共晶组织及其形成机理

1、精选文档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。从这一观点动身，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

2、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 横向原子集中。    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集中   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。 

3、 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，到底是呈层状还是棒状，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

4、0;性，如Al-Si共晶时，由于Si相生长的各相异性，就消灭了分枝长大，呈不规章形态。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，成分在共晶点四周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

5、的位置，对说明合金中消灭的不平衡组织有一 定挂念。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见依附在初晶上 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逝。这种两相分别的共晶称为离异共晶。   

6、0; 上图右图为Al-Cu(wCu=0.04)合金中消灭的离异共晶。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，以及很多由金属-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-G

7、e，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）。此类共晶组织形态争辩甚少，而且不属于合金争辩的范围，故不加以争辩。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简单，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猛烈的横向集中，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：一种是由合金在肯定几何外形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

8、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。明显，前者比后者节省能源，节省时间，节省人力，从而降低生产成本，但前者的适用范围有肯定限制。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，而且对几乎全部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

9、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猛烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，马上形成大量的晶核，这些晶核快速长大至相互接触，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。在这种状况下，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进展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶

10、区。各柱状晶的生长方向是相同的.C中心等轴晶区 柱状晶生长到肯定程度，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，这将阻挡柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中消灭很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亲密关系。壳状凝固， 如图7.31（a）所示。这种方式的凝固不但流淌性好，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