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在α与β两固相间界面张力相同的情况下，如果共晶 中的一相体积含量相对与另一相低时，倾向于形成棒状共 晶；当两相体积含量相接近时，倾向于形成片状共晶。确 切说，如果一相的体积分数小于1/π时，该相将以棒状结 构出现，如果体积分数在1/π～1/2之间时，两相均以片 状结构出现。造成这种情况的原因主要是结构的表面能的 大小。
非规则共晶（非小平面-小平面相），多由金属和非金属相 组成，在溶解熵大于23 J/（mol.k) 的非规则共晶中，小平面 相体积分数ψf＜10﹪为破断的层片状，（图5－3中C区）；小 平面相体积分数ψf 在10-20﹪ （D区）共晶组织为不规则片状。 Ψf在20％－35％（E区）时，共晶组织为复杂的规则结构，是 由很多胞晶组成，如图5－7. ψf＞40％（F区）时，共晶组织 为准规则结构，是由板片状或少量的棒状组成，如图5－8.
金属-非金属共晶为不规则共晶，组织形态为片 状与丝状。
决定S-L界面为粗糙或光滑界面是依据组元的熔 化熵，entropy of solution 熔化熵大于23J/（mol.k) –为小平面相， 熔化熵小于23J/（mol.k) –为非小平面相。
10
体积 分数 与溶 化熵 对共 晶形 貌的 影响
11
12
ψf＜10﹪
13
Ψf在20％－35％
14
wenku.baidu.com
ψf＞40％
共 晶 规 则 结 构
15
非平衡状态下的共晶共生区
从相图可知，在平衡条件下， 共晶反应只发生在一个固定成分的 合金下，任何偏离这一成分的合金 凝固后都不能获得100％的共晶组 织。从热力学观点看，在非平衡凝 固条件下，具有共晶型的合金，当 快冷到两条液相线的延长线所包括 的范围时，即使是非共晶成分的合 金，也可以获得100％的伪共晶组 织，如图5－10所示。图中的影线 部分即为共晶共生区，共生区规定 了共晶稳定生长的温度和成分范围， 超过这个范围，组织上将变为亚共 晶或过共晶。
16
§5-2 金属-金属共晶的凝固
一、层状共晶生长
在非方向性凝固的 情况下，共晶体以球形 方式长大。球形结构由 两相的层片构成，向外 散射状。球的中心有一 个核心，为两相中的一 相，称领先相，熔点较 高的相，起结晶核心作 用。
17
１.共晶生长方式
核心形成后，在核心附近形成β相，依靠搭桥的方式， 使同类相的层片增殖，由一个晶核长出整个共晶团。
23
24
25
５.单向共晶的晶体学特征 在单向凝固过程中，共晶各相有着一定的最
优结晶取向，并且各相之间存在着一定的结晶学 关系。这是由于共晶各相之间的界面能与界面上 各相的晶体学排列有关，晶体学排列越相近，界 面能越低。
26
二、棒状共晶生长
在金属－金属共晶组织中，除层片结构外，还有棒状 结构。究竟是哪种结构出现，要取决于共晶中α与β相间 的体积比以及第三组元的存在这样两个因素。 1、共晶中两相体积分数的影响
22
４.不纯物的影响
在纯的共晶合金的稳定态生长中，每个相的成长将排 挤出另外一个组元，并在固液界面前沿造成溶质富集区， 该富集区的厚度较窄，仅是层片厚度的数量级，它们对于 横向扩散造成一定的浓度梯度，这对共晶两相的同时长大 是必要的，它可以保证共晶的稳定界面是平面界面，而且 并不形成“成分过冷”区。但是，如果有第三组元的纯在， 而且它在共晶两相中的k0小于１，则在共晶长大时两相均 将第三组元排至液相中，并在界面前沿造成堆积，其堆积 的厚度较宽，如果液相中的温度梯度较小，则在界面附近 将出现“成分过冷”区。此时，平面的共晶界面将变为类 似于单向合金凝固时的胞状结构。共晶中的胞状结构通常 称为集群结构。
共晶组织形态的影响因素
规则共晶（非小平面相-非小平面相），多由金属和金属相， 金属-金属间化合物相组成，形态为层片状、棒状。共晶组织形 貌主要与溶解熵和共晶中体积百分数有关。某一相的体积百分 数小于1/π时，容易出现棒状组织，因为相间距一定时，棒状 的相间界面面积比层片状小，其界面能低，容易形成。
27
28
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系数相差较大时， 其在某一相的固－液界面前沿的富集将阻碍该相的长大； 而另一相的固－液界面前沿由于第三组元富集较少，其长 大速度较快。这样，由于搭桥作用，落后的一相将被长大 快的一相分隔成筛网状组织，继续发展，即成棒状组织。 通常可以看到共晶晶粒内部为层片状，而在共晶晶粒交界 处为棒状，其原因就在于：在共晶晶粒之间，第三组元富 集的浓度较大，从而造成其在共晶两相中分配系数的差别， 导致在某一相前沿出现了“成分过冷”。
东大金属凝固原理第五章
§5-1 共晶概述
