金属材料液态成型原理(5-多相合金的结晶)

5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.3 规则共晶合金的结晶
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5.1.3 规则共晶合金的结晶
规则共晶合金（即非小面-非小面共晶合金）的两相性质相 近，其共生区成对称型；
两相生长中的固液界面都是各向同性、连续生长的非晶体 学界面，因此决定界面生长的因素是传热过程和两组元在 液相中的扩散，界面本身仍可认为处于局部平衡状态；
微观形态，即共晶体内两相析出物的形状与分布，则与 组成相的结晶特性、它们在结晶过程中的相互作用以及 具体的结晶条件有关，特别是共晶两相生长中的固液界 面结构；
5.1.1 共晶合金结晶的特点及分类
分类
根据其界面结构特征，可将共晶合金分为规则共晶合金 和非规则共晶合金两大类。
规则共晶，也称非小面-非小面共晶，多由金属-金属相 或金属-金属间化合物相组成，如Sn-Pb、Ag-Cu、AlAl3Cu和Al-Al3Ni等都属于此类。该类合金在结晶过程中， 共晶两相均具有非小面生长的粗糙界面。
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
（2）第三组元对共晶结构的影响
当第三组元在共晶两相中的分配数相差较大时，其在某一相 的固液界面前端的富集，将阻碍该相的继续长大。同时，另 一相的固液前端由于第三组元的富集较少，其长大速度相对 较快。于是，由于“搭桥”作用，落后的一相将被长大的一 相分割成筛网状，继续发展则成为棒状共晶组织
5.1.2 共晶合金的结晶方式
共晶区
共晶合金液在平衡结晶 温度以下过冷到两相液 相线的延长线所包围的 阴影线区域时，导致熔 体内两相组元的过饱和， 从而提供共晶结晶的驱 动力，两相倾向于同时 析出
5.1.2 共晶合金的结晶方式
生长方式
两相在共晶生长过程中的相互关系的差异，共晶合金可 以采取共生生长（Coupled growth）或离异生长 （Divorced growth）
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
但若加快冷却速度，获得更大过 冷的条件下，则倾向于形成板条 状渗碳体共晶组织。这种共晶常 出现在低碳当量的亚共晶白口铸 铁中。共晶转变时，铁液中已存 在较多的先析出奥氏体，共晶奥 氏体必然优先依附于原有奥氏体 枝晶上生长，导致层状共晶的形 成。
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.2 偏晶与包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
层状共晶由于是非小面非小面共晶，其长大速度各 向同性，因此具有球形长大 的前沿；而在共晶组织内， 两相之间呈层片状交迭。
即，在非定向凝固的情 况下，共晶体以球体形式长 大，而球状结构是由两相的 层片状所组成，并向外呈散 射状。
白色为 -Al枝晶，深 色区域为层状（ -Al+ Al2Cu）共晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.3.1 纤维增强复合材料的凝固
纤维增强基复合材料的增强相主要有长纤维（如硼纤维、碳化 硅纤维、氧化铝纤维、碳纤维等）及短纤维（如氧化铝纤维）， 并具有高的弹性模量和强度，是复合材料中主要受力单元。
采用液态成型工艺进行纤维增强金属基复合材料时，将金属液 体在常压或一定的压力条件下浸入一定形状的预制纤维体中， 凝固后即得相应产品。
层状共晶的形 核过程，首先是 双相核心的形成
5.1.3 规则共晶合金的结晶
生长
在层状共晶长大过程是双相核心通过“搭桥”方式完成 的，这样就可以由一个晶核生长成一个共晶团（也称之 为共晶晶粒）
Jackson和Hunt提出的J-H模型
5.1.3 规则共晶合金的结晶
J-H模型认为:层状共晶中 相 和 相之间的层片间距 很小， 在长大过程中横向扩散是主 要的
两相共同生长的固液界面称为共生界面；
5.1.2 共晶合金的结晶方式
共晶体 共晶团-球团形辐射状结构 柱状共晶体组织
亚共晶高铬铸 铁
图中组织为初生奥氏体枝晶 +球团形辐射状共晶（M7C3+奥氏体）
5.1.2 共晶合金的结晶方式
（2）共晶合金的共生区
共生区或伪共晶区
共生生长只能发生在某一特定的温度和成分范围内，若 将此范围标在相应的平衡相图上，即称之为共生区或伪共晶 区；
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
1. 铸铁的共晶结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
渗碳体共晶由共晶渗碳体和共晶奥氏体组成，也称莱氏体。这两个相 结晶过程中固液界面都为粗糙界面，其共晶生长类似于规则共晶。渗 碳体作为共晶生长中的领先相，一方面以 晶向为择优方向与奥氏体共 生生长，使渗碳体形成层片状；另一方面，渗碳体也在横向（沿 轴方 向）生长，形成包覆型（棒状）共晶。在该共晶开始阶段，莱氏体中 的奥氏体和渗碳体以层片状共生生长方式生长，但在形成渗碳体共晶 温度下，渗碳体的生长速度远高于奥氏体，因而在共晶组织中占有较 大体积分数，奥氏体在渗碳体基体上逐渐形成棒状共晶。
共生区可分为：对称型共生区、非对称型共生区；
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.2 共晶合金的结晶方式
（3）共晶合金的离异生长
研究表明，在共晶转变中也存在着合金熔体不能进入共生 区的情形。在此情形下，共晶两相没有共同的生长界面，它们 以不同的速度而独立生长。也就是说，两相的析出在空间和时 间上都是彼此分离的，因而形成的组织中没有共生共晶的组织 特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所获得 的组织称为离异共晶。
