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,能够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

界面的平衡相浓度

层状共晶成长时界面 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,究竟是呈层状依然棒状,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估计获得全部共晶 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。这种现象能够从下图 左图所示的Ａl－Sｉ合金的伪共晶区发生偏移来说明、

Ｓｎ

Ａl—Sｉ合金的伪 Cu—Ａl合金(w=0。04)

共晶区 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-Ａ

g2AI,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,由于动态过冷度特别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截了当凝固而成,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,最终估计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、关于铸件来说,铸态的组织和缺陷直截了当影响它的力学性能;关于铸锭来说,铸态组织和缺陷直截了当影响它的加工性能,也有估计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