和柱狀枝晶生長皆屬于外生生長。等軸枝晶在熔體內(nèi)部自由生長的方式則稱為“內(nèi)生生長”。

牛牛文庫文檔分享第38頁/共92頁396、枝晶間距枝晶間距：指相鄰同次枝晶間的垂直距離。是樹枝晶組織細化程度的表征。實際中，枝晶間距采用金相法測得統(tǒng)計平均值，通常采用的有一次枝晶（柱狀晶主干）間距d1、二次分枝間距

d2

、和三次分枝間距

d3。

牛牛文庫文檔分享第39頁/共92頁40材料性能好熱裂紋傾向小且分散顯微縮松、夾雜物細小成分趨于均勻化細晶強化效果顯著枝晶間距小

牛牛文庫文檔分享第40頁/共92頁41枝晶間距的預測一次間距d1的表達式：二次枝晶間距d2的表達式：岡本平HuntJ.D△TS—非平衡凝固的溫度區(qū)間，A—與合金性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)

牛牛文庫文檔分享第41頁/共92頁42R與GL的乘積相當于冷卻速度（oC/sec）。冷卻速度大，二次枝晶間距d2越小。微量變質(zhì)元素（如稀土）影響合金CL、k、σsl，也可使二次枝晶間距d2減小。冷卻速度降低

牛牛文庫文檔分享第42頁/共92頁43第二節(jié)共晶合金的凝固

大部分合金存在著兩個或兩個以上的相，多相合金的凝固比單相固溶體的凝固情況復雜。本節(jié)討論最為普遍的共晶合金凝固方式及組織。一、共晶組織的分類及特點二、共晶組織的形成機理

牛牛文庫文檔分享第43頁/共92頁44一、共晶組織的分類及特點（一）規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶（二）非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)（三）離異生長及離異共晶

牛牛文庫文檔分享第44頁/共92頁45（一）規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶規(guī)則共晶：金屬—金屬，如:Pb-Sn，Ag-Cu層片狀共晶

金屬—金屬間化合物，如:Al-Al3Ni棒狀共晶

非規(guī)則共晶金屬—非金屬，如:Fe-C,Al-Si

共晶非金屬—非金屬，如:琥珀睛-茨醇共晶

粗糙－粗糙界面粗糙—光滑界面光滑—光滑界面

牛牛文庫文檔分享第45頁/共92頁46粗糙-粗糙界面（非小晶面-非小晶面）共晶金屬-金屬共晶及金屬-金屬間化合物共晶多為第Ⅰ類共晶，其典型的顯微形態(tài)是有規(guī)則的層片狀，或其中有一相為棒狀，因此稱為“規(guī)則共晶”。規(guī)則共晶長大時，兩相彼此緊密相連，相互依賴生長，兩相前方的液體區(qū)域中存在溶質(zhì)的運動。這種長大方式稱之為“共生生長”。

牛牛文庫文檔分享第46頁/共92頁47Al-Al3Ni棒狀共晶（上——縱截面，下——橫截面）Pb-Sn層片狀共晶

牛牛文庫文檔分享第47頁/共92頁48粗糙-光滑界面（非小晶面-小晶面）共晶金屬-非金屬共晶屬于第Ⅱ類共晶體，長大過程往往仍是相互偶合的“共生”長大，但由于小晶面相（非金屬相）晶體長大具有強烈的方向性，且對凝固條件（如雜質(zhì)元素或變質(zhì)元素）十分敏感，容易發(fā)生彎曲和分枝，所得到的組織較為無規(guī)則，屬于“不規(guī)則共晶”。

牛牛文庫文檔分享第48頁/共92頁49Al-Si共晶合金組織長大過程的數(shù)值模擬

牛牛文庫文檔分享第49頁/共92頁50光滑-光滑界面（小晶面-小晶面）共晶非金屬-非金屬屬于第Ⅲ類共晶體，長大過程不再是偶合的。所得到的組織為兩相的不規(guī)則混合物，也屬于“不規(guī)則共晶”。兩相非偶合生長形成不規(guī)則共晶規(guī)則共晶體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