非规则共晶，也称非小面-小面共晶，多由金属-非金属 相组成，如Fe-C、Al-Si、Pb-Sb、Sn-Bi、Al-Ge等共晶 合金。
5.1.2 共晶合金的结晶方式
领先相
领先相是指在熔体中率先析出、且能为第二相提供有效衬底，使第 二相在其表面上析出，从而确保共晶反应得以进行的那个相；
领先相与初生相的区别；
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
增强颗粒与凝固界面的相互作用模型
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.1.3 规则共晶合金的结晶
由于共晶生长时固液界面前端第三组元产生的溶质富集，如同单相合金结 晶类似，在固液界面前端熔体内也会产生成分过冷，随着成分过冷的增加， 也会导致共晶形态的变化。即由宏观平坦的共生界面向胞状共生界面，甚 至是树枝状共晶组织转变。在胞状共晶生长中，共晶两相仍以垂直于固液 界面的方式进行共生生长，因此，两相的层片状或棒状共晶结构（共晶群 体，或称共晶集群）会发生弯曲而形成扇形结构。当第三组元浓度较大， 或在更大的冷却速度下，成分过冷将进一步扩大，此时胞状生长共晶将发 展为树枝状共晶组织，甚至还会导致共晶合金由外生生长到内生生长的转 变。
生长方式取决于领先相的结晶特性、第二相在其表面上 的生核能力以及两相的生长速度等因素
5.1.2 共晶合金的结晶方式
（1）共晶合金的共生生长
共晶合金的共生生长是指结晶时，后相依附于领先相表面析 出，形成具有两相共同生长界面的双相核心，然后依靠溶质 原子在界面前沿沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的 另一相提供生长所需的组元而使两相彼此合作地一起向前生 长；
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
棒状共晶的尺寸特征
可用与六边形等面积的半径 作为其共晶组织的特征尺寸
5.1.3 规则共晶合金的结晶
棒状共晶半径与 过冷度、生长速
度的关系
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
非规则共晶（即非小面-小面共晶）中两相性质差异较 大，共生区往往偏向于高熔点的非金属组元一侧。小 面相在共晶生长中的各向异性的生长行为决定了共晶 两相组织的基本特征。由于小面生长本身存在多种生 长机制，因此此类共晶合金比非小面-非小面共晶合金 具有更加复杂的组织形态变化。
这类合金在一般情况下均按典型的共生生长方式进行结晶。 生长中由于两相彼此合作同时，每一相的生长又都受到另 一相的制约，两相同时以垂直于固液界面的方向析出，形 成了规则排列的层状（即层片状）、棒状（即纤维状）及 介于两者之间的条带状（即碎片状）等形态的共晶组织
5.1.3 规则共晶合金的结晶
层状共晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
过冷度、生长 速度、片层间 距之间的关系
当共晶层片间距很小时，因此曲率半径所引起 的过冷的影响是主要的；反之，当层片间距较 大时，成分过冷是主要的影响因素
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
导入案例
发动机
活塞
连杆
排/进气管 曲轴
导入案例
QT600-3 （正火态）
ZL117 （P变质）
5.1 共晶合金的结晶
5.1 共晶合金的结晶
5.1.1 共晶合金结晶的特点及分类
共晶组织的微观形态特征
与单相合金晶体类似，并随着结晶条件的改变，同样也 呈现出从平面生长、胞状生长到枝晶生长的转变，从柱 状晶（也称共晶群体，eutectic colony）到等轴晶（也称 共晶团，eutectic cell）的不同变化；
当纤维表面与熔体完全润湿时，纤维即可作为合金液结晶的核心， 晶体不需形核即可直接在纤维表面生长。
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
颗粒增强的金属基复合材料，作为增强相多为陶瓷颗 粒（如Al2O3、ZrO2、TiB2等），可通过外加方式或熔 体内反应生成获得。
增强颗粒对复合材料凝固的影响体现在形核及生长两 个方面。
因此制备过程中，纤维与金属熔体的润湿性是决定该复合材料 制备的关键因素。
5.3.1 纤维增强复合材料的凝固
金属熔体在预制纤维间的凝固，仍遵循前述合金结晶的一般规 律，其特点是预存在的纤维相对其结晶过程的影响。
将纤维相当作熔体内存在的外来界面，当纤维表面与熔体完全不润 湿时，合金结晶形核长大是独立进行的，不可能与纤维表面形成紧 密接触，也就无法获得合格的复合材料组织；
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.2 偏晶合金的结晶
5.2.2 偏晶合金的结晶
5.3 金属基复合材料的凝固
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质 组合而成的一种多相固体材料。
金属基复合材料（Metal Matrix Composites，简称MMCs） 是以陶瓷相（包括连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为 增强体，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、铜等）为基体材 料而制备成的，具有高的比强度、比刚度、优良的耐磨性 及热稳定性等特点。
5.1.3 规则共晶合金的结晶
棒状共晶
其组织特征是一个相组成以棒状或纤维状形态沿着生长 方向规则地分布在另一相的连续基体中；
共晶生长过程中究竟是以棒状还是层状形态生长则取决 于两相的体积比以及第三组元的存在
5.1.3 规则共晶合金的结晶
（1）共晶中两相体积分数的影响
共晶中两相体积分数实际上决定了共晶两相的相与相之间的 界面能，在相同的条件下，共晶合金总是倾向于总界面能最 低的组织形态