华科大材料成形理论基础课件第6章 多相合金的凝固

Chapter6Solidificationofmulti-phasealloys

第六章多相合金的凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§6-1

共晶合金的凝固§6-1

EutecticSolidification共晶合金可以由两个纯组元（A—B）构成，也可以由一个纯组元和一个化合物（A—Am

Bn）或两个化合物构成。共晶合金的特点是液态无限互溶，固态局部互溶（有时固溶度非常小）；溶质元素在另一个相中的分配系数k＜1；共晶点大多偏向低熔点组元一边；在共晶转变时，从液体中同时析出两个固相，对成分偏离共晶成分的合金，则出现初生相。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan一．共晶合金液态结构的特点共晶合金的液态结构与单相合金不同。对固溶体单相合金：接近熔点时，在液态下主要存在一种A游动原子集团，溶质原子B则分布于A原子集团内及集团之间的空穴中。溶有B的A原子集团内的原子排列方式与固溶体相似，因此可以由原子集团生长为固溶体的晶核。共晶合金结晶时，液体中能同时析出两种固相，有理由推测它在液体时必然存在两种排列方式类似两个共晶相的原子集团。这种设想已为液态共晶品合金的X射线衍射所证实。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan在1600℃下对纯Fe一C合金进行X线及中子衍射，发现：当碳量低于1.8％时，随着碳量的增加，Fe原子间距从纯铁的2.60A逐渐增加到2.67A，类似于固溶的效果。当碳量高于1.8％时，再增加碳量，Fe原子间距不再增大。这相当于碳量超过E点，合金由固溶体型转为共晶型后，Fe原子集团中溶碳量不再明显增加，多余的碳除在空穴中外，便以另一相的原子集团存在。由于Fe—C合金中高碳相有两种，多余碳的存在方式有类似石墨的C原子集团及类似Fe3C的富C原子集团，这是Fe—C合金的特点。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二．共晶转变共晶成分的合金结晶时，两相趋向同时析出，但总是有先有后，通常先析出一个相，再在其表面析出另一相，形成共同的生长界面，然后共同生长。共同生长的界面称为共生界面。形成共生界面的过程，是共晶合金的生核过程。两相共同生长称为共生生长。

1.共晶生核过程UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan三、共晶组织特点与共晶共生区1、二元共晶凝固组织特点（1）生长方式不同，可将共晶分为规则共晶和非规则共晶。（2）规则共晶中两个共晶相以层片状或棒状生长，形成规则结构。金属相－金属相，金属－金属间化合物，

（非小平面－非小平面相）（粗糙界面）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan非规则共晶：金属－非金属（非小平面－小平面）相非金属－非金属（小平面－小平面）相小平面相生长的各相异性，导致共晶晶体的形状不规则UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan根据凝固条件

又可分为自由共晶和定向共晶两种

定向共晶是组成共晶的两相沿特定的方向耦合生长形成的一维共晶组织。

自由共晶与等轴晶凝固相似，耦合地向四周生长形成共晶团。Al-Si共晶（非定向凝固）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、近平衡状态下的共晶共生区非共晶成分而获得的共晶组织为伪共晶组织。原因：冷却速度、过冷度对称型共晶的条件：组元熔点、液相线形状、两相性质等。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan实验发现共生区只是液相线延长区内的一部分，把共生区分为两大类；对称和不对称。观察发现，在共生区外，一相的生长速度快得多，故出现初生相；在共生区内两相以同样的速度生长；共生区内两相共生生长的基本方式是靠原子在界面前沿的短距离扩散，故共生生长时两相的生长速度快，超过各相独自生长的速度；在所有情况下，过冷度增大，则共生区变宽。共生区的对称与否可能与相的析出倾向及生长速度有关。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图6-3非小平面－非小平面共晶共生区实际共晶共生区UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan*合金只要过冷在共生区内结晶，两个相便能共生生长，所得组织为共生共晶，其特点为两相交途紧密掺合。*

共晶成分的剩余液体也可能不采取共生生长的方式结晶，而是两相各自独立生长，所得的组织中没有共生共晶的特征。这种两相不是以共同的界面生长的方式称为离异生长，所得的组织称为离异共晶。

几种常见离异共晶的形态*为参考内容UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan*离异共晶的产生有以下几种情况：1．当合金成分偏离共晶很远，初生相长得很大，共晶转变时残留液体很少，类似薄膜状分布于枝晶向，共晶转变时一相就在初生相枝晶上继续长出，而把另一相单独留在枝晶间（如图B）。2．合金偏离共晶成分，初生相长得较大，而另一相又难于析出时，如果此相不能以先析出相为衬底进行生核，或冷却速度很大而析出受阻时，初生相便继续长大而把另一相留在分枝间(图A)。3．当初生相上能形成完整的“晕”时。初生相上形成另一相“晕”的情况有两种。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan

*一种是由于在先析出相上生核困难，只有在过饱和度更大时才能析出并以很快速度生长形成“晕”，但由于两相之间缺乏良好共格对应关系，“晕”并不是完整的壳，初生相仍能穿过晕的间隙长入液体中进行共生生长，不形成离异共晶。如灰铸铁中的石墨和奥氏体共晶。