由于化学成分和凝固条件不同，共晶合金可以 形成各种各样的组织形态。 层片状（棒状、条状、纤维状）； 球状； 针状；
螺旋状。
2
片 状 共 晶
5
树 枝 状 共 晶
6
棒状共晶
7
对于合金，可以分成规则共晶：层片状、棒状。 非规则共晶:小平面-非小平面共晶 1.金属-金属共晶
18
2.共晶的稳定态长大及固－液界面曲率
由于金属－金属共晶的固－液界面是非光滑 的，所以其界面的向前生长不取决于结晶的性 质，而取决于热流的方向。两相并排的长大方 向垂直于固－液界面。由于两相的层片间距很 小，在长大过程中横向扩散是主要的。
19
共晶片层的生长与扩散
20
21
3.共晶层片间距
一个长大速度对应一个层片间距。片间距过小时，由于 相间面积增加，使界面能增大；片间距过大时，在片层中央 前沿的液体由于扩散距离较远，富集了大量的溶质原子，从 而迫使这里的固液界面曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐 渐向界面的反向延伸，直到这里产生另一相为止。这样，事 实上也就自动调整了片层间距。
凝固时S-L界面为粗糙界面（非小平面）， 结晶面不是特定的晶向，决定长大的因素是热流 方向、两组元在液相中的扩散。 共晶生长时，两相并排结晶出来，并垂直于S-L界 面进行协同生长。 S-L界面近似保持平面状，金 属-金属共晶为规则共晶。
8
金属合金的固-液界面形貌
9
2.金属-非金属共晶
金属以非小平面长大，非金属以小平面长大。 小平面晶体长大的各向异性很强，其S-L界面为特定 的晶面。因此， S-L界面为非平面的，且及不规则。
非规则共晶（非小平面-小平面相），多由金属和非金属相 组成，在溶解熵大于23 J/（mol.k) 的非规则共晶中，小平面 相体积分数ψf＜10﹪为破断的层片状，（图5－3中C区）；小 平面相体积分数ψf 在10-20﹪ （D区）共晶组织为不规则片状。 Ψf在20％－35％（E区）时，共晶组织为复杂的规则结构，是 由很多胞晶组成，如图5－7. ψf＞40％（F区）时，共晶组织 为准规则结构，是由板片状或少量的棒状组成，如图5－8.
金属-非金属共晶为不规则共晶，组织形态为片 状与丝状。
决定S-L界面为粗糙或光滑界面是依据组元的熔 化熵，entropy of solution 熔化熵大于23J/（mol.k) –为小平面相， 熔化熵小于23J/（mol.k) –为非小平面相。
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体积 分数 与溶 化熵 对共 晶形 貌的 影响
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12
ψf＜10﹪
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Ψf在20％－35％
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wenku.baidu.com
ψf＞40％
共 晶 规 则 结 构
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非平衡状态下的共晶共生区
从相图可知，在平衡条件下， 共晶反应只发生在一个固定成分的 合金下，任何偏离这一成分的合金 凝固后都不能获得100％的共晶组 织。从热力学观点看，在非平衡凝 固条件下，具有共晶型的合金，当 快冷到两条液相线的延长线所包括 的范围时，即使是非共晶成分的合 金，也可以获得100％的伪共晶组 织，如图5－10所示。图中的影线 部分即为共晶共生区，共生区规定 了共晶稳定生长的温度和成分范围， 超过这个范围，组织上将变为亚共 晶或过共晶。
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§5-2 金属-金属共晶的凝固
一、层状共晶生长
在非方向性凝固的 情况下，共晶体以球形 方式长大。球形结构由 两相的层片构成，向外 散射状。球的中心有一 个核心，为两相中的一 相，称领先相，熔点较 高的相，起结晶核心作 用。
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１.共晶生长方式
核心形成后，在核心附近形成β相，依靠搭桥的方式， 使同类相的层片增殖，由一个晶核长出整个共晶团。
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５.单向共晶的晶体学特征 在单向凝固过程中，共晶各相有着一定的最
优结晶取向，并且各相之间存在着一定的结晶学 关系。这是由于共晶各相之间的界面能与界面上 各相的晶体学排列有关，晶体学排列越相近，界 面能越低。
