第6章 多相合金的凝固

材料成型與控制專業(yè)第六章多相合金的凝固

3/21/20241多相合金的凝固包括：共晶合金的凝固；偏晶合金的凝固；包晶合金的凝固。偏晶合金和包晶合金的凝固較簡單，共晶合金的凝固復雜，且應用廣。本章主要介紹共晶合金的凝固。3/21/20242第一節(jié)共晶合金的凝固概述一、共晶合金的分類及共晶組織的特點1、分類共晶合金分為（1）規(guī)則共晶（2）非規(guī)則共晶。2、共晶組織的特點（1）規(guī)則共晶組織的特點

1）由金屬—金屬相或金屬—金屬間化合物相，即非小平面—非小平面相組成；

2）組成相的形態(tài)為規(guī)則的棒狀或?qū)悠瑺睢＞唧w形狀由兩相界面能決定。3/21/20243（2）非規(guī)則共晶組織的特點

1）由金屬—非金屬相（非小平面—小平面）和非金屬—非金屬（小平面—小平面）相組成；

2）組織形態(tài)隨凝固條件不同（成分、冷速、冶金處理）而變化，多種多樣；

3）小平面相各向異性，晶體長大有強烈的方向性；

4）固液界面不平，極不規(guī)則。

3/21/20244二、近平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)

平衡條件下，只有共晶成分合金才能獲得100%共晶組織。近平衡條件下，即使非共晶成分合金，當較快冷卻到兩條液相線延長線所包圍的影線區(qū)時，也能獲得100%共晶組織。這樣由非共晶成分獲得的共晶組織為偽共晶組織。影線區(qū)域稱共晶共生區(qū)（僅從熱力學觀點考慮）。

3/21/20245

實際共晶共生區(qū)必須將熱力學和動力學因素綜合考慮。實際共晶共生區(qū)可分為對稱型和非對稱型。3/21/202461、對稱型共晶共生區(qū)條件：（1）組成共晶的兩個組元熔點相近；（2）兩條液相線形狀彼此對稱；（3）共晶兩相性質(zhì)相近；（4）兩相在共晶成分附近析出能力相當，易于形成彼此依附的雙相核心；（5）兩相在共晶成分附近擴散能力接近，易于保持兩相等速協(xié)同生長。

非小平面—非小平面（或金屬—金屬）共晶合金的共生區(qū)屬此類。

3/21/202473/21/202482、非對稱型共晶共生區(qū)條件：（1）組成共晶的兩個組元熔點相差較大；（2）兩條液相線形狀不對稱，共晶點通?？拷腿埸c組元一側(cè)；（3）共晶兩相性質(zhì)相差很大；（4）高熔點相易于析出，為領(lǐng)先相，其生長速度也較快，對原子的需求較多；（5）為滿足共生生長條件，需要在含較多高熔點組元的合金成分下進行共晶轉(zhuǎn)變，所以共晶區(qū)要偏向高熔點組元一側(cè)。兩相性質(zhì)差別越大，偏離越嚴重。

大多數(shù)非小平面—小平面（或金屬—非金屬）共晶合金的共生區(qū)屬此類。3/21/202493/21/202410實際共晶共生區(qū)很復雜3/21/202411第二節(jié)規(guī)則共晶的凝固

一、層片狀共晶的生長1、生核（1）首先在液相中析出球狀

領(lǐng)先相—共晶核心；（2）

相以

相為襯底依附其側(cè)面析出長大；（3）

相的析出又促進

相依附

相側(cè)面長大，如此交替搭橋式長成球形共生界面雙相核心。3/21/202412

搭橋：領(lǐng)先相表面一旦出現(xiàn)第二相，則可通過彼此依附、交替生長的方式產(chǎn)生新的層片來構(gòu)成所需共生界面，不需每個層片重新生核。叫搭橋。3/21/202413搭橋式生核方式3/21/2024142、生長生長時，兩相各向界面前沿排出另一組元原子。

相前沿富集B元素，

相前沿富集A元素。A、B元素橫向擴散為對方生長創(chuàng)造條件，提供原子。3/21/202415彼此依附、交替生長的方式3/21/2024163、共晶團的形成領(lǐng)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；β相固溶體在α相球面上析出；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。3/21/2024173/21/2024183/21/2024194、片層間距的自我調(diào)整此處B原子聚集而濃度升高；α相繼續(xù)推進；形成凹坑；B原子擴散越發(fā)困難；新的β相片層形成；完成片層間距的自我調(diào)整。

α相片層中心處B原子擴散比α-β交界要困難得多αβ3/21/202420片間距大小：即：共晶片間距與凝固速度平方根成反比。3/21/2024215、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；3/21/202422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。3/21/202423二、棒狀共晶

棒狀共晶組織與層片狀共晶組織的結(jié)晶過程基本相似。決定其組織形態(tài)的基本因素是:

（1）兩固相的體積分數(shù);

