重庆大学 金属凝固原理 第6章 共晶合金的凝固

1、第六章 共晶合金的凝固,6-1共晶合金的特点及其分类 6-2 规则共晶（正常共晶）的凝固 6-3 非规则共晶（异常共晶）的凝固,6-1共晶合金的特点及其分类,一、共晶合金的特点 1.从状态图看（见右图） 两组元A、B在液态互 溶，固相部分互溶 不论A溶于B，还是B溶于 A，其溶质平衡分配系数K01,B在 相中的 A在 相中的, 共晶点为一奇异点 在共晶点成分稍微变化，引起初生相的变化。 增加B组元，析出初生相 ; 增加A组元，析出初生相 。,TC,2.从液态结构看 同类原子结合力大于异类原子结合力（x射线衍射证实）A-A和B-B大于A-B结合力，液相中A-A和B-B两种原子集团经常同时存在。

2、在共晶E点，共晶反应： 同时析出两个固相 从宏观看： ， 相同时析出 从微观看： ， 相析出有先有后，先析出相为领先相，一般为高熔点相 共晶点E一般偏向低熔点组元一边 如:Fe-C合金 CE=4.32%C (Fe熔点:1535,石墨熔点:3652) Al-S i合金 CE=12.6%Si (Al熔点:660.8,Si熔点:1414),二、共晶合金的分类 两种分类方法： 从生长后形成的组 织形态分类（有无明显 晶界分类） a层片状；b无方向性层片状；c、e复杂图形；d带状；f条状。 其中a、c、d、e、f具有明显晶界的共晶，b的共晶团没有明显的晶界。, 从组成相的晶体学生长方式分类（两相的生长方

3、式分 类） 1.规则共晶（正常共晶） 两相的界面是粗糙界面，即金属-金属或金属-金属间化合 物的共晶。例如Al-Cu，Pb-Sn，Al-Al6Mn等。 2.非规则共晶（异常共晶） 一相界面是粗糙界面，另一相为光滑界面，即金属-非金 属共晶。例如Fe-C，Al-Si等。 此外还有两相为光滑界面的共晶，但在金属合金内一般没 有，出现在非金属共晶中。 目前倾向于后一种分类方法。,6-2 规则共晶（正常共晶）的凝固,规则共晶常见的组织为层片状共 晶和棒状共晶。 本节只讲述层片状共晶的生长。 一、层片状共晶的形核过程 1.合金过冷到温度T，设界面上液、 固相的浓度沿液相线和固相线的延 长线变化。 2.L

4、和L均处于过冷状态（过冷 度为TE-T）和过饱和状态，对相， 过饱和了B组元，其量为（CL-CE） 对相，过饱和了A组元，其量为 （ CL -CE）；两相争先析出，但 总有先后，先析出相为领先相（一 般为高熔点相）。假设先析出 相。,3.析出的相，其成分为 Cs(CsCE)，相的析出将过 饱和的A组元排出，使相界面上 液相的成分为CL(CLCE)， 富集了A组元（B组元贫乏）， 见右图。 4. CL对于L来说，过饱和了 A组元，过饱和量为(CL- CL), 迫使相在相的侧面析出 (CS含有较多的A组元)，此时 相界面上的固相成分为 CS(CS CE)，液相成分为 CL(CE CL Cs )，见

5、右图。,5.相的析出，将排出多余的B组元于界面富集，CL对于 L来说，过饱和了B组元，又促使相析出，此时相不是 在相的侧面形核长大，而是原有的相在相未铺满处长 出分枝，然后以分枝为基础，在相表面长出新的片状 相，这种形核的过程称为“搭桥”， 相和相都是通过交替 “搭桥”的方式形成相互连在一起的层片状共晶团，这是规则 共晶生核的一大特点（同种结构的相界面完全共格，生核过 冷度小，X射线衍射已证实）,球状共晶团内层片的生核和分枝示意图,二、层片状共晶的生长过程, 形核以后，、两相以共同的生长界面与液体接触，向液体内生长，称为共生生长，也称“合作”方式生长。 两相共生生长时，各在界面上排出另一组元的

6、原子(相排出A组元，相排出B组元)，而两相各自排出的组元正是对方生长时所需要的组元，在界面前沿产生横向扩散：A 相；B 相。由于横向扩散的距离最短，共生生长的速度很快。 层片状共晶界面前沿溶质的横向扩散是规则共晶生长的一大特点。, 当纯二元共晶中，存在杂质时（第三组元），此时杂质不是两相生长时所需要的元素，于是造成两相界面前沿第三组元（杂质原子）的富集而产生成分过冷。原来平的界面就不能保持而向胞状共晶、甚至条状共晶转变（见下图）。,6-3 非规则共晶（异常共晶）的凝固,一、金属非金属共晶（粗糙界面光滑界面共晶）凝固 时，其热力学和动力学原理和规则共晶一样，其差别在于非 金属的生长机制与金属不同

7、，具有强烈的各相异性，且固 液界面也不像规则共晶那样平直，而是参差不齐、多角形的 形貌。 二、非规则共晶凝固很复杂，目前研究不够。Fe-C和Al-Si共 晶合金凝固较为深入，其生长模型有：, 莱氏体共晶生长模型,先析出板块状Fe3C(正交晶格领先相)向液体生长发生分支 奥氏体(面心立方晶格)在Fe3C板块上树枝晶生长 在Fe3C板块生长方向上(a向)，形成层片状共晶，在垂直于Fe3C方向上(C向和K向)形成杆状共晶体，此方向上生长速度快。, 片状石墨铸铁共晶团生长模型,三、第三组元的作用（球化剂、变质剂）, 铸铁的球化处理（Mg及REMg球化剂）,球化剂Mg等元素吸附在石墨基面(0001)间的孪晶沟槽， 阻碍1010方向生长，达到石墨生长方向各向同性，长成 球状。, Al-Si合金(5%Si)的变质处理（Na、Sr、RE等变质剂）,RE、Na、Sr等