第四章 第二节 第三节

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棒状共晶可用与六边形等面积的半径r取代层片状共晶中的间距λ， 作为共晶组织的特征尺寸。参照层片状组织的 Jackson-Hunt生长 模型，可得：
r k R
1/2
式中的 k 是由组成相的物理性质决定 的常数， r 和 λ 均与凝固速率的平方根 成反比，即生长速率越快。r 和 λ 越小， 共晶组织越细，材质的性能就越好。
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Al-Si合金：
Al-Si合金的 共晶组织
共晶硅
未变质共晶 硅 SEM 800× 28
共晶Al-Si合金经Na盐变质处理后，由α(Al)+β(Si)的共晶组 织转变为α(Al)+ (α(Al)+β(Si))的亚共晶组织。 29
加入钠盐变质后
变质后的共晶硅，球粒状
共晶硅变质 SEM 800X 30
二．共晶合金的结晶方式 1.共晶合金的共生生长
共晶成分的合金结晶时，两相趋向同时析出，但总是有先有后，通常先析出 一个相，再在其表面析出另一相，形成共同的生长界面，然后共同生长。共 同生长的界面称为共生界面。形成共生界面的过程，是共晶合金的生核过程。 两相共同生长称为共生生长。 但在近平衡凝固条件下，即使非共晶成 分的合金，从热力学考虑，当其较快地 冷却到两条液相线的延长线所包围的影 线区域时，液相内两相组元达到过饱和， 两相具备了同时析出的条件，但一般总 是某一相先析出、然后再在其表面上析 出另一个相，于是便开始两相的竞相析 出的共晶凝固过程．最后获得100 ％的共 晶组织。称这样的非共晶成分而获得的 共晶组织为伪共晶组织，影线区域称为 共晶共生区。
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① 如果液滴L2的上浮速度大于固液界面的推进速度R，则它将 上浮到液相 L1 的顶部。在这种情况下，α 相将依温度的推移， 沿铸型的垂直方向向上推进，而L2将全部集中到试样的顶端， 其结果是试样的下部全为α相，上部全部为β相。利用这种方法 可以制取 α相的单晶，其优点是不发生成分偏析和成分过冷。 半导体化合物Hg-Te单晶就是利用这一原理由偏晶系Hg-Te制取 的。 ②如果液滴L2的上浮速度 小于于固液界面的推进速 度v，其凝固如图所示。 34
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三．规则共晶凝固 1. 层片状共晶生长 在液相中析出呈球状的 α 领先相，即 α 相为共晶核心。由于两相 性质的相近，β相以α相为衬底依附其侧面析出长大。 β相的析出 又促进 α 相依附 β 相侧面长大，如此交替搭桥式地长成如散射状 球形共晶。
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片状共晶组织的重要参数是共晶间距，或 α 相和β相的片间距，为研究共晶间距需要建 立共晶生长模型，共晶生长的经典模型是 Jackson-Hunt模型。
4
则：
d
4 a

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此时，两相的表面积比为
F 棒 F 片

d a
2aa


a
根据最小界面能原理，形成棒状共晶的条件是：
F 棒 F 片

a
1
1 a
V a2 1 3 Hale Waihona Puke a a V V 17
(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 的固一液界面前沿的富集，将阻碍该相的继续长大；而另一相 的固一液界面前沿由于第三组元的富集较少，其长大速率较快。 于是，由于搭桥作用，落后的一相将被长大快的一相隔成筛网 状组织，继续发展则成棒状组织，如图所示。通常在层片状共 晶的交界处看到棒状共晶组织就是这样形成。
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黑色带树枝状特征的是 P， 分布在P周围的白色网是 Fe3CⅡ ，具有黑白斑点状特 征的是变态莱氏体。
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(2) 片状石墨的非规则生长
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(3) 第三组元的影响
Fe-C合金 加入第三组元Mg(0.03~0.05%)
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金相显微镜照片
深腐蚀后的电镜照片 26
球状石墨的偏振光照片
球状石墨结构示意图
未变质初晶硅 31
第三节 偏晶合金与包晶合金的凝固
1. 偏晶合金的凝固 这种合金的特点是： ①在一定温度以上两组元在液态无限互 溶； ②在固态有限互溶，各组元的k＜1； ③在一定的成分和温度范围内出现两个 互不溶解的液体 Ll和 L2；偏晶成分Cm的 液体在Tm温度时液体L1中能分解出两个 相：固相α和新的液相L2，即 L1= α + L2
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2. 包晶合金的凝固
包晶合金的特点为： ① 液态无限互溶，固态有限互溶，
② β在α中的分配系数小于1；
③ 两条液相线按同一方向倾斜。
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对于合金成分为C0合金首先析出α枝晶。在α枝晶的长大过程， 组元 B 在液相中富集，导致液相成分沿相图中的液相线变化。 当温度降至TP时，则发生包晶反应LP + α = β ， β相在α相表面发 生异质形核，并很快沿表面生长，将α相包裹在中间。进一步的 包晶反应通过β相内的扩散进行。组元B自β与L界面向α与β界面 扩散，导致α与β界面向α相一侧扩展，而组元A则自α与β界面向 β与L界面扩散并导致该界面向液相扩展，最后完成包晶反应。 由于固相扩散速度比较缓慢，利于α相的大量形核。通常人们正 是利用这一特点，进行细化晶粒。
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(1)对称型共晶共生区 当组成共晶的两个组元熔点相近，两条液相线形状彼此对称 , 共 晶两相性质相近，两相在共晶成分附近析出能力相当，因而易于 形成彼此依附的双相核心；同时两相在共晶成分附近的扩散能力 也接近，因而也易于保持两相等速的协同生长。因此其共生区以 共晶成分CE为对称轴，而成为对称型共晶共生区。非小平面一非 小平面共晶合金的共生区属此类型。
V V V

