第6章 共晶合金的凝固

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第二节 规则共晶凝固
• • • • • 一、层片状共晶的生长 1、生核 （1）首先在液相中析出球状领先相—共晶核心； （2）相以相为衬底依附其侧面析出长大； （ 3 ） 相的析出又促进 相依附 相侧面长大，如此交 替搭桥式长成球形共生界面双相核心。
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第三节 非规则共晶凝固
• 一、非规则共晶凝固特点： • 1）金属 —非金属共晶凝固时，其热力学和动力学原理 与规则共晶凝固一样，差别在于非金属的生长机制与金 属不同。 • 2）非金属的固液界面从原子尺度看是小平面的，具有 强烈的各向异性，从而决定了晶体长大有方向性。某方 向生长速度很快，另外方向生长速度缓慢。 • 3）因而非规则共晶固液界面不平，参差不齐。 • 4）非规则共晶共生区偏向高熔点的非金属组元一侧， 呈非对称型共晶共生区。 • 5）非规则共晶形核与规则共晶相似，但非规则共晶生 长两相固液界面是非等温的。小平面相为领先相，其某 一方向快速长大，总是优先伸入液体中，然后第二相依 附领先相长大，有明确先后顺序。
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1、对称型共晶共生区
• • • • • 条件： （1）组成共晶的两个组元熔点相近； （2）两条液相线形状彼此对称； （3）共晶两相性质相近； （4）两相在共晶成分附近析出能力 相当，易于形成彼此依附的双相核 心； • （5）两相在共晶成分附近扩散能力 接近，易于保持两相等速协同生长。 非小平面—非小平面（或金 属—金属）共晶合金的共生区属此 类。
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• 2、离异生长和离异共晶 若共晶两相没有共同的生长界面，它们各以不同速 度独立生长，两相析出在时间和空间上都彼此分离，形 成组织中没有共生共晶特征。这种共晶结晶方式为离异 生长，形成的组织称离异共晶。 离异共晶分“晶间偏析型”和“晕圈型”两种类型。
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• 1、共生生长
结晶时，后析出相依附于领先相 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 前沿两相间横向扩散，互相不断为对方 提供生长所需组元，使两相彼此合作、 一起向前生长。称共生生长。 两相共同生长的固液界面称共生界 面。 领先相独立生核，并在自由生长条 件下长大的共晶体，具有球团形辐射状 结构，称共晶团。
第六章 共晶合金的凝固 第一节 概述
• 一、共晶合金的分类及共晶组织的特点 • 1、分类 共晶合金分为（1）规则共晶（2）非规则共晶。 • 2、共晶组织的特点 • （1）规则共晶 • 1）由金属—金属相或金属—金属间化合物相，即非 小平面—非小平面相组成；
•
2）组成相的形态为规则的棒状或层 片状。具体形状由两相界面能决定。
14/24பைடு நூலகம்
二、棒状共晶
棒状共晶组织与层片状共晶组织的结晶过程基本相似。 决定其组织形态的基本因素是: （1）两固相的体积分数; （2）第三组元存在的影响。 • 1、两固相的体积分数的影响 两相体积分数相近（1/—1/2）时，倾向于层片状生 长；当某一相体积分数远小于另一相体积分数（ 1/ ）时， 该相以棒状生长。
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2、非对称型共晶共生区
• 条件： • （1）组成共晶的两个组元熔点相差较大； • （ 2 ）两条液相线形状不对称，共晶点通常 靠近低熔点组元一侧； • （3）共晶两相性质相差很大； • （4）高熔点相易于析出，为领先相，其生 长速度也较快，对原子的需求较多； • （ 5 ）为满足共生生长条件，需要在含较多 高熔点组元的合金成分下进行共晶转变，所 以共晶区要偏向高熔点组元一侧。两相性质 差别越大，偏离越严重。 大多数非小平面 — 小平面（或金属 — 非金属）共晶合金的共生区属此类。
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• 二、第三组元的影响 第三组元对非金属的长大机制影响极大，从而影响 共晶组织的生长方式及形态。如，铸铁球化处理，加少 量 Mg，石墨生长为球状； Al-Si 合金中加 Na变质后，共 晶Si变成高度分枝的水草状。 变质：向金属液加入某些微量物质以影响晶体的生 长机理，达到改变组织结构，提高机械性能的目的，该 处理工艺称为变质。
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间。
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“晕圈型”离异共晶形成
• 在两相性质差别较大的非小晶面—小晶面共晶合金中能更经常地见到 这种晕圈组织。由于两相在生核能力和生长速度上的差别，第二相环 绕着领先相表面生长而形成一种镶边外围层的情况，此外围层称为 “晕圈”。
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三、近平衡状态下的共晶共生区
平衡条件下，只有共晶 成分合金才能获得 100%共晶 组织。 近平衡条件下，即使非共 晶成分合金，当较快冷却到 两条液相线延长线所包围的 影线区时，也能获得100%共 晶组织。这样由非共晶成分 获得的共晶组织为伪共晶组 织。影线区域称共晶共生区 （仅从热力学观点考虑）。
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实际共晶共生区必须将热力学和动力学 因素综合考虑。 实际共晶共生区可分为对称型和非对称 型。
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• 2、第三组元的影响 • 1 ）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（黑色）的固液界 面前沿的富集，阻碍该相 （黑色）继续长大； • 2 ）另一相（白色）的固液 界面前沿第三组元富集较少， 长大速率较快； • 3 ）由于搭桥作用，落后相 被长大快的相隔成筛网状组 织，最后发展成棒状组织。
“晶间偏析型”离异共晶
当一相大量析出，而另一相尚 • （1）由系统本身的原因所引起：如果 未开始结晶时，将形成晶间偏析 合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得 型离异共晶。 很大，共晶成分的残留液体很少，类似
于薄膜分布于枝晶之间。当共晶转变时， 一相就在初晶相的枝晶上继续长出，面 把另一相单独留在枝晶间。 • （2）由另一相的生核困难所引起：合 金偏离共晶成分，初晶相长得较大，如 另一相不能以初生相为衬底而生核，或 因液体过冷倾向大使该相析出受阻时， 初生相就继续长大而把另一相留在枝晶
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• （2）非规则共晶 • 1 ）由金属 — 非金属相（非小平面 — 小平面）和非金 属—非金属（小平面—小平面）相组成； • 2 ）组织形态随凝固条件不同（成分、冷速、冶金处 理）而变化； • 3）小平面相各向异性，晶体长大有强烈的方向性； • 4）组织形态多种多样。
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• 二、共晶合金的结晶方式 当合金液过冷到两相液相线的延 长线所包围的影线区内时，导致熔体 内两相组元的过饱和，提供了共晶结 晶的驱动力，两相倾向同时析出。 实际上，析出总有先后，先析出 相为领先相，然后在表面析出另一相。 在不同条件下，共晶合金可采取 两种方式进行结晶： （1）共生生长； （2）离异生长。
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• 共晶片间距很小时，横向扩散是主要的。 • 共晶片间距较大时，在各相中央富集的 元素来不及扩散走，影响该部位生长， 形成凹陷，会导致另一相在此产生，从 而达到自我调节片间距。 • 片间距大小：
Av

1 2
• 即：共晶片间距与凝固速度平方根成反 比。
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搭桥：领先相表面一旦出现第二相，则可通过彼此依附、 交替生长的方式产生新的层片来构成所需共生界面，不 需每个层片重新生核。叫搭桥。 • 2、生长 生长时，两相各向界面前沿排出另一组元原子。 相前沿富集 B元素， 相前沿富集 A元素。 A、 B元素横 向扩散为对方生长创造条件，提供原子。