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二、棒状共晶生长
在金属－金属共晶组织中，除层片结构外，还有棒状 结构。究竟是哪种结构出现，要取决于共晶中α与β相间 的体积比以及第三组元的存在这样两个因素。 1、共晶中两相体积分数的影响
22
４.不纯物的影响
在纯的共晶合金的稳定态生长中，每个相的成长将排 挤出另外一个组元，并在固液界面前沿造成溶质富集区， 该富集区的厚度较窄，仅是层片厚度的数量级，它们对于 横向扩散造成一定的浓度梯度，这对共晶两相的同时长大 是必要的，它可以保证共晶的稳定界面是平面界面，而且 并不形成“成分过冷”区。但是，如果有第三组元的纯在， 而且它在共晶两相中的k0小于１，则在共晶长大时两相均 将第三组元排至液相中，并在界面前沿造成堆积，其堆积 的厚度较宽，如果液相中的温度梯度较小，则在界面附近 将出现“成分过冷”区。此时，平面的共晶界面将变为类 似于单向合金凝固时的胞状结构。共晶中的胞状结构通常 称为集群结构。
共晶组织形态的影响因素
规则共晶（非小平面相-非小平面相），多由金属和金属相， 金属-金属间化合物相组成，形态为层片状、棒状。共晶组织形 貌主要与溶解熵和共晶中体积百分数有关。某一相的体积百分 数小于1/π时，容易出现棒状组织，因为相间距一定时，棒状 的相间界面面积比层片状小，其界面能低，容易形成。
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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系数相差较大时， 其在某一相的固－液界面前沿的富集将阻碍该相的长大； 而另一相的固－液界面前沿由于第三组元富集较少，其长 大速度较快。这样，由于搭桥作用，落后的一相将被长大 快的一相分隔成筛网状组织，继续发展，即成棒状组织。 通常可以看到共晶晶粒内部为层片状，而在共晶晶粒交界 处为棒状，其原因就在于：在共晶晶粒之间，第三组元富 集的浓度较大，从而造成其在共晶两相中分配系数的差别， 导致在某一相前沿出现了“成分过冷”。
东大金属凝固原理第五章
§5-1 共晶概述
由于化学成分和凝固条件不同，共晶合金可以 形成各种各样的组织形态。 层片状（棒状、条状、纤维状）； 球状； 针状；
螺旋状。
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片 状 共 晶
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树 枝 状 共 晶
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棒状共晶
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对于合金，可以分成规则共晶：层片状、棒状。 非规则共晶:小平面-非小平面共晶 1.金属-金属共晶
18
2.共晶的稳定态长大及固－液界面曲率
由于金属－金属共晶的固－液界面是非光滑 的，所以其界面的向前生长不取决于结晶的性 质，而取决于热流的方向。两相并排的长大方 向垂直于固－液界面。由于两相的层片间距很 小，在长大过程中横向扩散是主要的。
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共晶片层的生长与扩散
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3.共晶层片间距
一个长大速度对应一个层片间距。片间距过小时，由于 相间面积增加，使界面能增大；片间距过大时，在片层中央 前沿的液体由于扩散距离较远，富集了大量的溶质原子，从 而迫使这里的固液界面曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐 渐向界面的反向延伸，直到这里产生另一相为止。这样，事 实上也就自动调整了片层间距。
凝固时S-L界面为粗糙界面（非小平面）， 结晶面不是特定的晶向，决定长大的因素是热流 方向、两组元在液相中的扩散。 共晶生长时，两相并排结晶出来，并垂直于S-L界 面进行协同生长。 S-L界面近似保持平面状，金 属-金属共晶为规则共晶。
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金属合金的固-液界面形貌
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2.金属-非金属共晶
金属以非小平面长大，非金属以小平面长大。 小平面晶体长大的各向异性很强，其S-L界面为特定 的晶面。因此， S-L界面为非平面的，且及不规则。