牛牛文庫文檔分享第50頁/共92頁51根據(jù)平衡相圖，共晶反應只發(fā)生在一個固定的成分，任何偏離這一成分的合金凝固后都不能獲得100％的共晶組織。如Pb-Sn合金在平衡凝固時，只有Pb-61.9Sn的共晶合金才能獲得100％共晶組織。（二）非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)非平衡凝固過程，由于共晶生長動力學因素的影響，共晶組織有以下三種情況：

1)共晶成分的合金，在冷速較快時，不一定能得到100％的共晶組織，而是得到亞共晶或過共晶；2）有些非共晶成分的合金在冷速較快時可以在TE以下溫度得到100％的共晶組織，該區(qū)域稱之為共生區(qū)（圖中陰影區(qū)）

；3）有些非共晶成分的合金，在一定冷速下，既不出現(xiàn)100％的共晶組織，也不出現(xiàn)初晶+共晶的情況，而是出現(xiàn)“離異共晶”。

牛牛文庫文檔分享第51頁/共92頁521、“對稱型共生區(qū)”

2、“非對稱型共生區(qū)”3、共生區(qū)的概念的意義

牛牛文庫文檔分享第52頁/共92頁531、“對稱型共生區(qū)”兩個組元熔點相近、兩條液相線基本對稱、兩相長大速度基本相同的非小晶面-非小晶面合金，容易形成對稱型共生區(qū)。

牛牛文庫文檔分享第53頁/共92頁542、“非對稱型共生區(qū)”當兩個組元熔點相差較大，兩條液相線不對稱時，共晶點往往偏向于低熔點組元一側(cè)，而共生區(qū)則由共晶點向高熔點組元一側(cè)傾斜。原因：由于濃度起伏和擴散，共晶成分附近的低熔點相在非平衡結(jié)晶條件下較高熔點相更易于析出，其生長速度也更快。因此結(jié)晶時往往容易出現(xiàn)低熔點組元一側(cè)的初生相。為了滿足共生生長所需的基本條件，就需要合金液在含有更多高熔點組元成分的條件下進行共晶轉(zhuǎn)變。

牛牛文庫文檔分享第54頁/共92頁553、共生區(qū)的概念的意義把平衡相圖概念和不平衡共晶結(jié)晶動力學過程聯(lián)系了起來；可以滿意地解釋非平衡結(jié)晶現(xiàn)象：如非共晶成分的合金可以結(jié)晶成100％的共晶組織，而共晶成分的合金結(jié)晶時反而得不到100％共晶組織；有助于對共生生長和離異生長這兩種不同共晶方式作進一步分析和探討。共生區(qū)的概念與平衡圖并不矛盾，在無限緩慢的冷卻條件下，共生區(qū)退縮到共晶點E，合金液即按平衡相圖所示的規(guī)律進行結(jié)晶。

牛牛文庫文檔分享第55頁/共92頁56（三）離異生長及離異共晶1、離異生長與離異共晶的概念

2、晶間偏析型離異共晶的形成3、“暈圈”離異共晶形成

牛牛文庫文檔分享第56頁/共92頁571、離異生長與離異共晶的概念在共晶轉(zhuǎn)變中也存在著合金液不能進入共生區(qū)的情況：共晶兩相沒有共同的生長界面，它們各自以不同的速度獨立生長，即兩相的析出在時間上和空間上都是彼此分離的，因而形成的組織沒有共生共晶的特征。這種非共生生長的共晶結(jié)晶方式稱為離異生長，所形成的組織稱離異共晶。離異共晶分“晶間偏析型”和“暈圈型”兩種類型。

牛牛文庫文檔分享第57頁/共92頁582、“晶間偏析型”離異共晶由系統(tǒng)本身的原因所引起：如果合金成分偏離共晶點很遠，初晶相長得很大，共晶成分的殘留液體很少，類似于薄膜分布于枝晶之間。當共晶轉(zhuǎn)變時，一相就在初晶相的枝晶上繼續(xù)長出，面把另一相單獨留在枝晶間。當一相大量析出，而另一相尚未開始結(jié)晶時，將形成晶間偏析型離異共晶。由另一相的生核困難所引起：合金偏離共晶成分，初晶相長得較大，如另一相不能以初生相為襯底而生核，或因液體過冷傾向大使該相析出受阻時，初生相就繼續(xù)長大而把另一相留在枝晶間。

