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 discussedHuang 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ππλπλ/1)/(])/()/[(222=L a L a 。

因此，当β相所占体积分数小于)/1(π，棒状表面积较层片状小，此时共晶为棒状，反之共晶体应为层片状。

图2 片状共晶及棒状共晶组织示意图就共晶成分的zn 一0.24Ni 合金而言，在共晶温度下，液相发生共晶反应：ηδ+→L ，形成(δ相+纯锌η相)的共晶组织。

由于炉冷接近平衡态，根据Zn-Ni 二元相图，δ相中Ni 的摩尔分数约为10％，密度为7 060kg ／m3；η相成分基本与纯zn 相同，密度为6522 kg ／m3，可求得共晶δ相体积分数仅约为O ．02，远小于)/1(π。

所以，Zn —0.24Ni 合金共晶组织中的共晶δ相以棒状形态存在。

2.影响共晶凝固组织的因素现以层片状共晶组织来说明其形成过程，和纯金属及固溶体合金的结晶过程一样，共晶转变同样要经过形核和长大的过程，在形核时的两个相中总有一个在先，一个在后，首先形核的相叫领先相。

如果领先相是α，由于α相中的含锡量比液相中的少，多余的锡从晶体中排出，使页面附近的液相中锡含量富集。

这就给β相的形核在成分上创造了条件，而β相的形核又要排出多余的铅，使界面前沿的液相中铅含量富集，这又给α相的形核在成分上创造了条件，于是两相就交替的形核和长大，构成了共晶组织（图3）。

进一步的研究表明，共晶组织中的两个相都不是孤立的，α片与α片、β片与β片分别互相联系，共同构成一个共晶领域，或称为共晶团。

这样，两个相就不需要反复形核，很可能是以“搭桥”的方式形成的。

图3 层片状交替形核生长2.1元素含量对共晶组织的影响马涛[4]研究不同Cu 含量的Al —Cu 合金共晶组织的析出方式及形貌特征，为共晶合金凝固研究提供了参考。

采用Al-25％Cu 和Al-40％Cu 合金为研究对象。

通过不同铸型条件下合金的铸态显微组织，来探讨初生a —Al 及初生金属间化合物相β-Cu AL 2。

以及共晶Al ／Cu AL 2的凝固行为。

利用光学显微镜、扫描电镜等仪器研究了Al —Cu 合金中a —Al 及β-AlzCu 相的生长行为，成分对共晶组织形貌的影响。

结果发现，在过共晶组织中，初生肌Cu AL 2相形貌大部分有明显的拐角，呈现小平面生长特性[5]。

在a —Al 与β-Cu AL 2相共晶耦合生长时，β-Cu AL 2择优生长特征削弱，与a —Al 耦合生长呈现非小平面一非小平面生长[6]。

在亚共晶组织中．出现了β-Cu AL 2包裹着初生a —Al 相的晕圈组织。

唐玲[7]利用OM 和SEM 等观察不同铜含量Mg —Cu 合金的铸态共晶组织形貌，探讨不同共晶组织的形成机理及2CuMg 相的小平面特性。

结果表明，Mg-Cu 亚共晶合金中共晶组织的数量随铜含量的逐渐增加，初生相数量减少，且在Mg-15％Cu 合金中出现了晕圈组织。

在Mg-Cu 合金系中有2CuMg 和Mg Cu 2两种金属问化合物相，2CuMg 以有棱有角的小平面生长，而Mg Cu 2以非小平面生长。

夏鹏举[8]利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X 射线衍射仪等设备研究了不同Al 含量的Mg-Al 合金的铸态共晶组织形貌,分析了不同共晶组织的形成机理及影响因素。

结果表明,共晶生长时其领先相为β相；随着Al 含量的加,Mg-Al 合金的共晶组织由离异共晶向粒状、纤维状和层片状共晶转变。

图4为不同Al 含量Mg-Al 合金试样的XRD 谱[9],各成分镁合金的组织主要由A 和B 两相组成。

根据两相的最强衍射峰相对强度,采用K 值法[10],对各成分 Mg-Al 合金中的B相含量的计算结果见表1。

固溶区的Mg-Al 合金随着Al 含量的增加,共晶组织增多,其形貌由完全离异状向粒状(部分离异)转变。

亚共晶Mg-Al 合金随着Al 含量的增加,初生A-Mg 相减少,共晶组织增多,共晶组织形貌从粒状向纤维状和层片状转变。

共晶组Al 含量直接影响到凝固后期剩余共晶成 分的液相率,是影响Mg-Al 合金共晶形貌的主要因素。

图4 Mg-Al 合金铸态组织的X 射线衍射图2.2冷却速度对共晶组织的影响吴琼[11]研究了在不同冷却速度情况下Mg-Al 合金的铸态共晶组织形貌，实验表明随着冷却速度的加快,共晶组织细化,初生a 相发达。

初生a 枝晶显著影响固溶区Mg-Al 合金的共晶组织形貌。

图5分别Mg-27Al 和Mg-32Al 合金在砂型和金属型中铸造试样的显微组织,可以看出,随着冷却速度的加快,初生α-Mg 相枝晶发达,共晶组织细化。

冷却速度对共晶组织形貌的影响有以下几个方面:①改变了初生树枝晶的形态；②冷却速度影响凝固的枝晶前沿液相的溶质浓度分布梯度,进一步影响共晶组织的形核、长大；③快速冷却将增加B 相形核时的过冷度,影响共晶β相的形核（a ）Mg-27Al,砂型 (b)Mg-27Al,金属型(c)Mg-32Al,砂型 (d)Mg-32Al,金属型 图5 Mg-27Al 和Mg-32Al 合金的显微组织 高雪刚[12]利用单辊甩带方法[13]制备Al-12.6Si多元合金快速凝固条带，采用扫描电镜、透射电镜和DSC 技术[14]，研究了电解低钛共晶铝硅合金快速凝固组织形态、相结构特征，探讨合金快速凝固组织形成机理。