（2）第三組元存在的影響。1、兩固相的體積分數(shù)的影響兩相體積分數(shù)相近（1/

—1/2）時，傾向于層片狀生長；當某一相體積分數(shù)遠小于另一相體積分數(shù)（1/

）時，該相以棒狀生長。3/21/2024243/21/2024253/21/2024262、第三組元的影響1）當?shù)谌M元在共晶兩相中的分配數(shù)相差較大時，其在某一相（黑色）的固液界面前沿的富集，阻礙該相（黑色）繼續(xù)長大；2）另一相（白色）的固液界面前沿第三組元富集較少，長大速率較快；3）由于搭橋作用，落后相被長大快的相隔成篩網(wǎng)狀組織，最后發(fā)展成棒狀組織。3/21/202427Al-Al3Ni棒狀共晶（上——縱截面，下——橫截面）Pb-Sn層片狀共晶3/21/2024283/21/202429第三節(jié)非規(guī)則共晶的凝固

一、非規(guī)則共晶凝固特點：1）金屬—非金屬共晶凝固時，其熱力學和動力學原理與規(guī)則共晶凝固一樣，差別在于非金屬的生長機制與金屬不同。2）非金屬的固液界面從原子尺度看是小平面的，具有強烈的各向異性，從而決定了晶體長大有方向性。某方向生長速度很快，另外方向生長速度緩慢。3）因而非規(guī)則共晶固液界面不平，參差不齊。3/21/2024304）非規(guī)則共晶共生區(qū)偏向高熔點的非金屬組元一側(cè)，呈非對稱型共晶共生區(qū)。5）非規(guī)則共晶形核與規(guī)則共晶相似，但非規(guī)則共晶生長兩相固液界面是非等溫的。小平面相為領(lǐng)先相，其某一方向快速長大，總是優(yōu)先伸入液體中，然后第二相依附領(lǐng)先相長大，有明確先后順序。3/21/202431滲碳體－奧氏體共晶生長模型二、滲碳體的非規(guī)則生長開始時，板狀Fe3C伸入合金液，并分枝；奧氏體在板狀Fe3C上以樹枝方式生長；Fe3C變得不穩(wěn)定，形成兩種結(jié)構(gòu)，在板狀Fe3C生長方向上，形成層片結(jié)構(gòu)共晶體；垂直于板狀Fe3C方向，形成桿狀結(jié)構(gòu)共晶體。3/21/202432領(lǐng)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。三、片狀石墨的非規(guī)則生長3/21/202433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。3/21/202434在高純度Fe-C合金共晶凝固中，領(lǐng)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。3/21/202435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。3/21/202436四、第三組元的影響第三組元對非金屬的長大機制影響極大，從而影響共晶組織的生長方式及形態(tài)。如，鑄鐵球化處理，加少量Mg，石墨生長為球狀；Al-Si合金中加Na變質(zhì)后，共晶Si變成高度分枝的水草狀。

變質(zhì)：向金屬液加入某些微量物質(zhì)以影響晶體的生長機理，達到改變組織結(jié)構(gòu)，提高機械性能的目的，該處理工藝稱為變質(zhì)。3/21/202437＋Mg等

球狀石墨的放射狀多晶結(jié)構(gòu)（20～30個錐體狀單晶體組成，外表面由(0001)面覆蓋3/21/202438Al–Si合金共生生長當領(lǐng)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。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。3/21/202439當合金液過冷到兩相液相線的延長線所包圍的影線區(qū)內(nèi)時，導致熔體內(nèi)兩相組元的過飽和，提供了共晶結(jié)晶的驅(qū)動力，兩相傾向同時析出。實際上，析出總有先后，先析出相為領(lǐng)先相，然后在表面析出另一相。在不同條件下，共晶合金可采取兩種方式進行結(jié)晶：（1）共生生長；（2）離異生長。第四節(jié)共晶合金的結(jié)晶方式3/21/2024401、共生生長

結(jié)晶時，后析出相依附于領(lǐng)先相表面析出，形成具有兩相共同生長界面的雙相核心，然后依靠溶質(zhì)原子在界面前沿兩相間橫向擴散，互相不斷為對方提供生長所需組元，使兩相彼此合作、一起向前生長。稱共生生長。兩相共同生長的固液界面稱共生界面。領(lǐng)先相獨立生核，并在自由生長條件下長大的共晶體，具有球團形輻射狀結(jié)構(gòu)，稱共晶團。3/21/2024412、離異生長和離異共晶

若共晶兩相沒有共同的生長界面，它們各以不同速度獨立生長，兩相析出在時間和空間上都彼此分離，形成的組織中沒有共生共晶特征。這種共晶結(jié)晶方式為離異生長，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。鉛錫二元離異共晶3/21/202442“晶間偏析型”離異共晶（1）由系統(tǒng)本身原因引起：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，而把另一相單獨留在枝晶間。（2）由另一相生核困難引起：合金偏離共晶成分，初晶相長得較大，