共晶組織的形貌特征與形成機(jī)理

上海工程技術(shù)大學(xué)③快速冷卻將增加B相形核時(shí)的過(guò)冷度,影響共晶β相的形核（a）Mg-27Al,砂型(b)Mg-27Al,金屬型(c)Mg-32Al,砂型(d)Mg-32Al,金屬型圖5Mg-27Al和Mg-32Al合金的顯微組織高雪剛[12]利用單輥甩帶方法[13]制備Al-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(shù)[14]，研究了電解低鈦共晶鋁硅合金快速凝固組織形態(tài)、相結(jié)構(gòu)特征，探討合金快速凝固組織形成機(jī)理。結(jié)果表明：快速凝固不僅使合金組織細(xì)化，形成微納米晶，并能使組織和相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成了大量的α-Al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[16]探討了共晶成分鋁硅合金在冷卻過(guò)程中共晶組織的形成和轉(zhuǎn)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(guò)程；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(shí)，在初生a內(nèi)部也有硅相析出:從凝固結(jié)束到室溫的緩慢冷卻的過(guò)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[17]采用液態(tài)金屬冷卻的定向凝固技術(shù)，獲得了在不同凝固速度下的高鉻鑄鐵(Fe-3.35C-27.5Cr)，并研究了凝固速度對(duì)高鉻鑄鐵共晶組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)溫度梯度為150K／cm，凝固速度為1～10m／s時(shí)，固液界面均可維持平直狀，可獲得型碳化物呈定向排列的高鉻鑄鐵，碳化物與基體結(jié)合牢固，具有原位生長(zhǎng)復(fù)合材料的效果．蒲健[18]采用玻璃熔覆法[19]使Ni-P共晶合金實(shí)現(xiàn)了深過(guò)冷。隨著過(guò)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(xì)化，凝固組織從規(guī)則棒狀共晶向異常粒狀共晶組織轉(zhuǎn)化，最后得到顯微結(jié)構(gòu)細(xì)小的胞狀共晶團(tuán)組織。利用單相枝晶狀共晶的熔斷模型，解釋了過(guò)冷熔體形成異常粒狀共晶團(tuán)的形成原因。熔體在深過(guò)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(lái)描述。王俊峰[20]采用添加稀土元素Er變質(zhì)處理制備了A356合金，通過(guò)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(cè)試分析手段研究了鉺對(duì)A356合金中硅相的變質(zhì)作用。研究發(fā)現(xiàn)：在A356合金中添加0.5％Er元素能夠使共晶硅相形貌從板塊狀變成細(xì)小纖維狀，共晶硅相生長(zhǎng)方式的改變不僅與Er元素的添加有關(guān)，也與合金凝固過(guò)程中的冷卻速率有關(guān)。在較低的冷卻速率C/s下，大部分Er元素形成溶質(zhì)富集顆粒富集在固液界面前[21]。但是在較高的冷卻速率250℃/s時(shí)，當(dāng)鉺元素的添加量為0．5％時(shí)，部分Er會(huì)吸附在硅相的生長(zhǎng)前沿并改變其生長(zhǎng)界面結(jié)構(gòu)，可以獲得細(xì)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(zhǎng)面的生長(zhǎng)速率的不同，硅相周圍熔體溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)的差異[22]。共晶合金的凝固過(guò)程涉及兩個(gè)或多個(gè)固相在同一個(gè)液相中的競(jìng)爭(zhēng)形核與協(xié)同生長(zhǎng)，是材料物理領(lǐng)域的重要研究課題．對(duì)于二元共晶生長(zhǎng)已經(jīng)建立了比較成熟的理論模型[23]，而三元共晶合金的凝固過(guò)程非常復(fù)雜．雖然這方面研究取得了一些進(jìn)展[23-25]仍然有待于進(jìn)行深入的理論研究．近年來(lái)，對(duì)三元共晶凝固的研究主要集中在平衡或近平衡條件下Jackson—Hunt模型[26]擴(kuò)展、凝固組織演變以及合金性能等方面．Himemiya等人[27]將Jackson-Hunt模型擴(kuò)展到三元共晶合金三相平界面耦合生長(zhǎng)中，并提出了組織選擇機(jī)制。Souza與合作者[28]研究了定向凝固條件下A1-Cr-Nb共晶合金的初生相生長(zhǎng)機(jī)制和共晶組織演變。Witusiewicz等人[29-31]對(duì)三元共晶合金的相平衡與層片共晶生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了研究．王偉麗[32]研究了Pb—sb—sn三元系中不同相區(qū)的合金在深過(guò)冷條件下凝固組織形成規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初生(Pb)和SbSn相均以枝晶方式生長(zhǎng)，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SbSn相之間的親和力較強(qiáng)，易于形成二相共晶，組織形態(tài)豐富多彩。(Pb)和(sb)相則是以離異共晶方式生長(zhǎng)。(Sb)和SbSn相不易單獨(dú)形成二相共晶，但在三元共晶組織中可以相互依附生長(zhǎng)。(Pb)+(Sb)+SbSn三元共晶組織通常呈層片狀生長(zhǎng)，當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)會(huì)形成不規(guī)則共晶組織。EDS分析表明，在深過(guò)冷快速凝固條件下，三種初生相的溶質(zhì)固溶度均得以擴(kuò)展，表現(xiàn)出顯著的溶質(zhì)截留效應(yīng)。