东大金属凝固原理
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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。
2
a) b) 规则共晶 c) d) 非规则共晶
共 晶 的 基 本 类 型
3
共晶两相及固液界面形貌
4
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
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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Hale Waihona Puke Baidu
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
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。
10
体积 分数 与溶 化熵 对共 晶形 貌的 影响
11
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。
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
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。
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。
27
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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”。
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.
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。
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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。
第五章 多相合金的凝固
§5-1 共晶概述 §5-2 金属-金属共晶的凝固 §5-3 金属－非金属共晶的凝固 §5-4 偏晶合金的凝固 §5-５包晶合金的凝固
1
§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。
12
ψf＜10﹪
13
Ψf在20％－35％
14
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。
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a) b) 规则共晶 c) d) 非规则共晶
共 晶 的 基 本 类 型
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共晶两相及固液界面形貌
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片 状 共 晶
5
树 枝 状 共 晶
6
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
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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Hale Waihona Puke Baidu
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。
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体积 分数 与溶 化熵 对共 晶形 貌的 影响
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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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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
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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。
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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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”。
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.
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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。
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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。
第五章 多相合金的凝固
§5-1 共晶概述 §5-2 金属-金属共晶的凝固 §5-3 金属－非金属共晶的凝固 §5-4 偏晶合金的凝固 §5-５包晶合金的凝固
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§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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ψf＜10﹪
13
Ψf在20％－35％
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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。