共晶组织及其形成机理

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+(+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，PhSb，Al-St，FeC（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