1

棒状共晶 15
关于
V 1 V V
的证明
设立方体边长为a， β片层厚度为Δ，β棒状直径d
1. 形成片状共晶时， β相的体积为V β片=Δ· a· a
表面积F β片=2· a· a
形成棒状共晶时， β相的体积为 V 棒 1 d 2 a
4
表面积F β片=π· d· a 若V β片= V β棒， a a 1 d 2 a
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四．非规则共晶凝固 规则共晶——金属－金属共晶，非小平面－非小平面 非规则共晶——金属－非金属，非小平面－小平面
非金属－非金属，小平面－小平面
非规则共晶由于两相性质差别大，共生区往往偏向于高熔点的 非金属组元一侧，呈非对称共晶共生区。 Fe-C合金，Al-Si合金
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(1) 渗碳体的非规则生长
凝固开始时，首先呈复杂正交晶格的Fe3C以板状结构深入合金液中，并在生 长过程中发生分枝，然后奥氏体在Fe3C板块上以树枝状方式生长， Fe3C由 于奥氏体相的生长而变得不稳定，于是形成两种共晶结构。在Fe3C板块生长 方向上，形成层片状结构共晶体，而在垂直于Fe3C板块方向上形成杆状结构 共晶体。垂直于板状的奥氏体和渗碳体协调生长速度，远大于共晶在该板块 方向上的速度。
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实际上共晶共生区取决于液相温度梯度、初生相和共晶的长大 速度与温度的关系，如图所示，阴影部分为温度梯度GL>0，呈 铁钻式的对称型金属一金属共晶共生区。可以看出，当晶体长 大速度较小时(阴影区的上部)，此时为单向凝固的情况，可以获 得平界面的共晶组织。随着长大速度或过冷度的增加，共晶组 织将变为胞状、树枝状，最后成为粒状(等轴晶)。
层片间距：
AR
1 2
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2. 棒状共晶 规则共晶除层片状共晶外，另一类是棒状共晶。在该组织中一个 组成相以棒状或纤维状形态沿着生长方向规则地分布在另一相约 连续基体中。 共晶体是层片状还是棒状，影响因素： (1) 共晶中两相体积分数 (2) 第三组元的影响
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(1) 共晶中两相体积分数的影响 在α 、β 相两固相间界面张力相同的情况下，当某一相的体积分 数远小于另一相时，则该相以棒状方式生长。当体积含量两相 相近时，则倾向于层片状生长。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 则以层片状结构出现。 片状共晶中两相间的位向关系比棒状共晶中两相间位向关系更 强。因此，在片状共晶中，相间界面更可能是低界面能的晶面。 在这种情况下，虽然一相的体积分数小于 1/π，也会出现片状共 晶而不是棒状共晶。
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(2)非对称型共晶共生区
当组成共晶的两个组元熔点相差较大，两条液相线不对称，共晶 点通常靠近低熔点组元一侧。共晶两相的性质相差很大，高熔点 相往往易于析出、且其生长速度也较快。为了满足共生生长所需 要的基本条件，就需要合金液在含有更多高熔点组元成分的条件 下进行共晶转变。因此其共晶区失去了对称性，而往往偏向于高 熔点组元一侧；两相性质差别愈大，则偏离愈严重。这种类型称 为非对称共晶共生区。
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一种是在两相性质差别较大的非小平面 小平面中易出现。高熔点的非金属领先相， 其固液界面是各向异性的。慢生长面被包围， 快生长面可突破晕圈与熔体接触，形成不完 整晕圈。两相仍能组成共同界面共生生长。 如灰铸铁中的石墨和奥氏体共晶。
另一种是先析出相表面都能作为第二相生 核的良好衬底，因而在共晶转变时，先析出 相周围另一组元的富集，使另一相很快在析 出相的表面生核并侧向生长成完整的壳。这 时第二相的壳完全把先析出相与液体隔离， 两相与液体间没有共同的生长界面，只有一 相与液体接触，所以先析出相的生长只能依 靠原子通过壳的扩散，其典型例子是球墨铸 铁的共晶转变。
团 eutectic cell)
微观形态——共晶体内两相析出物的形状与分布，与组成相的
结晶特性、它们在结晶过程中的作用以及具体的
结晶条件有关。 3
在众多的复杂因素中，共晶两相生长中的固-液界面结构在很大程 度上决定着其微观形态的基本特征。根据界面结构的不同，可将 共晶合金分为两大类。
(1) 非小平面一非小平面合金。该类合金在结晶过程中，共晶两相 均具有非小平面生长的粗糙界面。由于粗糙界面的连续生长是 金属状态物质结晶的基本特点，又称金属－金属 ( 金属间化合 物)共晶合金。组成相的形态为规则的棒状或层片状(规则共晶 合金)。Sb-Pb，Ag-Cu，Al-Al3Cu (2)非小平面一小平面合金。该 类合金在结晶过程中，一个 相的固液界面为非小平面的 粗糙界面，另一相则为小平 面生长的平整界面。故又称 金属－非金属共晶合金。FeC, Al-Si 4