牛牛文庫文檔分享第58頁/共92頁593、“暈圈型”離異共晶形成兩相性質(zhì)差別較大的非小晶面—小晶面共晶合金中能更經(jīng)常地見到這種暈圈組織。由于兩相在生核能力和生長速度上的差別，第二相環(huán)繞著領先相表面生長而形成一種鑲邊外圍層的情況，此外圍層稱為“暈圈”。

牛牛文庫文檔分享第59頁/共92頁60封閉型圈暈如果領先相的固-液界面全部是慢生長面，會被快速生長的第二相暈圈所封閉，則兩相與熔體之間就沒有共同的生長界面，而只有形成暈圈的第二相與熔體相接觸，所以原先的領先相只能依靠原子通過暈圈的擴散進行，最后形成領先相呈球團狀結(jié)構(gòu)的離異共晶組織。球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變是其典例。

牛牛文庫文檔分享第60頁/共92頁61如果領先相的固—液界面是各向異性的，第二相只能將其慢生長面包圍住，而其快生長面仍能突破暈圈的包圍并與熔體相接觸，則暈圈是不完整的。這時兩相仍能組成共同的生長界面而以共生方式進行偶合結(jié)晶?；诣T鐵中的片狀石墨與奧氏體的共生生長則屬此類。

牛牛文庫文檔分享第61頁/共92頁62二、共晶組織的形成機理（一）非小平面—非小平面共生共晶的形成（二）非小平面—小平面共晶合金的結(jié)晶

牛牛文庫文檔分享第62頁/共92頁63（一）非小晶面—非小晶面共生共晶的形成

層片狀共晶組織的形核及長大

棒狀共晶生長

牛牛文庫文檔分享第63頁/共92頁64層片狀共晶組織的形核及長大

層片狀共晶組織是最常見的一類非小晶面一非小晶面共生共晶組織。現(xiàn)以球狀共晶團為例，討論層片狀共晶組織的形成過程。1、層片狀共晶生核過程及“搭橋”方式2、共生過程的協(xié)同生長3、片層距的調(diào)整4、胞狀、樹枝狀共晶的形成

牛牛文庫文檔分享第64頁/共92頁651、共晶團的形成β相固溶體在α相球面上的析出領先相富A組元的α固溶體小球析出界面前沿B組元原子的不斷富集向前方及側(cè)面的熔體中排出A組元原子α相依附于β相的側(cè)面長出分枝β相沿著α相的球面與側(cè)面迅速鋪展交替進行……形成具有兩相沿著徑向并排生長的球形共生界面雙相核心

牛牛文庫文檔分享第65頁/共92頁66“搭橋”方式：領先相表面一旦出現(xiàn)第二相，則可通過這種彼此依附、交替生長的方式產(chǎn)生新的層片來構(gòu)成所需的共生界面，而不需要每個層片重新生核。層片狀共晶的兩種形核、長大方式示意圖。

牛牛文庫文檔分享第66頁/共92頁67搭橋式生核方式彼此依附、交替生長的方式

牛牛文庫文檔分享第67頁/共92頁682、共生過程的協(xié)同生長非小晶面向前生長不取決于晶體的性質(zhì)，只取決于熱流方向及原子擴散。共生協(xié)同生長：兩相各向其界面前沿排出另一組元的原子，a相生長排出的組元B為β相生長創(chuàng)造了條件，而β相生長排出的A組元為a相的生長創(chuàng)造了條件。由于α相前沿富B，而β相前沿富A，擴散速度正比于溶質(zhì)的濃度梯度，因此橫向擴散速度比縱向大的多。共晶兩相通過橫向擴散不斷排走界面前沿積累的溶質(zhì)，且又互相提供生長所需的組元，彼此合作，齊頭并進地快速向前生長。