除元素含量、冷卻速度外，初生枝晶對(duì)共晶組織的形貌也有很大的影響。黃龍輝[33]研究了初生枝晶對(duì)Mg-Al合金共晶凝固組織的影響，實(shí)驗(yàn)表明初生α-Mg相枝晶的形貌決定了共晶組織能夠生長(zhǎng)區(qū)域的大小,并且對(duì)共晶組織生長(zhǎng)提供幾何學(xué)的約束,它還影響著β晶核的數(shù)量。對(duì)于低Al含量的Mg-Al合金,在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)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(dú)形成β相提供了成分條件,因此形成離異共晶組織。而對(duì)于Al含量較高的Mg-Al合金,當(dāng)溫度達(dá)到共晶溫度時(shí)還存在著大量液相,α-Mg相枝晶仍繼續(xù)生長(zhǎng);液相中的濃度超過(guò)共晶成分,達(dá)到某一過(guò)冷度時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)β相的形核質(zhì)點(diǎn),在α-Mg相枝晶上形成一層β相暈圈;這時(shí)液相中溶質(zhì)的濃度降低到共晶成分,在β相暈圈上共生生長(zhǎng)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(dá)的初生α-Mg相枝晶把最后進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變的液相區(qū)分隔成微小的孤立區(qū)域,阻止了網(wǎng)狀、大塊狀的離異共晶β相的形成。因此對(duì)于商用Mg-Al合金來(lái)說(shuō),若加入適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)劑促使初生β-Mg相枝晶分枝、細(xì)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(zhuǎn)變時(shí)β相為共生生長(zhǎng)的領(lǐng)先相,如果能找到一種合適的變質(zhì)劑使β相球化,則將大大提高M(jìn)g-Al合金的力學(xué)性能?？偨Y(jié)共晶合金是一種重要的鑄造合金，其具有密度小、比強(qiáng)度高，同時(shí)兼有良好的鑄造性能、耐蝕性、可焊性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、儀表及機(jī)械等工業(yè)。過(guò)去的幾十年里，人們對(duì)共晶合金做了大量的研究與開(kāi)發(fā)，無(wú)論在基礎(chǔ)理論上，還是生產(chǎn)應(yīng)用中都取得了較大的成就。但由于研究方法、實(shí)驗(yàn)條件以及探索思路的不同，仍有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步的探索和研究，以揭示其內(nèi)在基本規(guī)律，這無(wú)疑對(duì)改善該類合金的性能，挖掘其內(nèi)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(duì)鑄件可靠性要求越來(lái)越高，對(duì)合金的綜合性能和特種性能的要求也不斷提高。因此，在保持優(yōu)良的鑄造性能的同時(shí)，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)韌性，是共晶合金的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)[1]崔忠圻《金屬學(xué)與熱處理》機(jī)械工業(yè)出版社2007年第二版[2]楊順華《晶體位錯(cuò)理論(第一卷)》科學(xué)出版社1988第一版[3]盧錦堂,孔綱.冷卻速度對(duì)Zn-0.24Ni合金共晶組織的影響.華南理工大學(xué)報(bào).2003(3):12-15[4]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(shù).2005,23(5):550-554.[5]JianzY，NagashioK，KuribayashiK．Directobservationofthecrystal—growthtransitioninundercooledsiliconMetallurgicalandMaterialsTransactionsA，2002(33A)：2947-2953．[6]WangRY，LuWH，HoganML．Facetedgrowthofsiliconcrystalsin一Sialloys．MetallurgicalandMaterialsTransactionsA，1997(28A)：1233—1243．[7]唐玲.Mg—Cu合金共晶組織形貌及CuM92的小平面特性[期刊論文]-鑄造2006(04):3~6.[8]夏鵬舉,蔣百靈,張菊梅,袁森.Mg-Al合金共晶凝固組織形貌及其影響因素.材料工程.2012,(6):40～60[9]SavasMA．eta1．Thegrowthofpureandmodifiedbismuth-man.ganesealloys．JCrystalGrowth，2006，76：880[10]ChenT．ContributiontotheequilibriumphasediagramoftheMn—Bisystemlle&rMnBi．JApplPhys，2006，45(5)：2358[11]吳瓊.冷卻速度對(duì)Mg-Al合金共晶組織形貌的影響.自然科學(xué)進(jìn)展第14卷第7期2004年7月[12]高雪剛,謝敬佩.快速凝固共晶鋁硅合金的組織特征及形成機(jī)理.有色金屬學(xué)報(bào).2010,13(3):34~37.[13]JacksonKA，HuntJD．Singlerollleftwithpartyandrodeutecticgrowth．TransAIME，1966，236：1129—1134[14]LimingLu，HiroshiSoda，AlexanderMeLeanMicrostructureandMechanicalPropertiesofFe—Cr—CEuteComposit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