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共晶组织及其形成机理

 　　共晶组织的基本特征是两相交替排列，但两相的形态却是多

 种多样，如下图所示：

层状片

棒状
球状

针状

螺旋状

典型的共晶组织形态

    为什么会有不同的组织形态？这是由于共晶组织中的各相

 的熔化熵不同。从这一观点出发，可以把共晶组织分为三类：

 粗糙－粗糙界面(即金属-金属型)共晶；

 粗糙－平滑界面(即金属-非金属型)共晶；

 平滑－平滑界面(即非金属-非金属型)共晶。

 金属-金属型共晶组织的形成机制

 以层片状共晶为例来说明，下边左图表明共晶凝固时固-液

界面的平衡相浓度；下边右图说明层片状共晶成长时界面前沿的

横向原子扩散。

共晶凝固时的固/液
层状共晶成长时界面
界面的平衡相浓度
前沿的横向原子扩散

 共晶两相同时存在共同成长称为共晶凝固。共晶凝固所共同构成

的共晶领域，称为共晶晶团,或晶区。

 一个共晶领域中的每一单相并不是都需要单独形核，各相间多半

是通过“搭桥”连接起来的，即经过搭桥分枝形成，如下图所示：

共晶生长时的“搭桥”机构

 在这类共晶组织中，究竟是呈层状还是棒状，主要取决于两个因

素：共晶中两相的相对量(体积分数)及相间界面能。数学分析可知：
当晶体中的体积分数在30%以下时，形成棒状的总界面比形成层状
小，故有利于形成棒状共晶；当一相的体积分数在30%～70%时，有利
于形成层片状。

 金属-非金属型共晶组织

由于非金属相晶体结构上的特性，使其成长时具有明显的各相异

性，如Al-Si共晶时，由于Si相生长的各相异性，就出现了分枝长大，呈不规则形态。如下图所示：

Al-Si共晶成长形貌示意图

 共晶系合金的非平衡凝固和组织

 伪共晶组织

 非平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶

组织，这种由非共晶成分的合金所得的共晶组织称为伪共晶组织。
伪共晶组织的形成可用下图左图来说明。

由液相线所包围的伪晶区可分为：对称型伪晶区及不对称型伪

区两种，如下图右图所示：

伪共晶的形成
伪共晶区的位置

伪共晶区在相图中的位置，对说明合金中出现的不平衡组织有一

定帮助。例如Al-Si系中，共晶成分的Al-Si合金在铸造状态下的组织为α+(α+Si)共晶，而不是单纯的共晶体。这种现象可以从下图

左图所示的Al-Si合金的伪共晶区发生偏移来说明。

Al-Si合金的伪共晶区
Cu-Al合金(wSn=0.04)离异共晶组织

在共晶转变中，若晶体中与初晶相同的那个相会依附在初晶上

生长，而剩下的另一相则单独存在于初晶晶粒的晶界处，从而使共晶组织特征消失。这种两相分离的共晶称为离异共晶。

    上图右图为Al-Cu(wCu=0.04)合金中出现的离异共晶。Al- Cu合

相图如下图所示：

AL- Cu 相图富Al角

（a）层片状 (b)棒状（条状或纤维状） (c)球状 (d)针状 (e)螺旋状
(1)金属-金属型（粗糙-粗糙界面）。由金属-金属组成的共晶，如 Pb-Cd，Cd-Zn，Zn-Sn，Ph-Sn等，以及许多由金属-金属间化合物组成的合金，如Al-Ag2AI，Cd-SnCd等均属于此类。
（2）金属-非金属型（粗糙-光滑界面）。在金属-非金属型中，两组成相为金属-非金属或金属-亚金属，其中非金属或金属性较差的一相在凝固时，其液-固界面为光滑界面，如Al-Ge，Ph－Sb，Al-St，Fe－C（石墨）等合金共晶属于此类。
（3）非金属-非金属（光滑-光滑界面）。此类共晶组织形态研究甚少，而且不属于合金研究的范围，故不加以讨论。
a．金属-金属型共晶这类共晶大多是层片状或棒状共晶。
b．金属-非金属型共晶这类共晶组织通常形态复杂，如针片状、骨骼状等
2．层片生长的动力学
在共晶生长中，由于动态过冷度很小和强烈的横向扩散，使液-固界面前沿不能建立起有效的成分过冷，因此界面是平直状。
界面移动速度方程:

7.4.3 合金铸锭（件）的组织与缺陷
工业上应用的零部件通常由两种途径获得：一种是由合金在一定几何形状与尺寸的铸模中直接凝固而成，这称为铸件；另一种是通过合金浇注成方或圆的铸锭，然后开坯，再通过热轧或热锻，最终可能通过机加工和热处理，甚至焊接来获得部件的几何尺寸和性能。显然，前者比后者节约能源，节约时间，节约人力，从而降低生产成本，但前者的适用范围有一定限制。对于铸件来说，铸态的组织和缺陷直接影响它的力学性能；对于铸锭来说，铸态组织和缺陷直接影响它的加工性能，也有可能影响到最终制品的力学性能。因此，合金铸件（或铸锭）的质量，不仅在铸造生产中，而且对几乎所有的合金制品都是重要的。
1．铸锭（件）的宏观组织
金属和合金凝固后的晶粒较为粗大，通常是宏观可见的，见图7.30

图7.30 钢锭的3个晶区示意图 1-细晶区 2-柱状晶区 3-中心等轴晶区
a．表层细晶区 当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。
b．柱状晶区 随着"细晶区"壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的.
C．中心等轴晶区 柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。
2．铸锭（件）的缺陷
a．缩孔熔液浇入锭模后，与型壁接触的液体先凝固，中心部分的液体则后凝固。由于多数金属在凝固时发生体积收缩（只有少数金属如锑、嫁、税等在凝固时体积会膨胀），使铸锭（件）内形成收缩孔洞，或称缩孔。缩孔可分为集中缩孔和分散缩孔两类，分散缩孔又称疏松铸件中的缩孔类型与金属凝固方式有密切关系。壳状凝固， 如图7.31（a）所示。这种方式的凝固不但流动性好，而且熔液也易补缩，缩孔集中在冒口.糊状凝固, 如图7.31（C）所示。显然，这种凝固方式熔液流动性差.实际合金的凝固方式常是壳状凝固和糊状凝固之间的中间状态，如图7.31（b）所示
b．偏析偏析是指化学成分的不均匀性。 (1)宏观偏析。宏观偏析又称区域偏析。宏观偏析按其所呈现的不同现象又可分为正常偏析、反偏析和比重偏析3类。（2）显微偏析。显微偏析可分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析3种。