材料科學(xué)基礎(chǔ)-材料科學(xué)基礎(chǔ)-§6-3 共晶合金的結(jié)晶

§6-3共晶合金結(jié)晶一、共晶轉(zhuǎn)變機(jī)制Pb-Sn二元相圖LE→αC+βD這一轉(zhuǎn)變?nèi)绾芜M(jìn)行？共晶組織如何形成、長(zhǎng)大？t/℃1.共晶核心的形成交替形核：在一定的過冷度下，由于兩固溶體的成分的差別，總有一個(gè)固相領(lǐng)先形核，它稱為領(lǐng)先相，設(shè)領(lǐng)先相為β，由于β富集溶質(zhì)B組元，其生長(zhǎng)時(shí)附近液體則出現(xiàn)溶質(zhì)貧化區(qū)，β的存在和液體中溶質(zhì)的貧化，α相將附著在β上形核并長(zhǎng)大，同理在α相外將附著β的形核長(zhǎng)大。于是兩相交替形核、長(zhǎng)大，構(gòu)成了共晶組織。共同生長(zhǎng)：兩個(gè)相長(zhǎng)大時(shí)都要排放相應(yīng)的溶質(zhì)組元，排出的溶質(zhì)將阻礙自身的生長(zhǎng)，但兩相同時(shí)生長(zhǎng)時(shí)，一相排出的組元正是另一相生長(zhǎng)所需要的，所以兩相的生長(zhǎng)過程將互相促進(jìn)，最后是兩相共同攜手長(zhǎng)大。由于兩固相的成分是固定的，綜合成分應(yīng)和液體的成分相同，它們的數(shù)量反映在二者的厚度相對(duì)比例上。2.共晶體的長(zhǎng)大a)片層狀交替形核生長(zhǎng)b)片層狀共晶分離擴(kuò)散片層狀共晶的形核與生長(zhǎng)b)二、共晶組織形貌1.共晶組織及分類(1)按微觀特征分：層片狀，棒狀，球狀，針狀，螺旋狀等。當(dāng)兩個(gè)固相都是金屬性較強(qiáng)相時(shí)，共晶體一般生長(zhǎng)成層片狀。當(dāng)兩相的相對(duì)數(shù)量比相差懸殊時(shí)，在界面能的作用下，數(shù)量較小的相將收縮為條、棒狀，更少時(shí)為纖維狀，甚至為點(diǎn)(球)狀。當(dāng)有一相或兩相都具有較強(qiáng)的非金屬性時(shí)，它們表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，不同方向的生長(zhǎng)速度不同，并且有特定的角度關(guān)系，同時(shí)生長(zhǎng)過程要求的過冷度也有差異，往往有一個(gè)相在生長(zhǎng)中起主導(dǎo)作用，決定了兩相的分布，共晶體的形態(tài)也具有獨(dú)特性，這時(shí)常見的形態(tài)有針狀、骨肋狀、蜘蛛網(wǎng)狀、螺旋狀等。共晶組織形貌典型共晶組織橫截面片層狀棒狀球狀針狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀放射狀(2)按共晶兩相本性與液固界面結(jié)構(gòu)分3類：①金屬-金屬型（粗糙-粗糙界面）呈片層狀、棒狀共晶。②金屬-非金屬型（粗糙-光滑界面）呈針狀、骨骼狀共晶。③非金屬-非金屬型（光滑-光滑界面）這類共晶在陶瓷、硅酸鹽、有機(jī)高分子材料中出現(xiàn)，形態(tài)資料很少。2.影響共晶體形貌的因素構(gòu)成共晶體兩相的性質(zhì)及相的體積分?jǐn)?shù)會(huì)影響晶體形貌。當(dāng)兩相中的一相占30～50％時(shí)，呈片層狀；當(dāng)兩相中的一相<30％時(shí)，呈棒狀。第三組元加入會(huì)在界面前沿液相內(nèi)造成成分過冷影響其生長(zhǎng)。如純組元兩相共晶體生長(zhǎng)保持平面界面，加入雜質(zhì)或第三組元會(huì)以胞狀生長(zhǎng)，當(dāng)含量較多時(shí)也會(huì)發(fā)展成樹枝狀。三、亞共晶與過共晶合金中初生相形態(tài)初生相的形態(tài)與相的性質(zhì)有關(guān)。純金屬或以金屬為基的固溶體相，是按勻晶轉(zhuǎn)變得到的產(chǎn)物，組織中呈樹枝狀；若初生相為非金屬相或化合物則呈針狀、片狀或多邊多角狀。a)Pb-Sn過共晶合金b)Pb-Sb亞共晶合金初生相形態(tài)四、共晶系合金的非平衡結(jié)晶1.偽共晶區(qū)由非共晶成分在非平衡冷卻條件下所得到的全部共晶組織稱為偽共晶。熱力學(xué)偽共晶區(qū)單純從熱力學(xué)考慮，當(dāng)合金溶液過冷到兩條液相線的延長(zhǎng)線所包圍的影線區(qū)時(shí)，可得到偽共晶組織。過冷度△T增大，偽共晶區(qū)增大。