牛牛文庫文檔分享第68頁/共92頁693、片間距的調(diào)整→此處B原子聚集而濃度升高→

α相在此處推進的速度變慢→形成凹坑→

B原子擴散越發(fā)困難→新的β相片層則在此處形成，凝固速度越快，相應的片間距就會越小。α相片層中心處B原子擴散比α-β交界要困難得多

牛牛文庫文檔分享第69頁/共92頁704、胞狀、樹枝狀共晶的形成（第三組元的影響）A、B兩相每相排出第三組元的原子無法橫向擴散，只能向液體內(nèi)部擴散形成富集層（達到幾百個層片厚度數(shù)量級）在適當?shù)墓に嚄l件下(如GL較小、R較大時)，界面前方液體產(chǎn)生成分過冷導致界面形態(tài)的改變，形成胞狀界面

當?shù)谌M元濃度較大，或在更大的凝固速度下，成分過冷進一步擴大，胞狀共晶將發(fā)展為樹枝狀共晶組織，甚至還會導致共晶合金自外生生長到內(nèi)生生長的轉(zhuǎn)變。

牛牛文庫文檔分享第70頁/共92頁71棒狀共晶生長形成棒狀共晶的一般條件：如果一相的體積分數(shù)小于1／π時，該相將以棒狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；如果體積分數(shù)在1/π~?之間時，兩相均以片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。棒狀共晶：該組織中一個組成相以棒狀或纖維狀形態(tài)沿著生長方向規(guī)則地分布在另一相的連續(xù)基體中。

牛牛文庫文檔分享第71頁/共92頁72第三組元的影響如果第三組元在兩相中的平衡分配系數(shù)相差較大，則可能出現(xiàn)第三組元僅引起一個組成相產(chǎn)生成分過冷。產(chǎn)生成分過冷相的層片在生長過程中將會越過另一相層片的界面而伸入液相中，通過搭橋作用，落后的一相將被生長快的一相割成篩網(wǎng)狀，并最終發(fā)展成棒狀組織。

牛牛文庫文檔分享第72頁/共92頁73（二）非小平面—小平面共晶合金的結(jié)晶由于小平面本身存在著多種不同的生長機制，故這類共晶合金比非小平面-非小平面共晶合金具有更為復雜的組織形態(tài)變化，且對生長條件的變化也表現(xiàn)出高度的敏感。即使是同一種合金，在不同的條件下則能形成多種形態(tài)各異、性能懸殊的共生共晶甚至離異共晶組織。這類共晶合金最具有代表性的是Fe-C和A1-Si兩種合金。

牛牛文庫文檔分享第73頁/共92頁74領先相石墨以旋轉(zhuǎn)孿晶生長機制垂直于棱柱面以[10T0]方向呈片狀生長，而奧氏體則以非封閉暈圈形式包圍著石墨片（0001）基面跟隨著石墨片一起長大。伸入液相的石墨片前端通過旋轉(zhuǎn)孿晶的作用不斷改變生長方向而發(fā)生彎曲，并不斷分枝出新的石墨片。奧氏體則依靠石墨片[10T0]方向生長過程中在其周圍形成的富Fe液層而迅速生長，并不斷將石墨片的側(cè)面包圍起來。在高純度Fe-C合金共晶凝固中，領先相石墨的外露面為（0001）基面，往往按螺旋位錯生長機制垂直于基面按[000l]方向生長，從而形成球狀石墨+奧氏體暈圈的離異共晶組織。在一般工業(yè)Fe-C合金中，由于氧、硫等第三組元雜質(zhì)的影響，共晶石墨則以旋轉(zhuǎn)孿晶生長機制沿[10T0]方向生長，從而形成片狀石墨結(jié)構(gòu)的共生共晶組織。如果在工業(yè)鐵液中加入微量的鎂或鈰等球化元素，也可得到球狀石墨的離異共晶組織?；诣T鐵共晶共生生長

牛牛文庫文檔分享第74頁/共92頁75Al–Si合金共生生長當領先相Si以反射孿晶生長機理在界面前沿不斷分枝生長時，形成的共生共晶組織是在α-A1的連續(xù)基體中分布著紊亂排列的板片狀Si的兩相混合體。