*另一种是先析出相表面都能作为第二相生核的良好衬底，因而在共晶转变时，先析出相周围另一组元的富集，使另一相很快在析出相的表面生核并侧向生长成完整的壳。这时第二相的壳完全把先析出相与液体隔离，两相与液体间没有共同的生长界面，只有一相与液体接触，所以先析出相的生长只能依靠原子通过壳的扩散，其典型例子是球墨铸铁的共晶转变。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan四、规则共晶凝固1、层片状共晶的生长球形共晶的形核与长大（自由共晶时——共晶团）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图共晶生长的J-H模型

a）α和β共生生长b）共晶生长界面前的溶质B的分布

c）共晶生长界面过冷度分布

d）共晶生长界面简化模型与坐标系层片间距：度量共晶组织细化的参数用层间距λ。层间距主要与凝固速度R有关，也与原子横向扩散速度有关。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、棒状共晶

－共晶若的体积分数f

<(1/)0.32，棒状0.32<f

<0.5，片状r——六边形等面积圆的半径，代替间距

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan五、非规则共晶凝固1、Fe-Fe3C非规则共晶：金属－非金属相（非小平面－小平面）非金属－非金属相（小平面－小平面）渗碳体－奥氏体共晶生长模型(1)渗碳体－奥氏体板状共晶(2)渗碳体树枝晶的侧向生长导致杆状共晶UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图6-10石墨的生长示意图a)密排六方晶体结构b)[1010]方向上以旋转挛晶台阶生长c)[0001]方向以螺旋位错生长UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan石墨与奥氏体的共晶体UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图6－12片墨类型UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、第三组元的影响＋Mg等

球状石墨的放射状多晶结构（20～30个锥体状单晶体组成，外表面由(0001)面覆盖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§6-2

偏晶合金和包晶合金的凝固§6-2

SolidificationofMonotecticAlloyandPeritecticAlloy偏晶相图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图三种情况下的偏晶凝固方式

(图C中L1和L2颠倒错误）

a)σSL2

>σSL1+σL1L2（b）σSL2

<σSL1+σL1L2(c)σSL1

>σSL2+σL1L2UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan这种合金的特点是：①在一定温度以上两组元在液态无限互溶；②在固态有限互溶，各组元的k＜1；③在一定的成分和温度范围内出现两个互不溶解的液体Ll和L2；偏晶成分Cm的液体在Tm温度时液体L1中能分解出两个相：固相α和新的液相L2，即

L1=α＋L2此转变与共晶转变非常相似，但共晶转变是从液体中同时析出两个固相而偏品转变时只析出一个固相，另一个则为液相L2，故称为偏晶。随着温度的下降，L2中会不断析出a，最后残余的液体L2在一定温度时还会产生其它转变，如共晶、包晶等。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanL2的分布和形状与两个因素有关：1．

L2与a是否湿润；2．

L2的密度。如果L2能与a湿润，L2便在a表面生核。如果L2与a完全湿润，L2可能把a完全包围，使a的生长受阻，L1的继续分解只能靠a的重新生核，直到a与L2间达到杠杆定律的比值。温度再降低时，L2中继续析出a，残余的L2则分布于a枝晶间。如果残余的L2很少，则在枝晶间是薄膜状分布。如果L2与a之间湿润不好，密度又相差很大，L2可能上浮或下沉成为与Ll分离的液体层，或悬浮在液体中成为独立的液滴。当L2析出时a枝晶非常发达，L2不易上浮或下沉则可能悬浮于a分枝间。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图定向包晶凝固过程

WC0—合金原始成分WP—包晶反应液相成分UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan包晶合金的特点为：①液态无限互溶，固态有限互溶，③β在α中的分配系数小于1；③两条液相线按同一方向倾斜；④在温度TP略下时，成分为B的液体与成分为D的α相产生包晶转变，形成成分为P的新相β。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan一．平衡结晶

指结晶过程中各相的成分能按状态图的要求而充分均化。包晶转变的实质是液体中的B原子继续向α内溶解而使A原子的排列方式产生改变，由α的结构转变为β的结构，而β相的固溶能力较强，在TP时的成分为P。

可见，包晶转变必须伴随着B原子向α相扩散和溶解的过程，因此这个反应只能在α相表面进行。先在表面进行包晶转变形成β层，然后B原子扩散通过β层向相界面输送，使α不断转变为β，即β的界面不断向α内推进，直到全部转变为β相。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan包晶转变也要求一定的过冷，设包晶转变在温度T时进行，过冷度为（TP-T），此时β相界面上的浓度如图所示。两个界面上的成分是不同的,存在一个浓度梯度,因此B原子要从β－L界面不断向β－α界面扩散。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan对于成分低于P的合金，β－L界面的推进把液体全部消耗后。β－α界面前尚有剩余的α。，包晶转变后的产物为β＋（β+α）。对于成分高于P的合金，包晶转变后尚有剩余液体，液体与B的比例按杠杆定律确定。温度降低时，β相在液体中继续长大，其成分沿PC线变化，而液体成分沿BC线变化。温度降到T3时，合金全部转变为β，其成分为C0。对于成分为P的合金，包晶转变结束时，α和L全部转变为B。

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