E點(diǎn)附近的合金（C1、C2)快冷可得到(α+β)的偽共晶組織。熱力學(xué)偽共晶區(qū)

(2)動(dòng)力學(xué)偽共晶區(qū)動(dòng)力學(xué)偽共晶區(qū)偏移與變形2.離異共晶（C3合金)結(jié)晶時(shí)在先共晶相（初生相）α數(shù)量較多而共晶體數(shù)量甚少的情況下，共晶組織中與先共晶相相同的那一相會(huì)依附于先共晶相生長(zhǎng)，并把另一相推向最后凝固的晶界處，從而使共晶組織特征消失，呈兩相分離狀態(tài)，稱為離異共晶。

Al-Sn合金離異共晶3.不平衡共晶組織（C4合金)合金C4在平衡態(tài)下結(jié)晶時(shí)不發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，但在非平衡條件下由于固相成分線偏離固相線TAC（變?yōu)閳D中虛線）和鑄模冷卻具有定向散熱特征，使最后結(jié)晶部分的液體內(nèi)溶質(zhì)富集達(dá)到共晶成分，過冷后發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變得到少量共晶組織。

§6-4鑄錠組織的形成與控制一、鑄錠三晶區(qū)及其形成機(jī)制鑄錠三晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)－強(qiáng)過冷,非均勻形核。柱狀晶區(qū)－純金屬:過冷度減小,形核困難,沿散熱方向生長(zhǎng);合金:成分過冷,一次軸發(fā)達(dá),沿散熱方向生長(zhǎng)。中心等軸晶區(qū)－均勻散熱、液相區(qū)成分過冷、熔體對(duì)流導(dǎo)致細(xì)晶漂移或枝晶破碎。鑄錠三晶區(qū)示意圖1－細(xì)晶區(qū)2－柱狀晶區(qū)3－中心等軸晶區(qū)二、影響鑄錠組織的因素受澆鑄溫度、冷卻速度、化學(xué)成分、變質(zhì)處理、機(jī)械振動(dòng)與攪拌等因素影響。鑄模冷卻能力強(qiáng)，澆注溫度高，散熱方向性強(qiáng)，液體內(nèi)正溫度梯度大時(shí)形成柱狀晶。金屬純度越高，越有利于柱狀晶的發(fā)展。必須抑制柱狀晶的發(fā)展，避免出現(xiàn)穿晶。采取下列措施：（1）機(jī)械攪動(dòng)破壞柱狀晶生長(zhǎng)；（2）增加籽晶，增大中心等軸晶區(qū)；（3）孕育處理，加入形核劑，促進(jìn)非均勻形核?！?-5凝固技術(shù)一、定向凝固

定向凝固是使鑄件全部沿同一方向生長(zhǎng)。由此產(chǎn)生有相同取向的