牛牛文庫文檔分享第75頁/共92頁76a）變質(zhì)前,b)0.1%Sr變質(zhì)后,c)0.1%Sr變質(zhì)后Al-Si共晶合金Sr變質(zhì)前后的共晶Si形態(tài)在Al-Si共晶合金液中加入Na、Sr等微量變質(zhì)元素，共晶生長中不斷封鎖共晶Si原有反射孿晶臺階而又不斷產(chǎn)生新的反射孿晶，使共晶Si不斷分枝，粗片狀共晶Si大大細化，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀共晶Si的組織。

牛牛文庫文檔分享第76頁/共92頁77第三節(jié)偏晶合金與包晶合金的凝固一、偏晶合金的凝固偏晶合金大體積的凝固偏晶合金的單向凝固二、包晶合金的凝固平衡凝固非平衡凝固

牛牛文庫文檔分享第77頁/共92頁78第四節(jié)對流對凝固組織的影響及半固態(tài)金屬的凝固一、對流對凝固組織的影響：（以低熔點類透明有機物為例）當平行于凝固界面的流速較小時：將發(fā)生枝晶間距增大，一次枝晶的成長方向偏向來流方向幾度，來流方向的二次枝晶發(fā)達，而背流側(cè)的二次枝晶幾乎不成長；當流速增大到一定值時：原來的主軸晶停止生長，在背流處形成新的主軸晶，并與原來的主軸晶競相生長，獲得一種特殊的凝固組織——穗狀晶；當流速與凝固界面垂直時：產(chǎn)生嚴重的宏觀偏析。強烈的紊流可能沖刷新形成的枝晶臂，而造成晶粒繁殖，利于晶粒細化。

牛牛文庫文檔分享第78頁/共92頁79二、金屬的半固態(tài)非枝晶組織與凝固機理經(jīng)過激烈攪拌后的與未經(jīng)攪拌的半固態(tài)漿料的凝固組織

見圖4-31、4-32半固態(tài)初生晶粒轉(zhuǎn)變機制的假說正常熟化引起的枝晶根部熔斷論假說枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤熔斷論假說冷卻速度與對流速度耦合作用模型

牛牛文庫文檔分享第79頁/共92頁80正常熟化引起的枝晶根部熔斷論假說攪拌條件下的球狀初生晶粒演化機制示意圖（圖4-33）。當增加剪切速率和固相含量及降低冷卻速率時，可以加快其演化進程?？梢?，初生晶粒的大小主要與凝固時的冷卻速率有關(guān)。冷卻速率越高，初生固相晶粒越小，但當剪切速率大于某一值時，初生固相晶粒也隨剪切速率的增加而增加。

牛牛文庫文檔分享第80頁/共92頁81枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤熔斷論假說枝晶在接近熔點溫度附近雖然脆弱，但剪切不會使初生枝晶的二次枝晶臂立即折斷，會使二次枝晶臂發(fā)生塑性彎曲，彎曲使枝晶臂產(chǎn)生附加位錯群。這些位錯將會因為該枝晶臂彎曲部位的回復和再結(jié)晶的發(fā)生而轉(zhuǎn)變成晶界，則晶界處有具有θ角大小的取向錯誤，若θ角>20o，該晶界的晶界能比固液界面能大兩倍以上，則大角度晶界最終會被液體薄膜完全浸潤，最后枝晶臂就會由于晶界引發(fā)的浸潤而從枝晶主干上脫落下來。如圖4-34

牛牛文庫文檔分享第81頁/共92頁82冷卻速度與對流速度耦合作用模型認為在固液兩相區(qū)，枝晶難以機械斷裂，枝晶碎斷不是非枝晶組織形成的主要原因，由于電磁攪拌在熔體中產(chǎn)生的強烈混合和對流改變了傳熱和傳質(zhì)過程，使得晶粒在各個方向上的生長條件都相同，于是晶粒發(fā)生了類似于等軸晶生長的過程，攪拌沖刷作用使晶粒呈球狀。

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