共晶组织的形貌特征与形成机理

共晶组织的形貌特征及形成机理探讨

黄继龙

M050314132

（工程技术大学材料工程学院.201620）

摘要：共晶合金是一种被广泛使用的铸造合金，共晶组织的微观形貌对合金的拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为等力学性能有着重要影响。本文介绍了共晶组织的几种常见微观形貌；以及元素含量、冷却速度等因素对共晶组织微观形貌形成机理的影响，综述了国外在此方面的研究进展，预测了今后的发展趋势。

关键词：共晶组织；形貌特征；形成机理

The morphology of eutectic organization characteristics and formation mechanism is discussed

Huang Ji-Long

(College of Materials Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China) Abstract: eutectic alloy is a kind of widely used casting alloy, the microstructure of eutectic organization on the tensile properties of the alloy, the mechanical properties such as fracture toughness and fatigue crack growth behavior has important influence.This paper introduces the eutectic organization of several common microstructure;And element content and cooling rate on eutectic formation mechanism, the influence of the microstructure morphology in this aspect both at home and abroad, the paper summarized the research progress, forecasts the development trend in the future. Key words: eutectic organization;Appearance characteristics;The formation mechanism

引言

材料的性能取决于它的微观组织。对于绝大多数金属(合金)材料，微观组织的变化主要包含在液相一固相以及固相一固相转变过程中。过去人们为了改善金属(或合金)的质量，往往侧重于研究工艺过程等外部因素对微观组织影响。事实上，无论是液一固相变，还是固一固相变，都是极为复杂的非平衡过程随着研究的深入，人们逐步认识到金属(或合金)的相变过程为界面前沿的浓度起伏、结构起伏、能量起伏及界面微观结构等因素所控制。

图1为pb-Sn二元共晶相图，图中AEB为液相线，

AMENB 为固相线，MF 为Sn 在pb 溶解度曲线，也叫固溶度曲线，NG 为Pb 在Sn 中的溶解度曲线。相图中有三个单相区：即液相L 、固溶体α和固溶体β相。α相是Sn 溶于pb 中的固溶体,β相是pb 溶于Sn 中的固溶体。各个单相区之间有三个两相区，即L+α、L+β和α+β。在L+α、L+β与α+β两相区之间的水平线MEN 表示α+β+L 三相共存区。

图1 pb-Sn 二元共晶相图

在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E 点的液相（E L ）同时结晶出与M 点相对应的M α 和

N β点所对应的两个相，形成两个固溶体的混合物。

这种转变的反应式是：N M E L βα+⇔。根据相律可知，在发生三相平衡转变时，自由度等于零（F=2-3+1=0），所以这一转变必然在恒温下进行，而且三个相的成分应为恒定值，在相图上的特征是三个单相区与水平线只有一个接触点，其中液相单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。这种在一定的温度下，有一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物为两个固相的混合物，称为共晶组织。相图中的MEN 水平线称为共晶线，E 点称

为共晶点，E 点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于共晶点以左、M 点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于共晶点以右、N 点以左的合金称为过共晶合金[1]

。

1.共晶组织形貌

共晶组织的形态很多，按其中两相的分布形态，可将它们分为层片状、棒状（条状或纤维状）、球状（短棒状）、针片状、螺旋状等。共晶组织的形态受到多种因素的影响。近年来有人提出，共晶组织中两个组成相的本质是其形态的决定性因素。在研究纯金属结晶时已知，晶体的生长形态与固液界面的结构有关。金属的界面为粗糙界面，半金属和非金属为光滑界面。因此，金属-金属型的两相共晶组织大多为层片状或棒状，金属-非金属型的两相共晶组织通常具

有复杂的形态，表现为树枝状、针片状或骨骼状等[2]

。 卢锦堂[3]

研究了冷却速度对用于热浸镀办的Zn-024Ni 合金共晶组织的影响。结果表明，在炉冷、空冷和铁模水冷3种不同冷却条件下，合金分别生成粗大的、细小的棒状共晶和离异共晶组织。并对合金形成片状、棒状共晶和离异共晶的条件进行了讨论。 假定两种不同形态的共晶体如图2所示，边长均为a ，层片状共晶体中(见图2 a)，β相片层间距与棒状共晶体(见图2 b)β相圆棒的中心距均为λ，圆棒半径为r 。棒状共晶体中，β圆棒的总数应为2)/(λa ，圆棒表面总表面积为2

)/(2λπa rL 。层片状共晶体片β层总数为)/(λa ，β片层表面总面积为)/(2λa aL 。当两种不同形貌的共晶体中，a —β界面面积相等时，

2)/(2λπa rL =)/(2λa aL ，即r=)/(πλ，所以通过

等式可以知道此时棒状共晶β相所占体积分数为