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五 多相合金的凝固 1共晶概述 2金属-金属共晶凝固 3金属-非金属共晶凝固 4偏晶合金的凝固 5包晶合金的凝固 第一节 概述 一 共晶组织的分类 以熔融熵值的大小为依据把共晶分为规则共晶和非规则共晶. 规则共晶(即金属-金属共晶)属于非小平面共晶.凡熔融 熵 者为非小平面相。规则共晶的形态又可分为层片 状和棒状两种,通常共晶中某一相体积分数小于 时, 容易出现棒状结构。 非规则共晶(即金属-非金属共晶)属于小平面共晶, 凡熔融熵 者为小平面相。非规则共晶的形态也可简 化为片状与丝状两大类。小平面相晶体的长大具有各向异性 的特点,其长大具有很强的方向性,小平面相在共晶中的体 积分数 对共晶形貌有着很大的影响。 二 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都不能获得百分百的 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围的范围时,即 使是非共晶成分的合金也可以得到百分 百的伪共晶组织。如图5-10所示,图中 影线部分为共晶共生区。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,组织将变为亚共晶或过共晶。 并非所有的共晶共生区都像5-10图那样的对称的。对于金属 -非金属共晶,其共生区通常是非对称的,如图5-11,其相图上 的共晶点靠近金属组元一方。 凡处在C1—C2之间成分范围的合金在平衡冷却时都会发生 共晶反应,共晶的相对量取决于合金成分偏离共晶成分的大小 偏离共晶成分越远,共晶量越小。 第二节 金属-金属共晶的凝固 一 层状共晶的生长 1.形核与长大 多数的金属-金属共晶其长大速度在四周各个方向上是均一的, 因此它具有球形长大的前沿,而在共晶组织内部两相之间却是 层片状的。这是就说在非方向性凝固的情况下,共晶体是以球 形方式长大,而球形的结构是由两相的层片所组成,并且向外 散射。球的中心有一个核心,它是两相中的一相,起着一个共 晶结晶核心的作用。 共晶中两相交替成长,这并不意味 着每一片都要单独形核,其长大过 程是靠搭桥的办法使同类相的层片 进行增殖。这样就可以由一个晶核 长出整整的一个共晶团。 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。Jackson和Hunt认为,由于 两相的层片间距 很小,在长大过程中溶质的横向扩散是主 要的。 必须指出的是,在固液界面前沿很小的距离(相当于层片间 距)范围内,液相的成分是极不 均匀的。在共晶的固-液界面前沿 的液相中会形成A、B两组元的不 同富集区。 图5-18为共晶生长时固-液界面前沿成分的变化及其对共晶片状界面曲率的影响。由于在固-液界面前沿溶质浓度不同,势必会出现以共晶平衡温度TE为基准的不同的过冷度。以 相前沿为例,在其中央区的前沿液相中富集了最大的浓度 ,从图5-18a中可以看出, 与 相平衡液相线 交点至共晶温度TE的垂直距离 即为由于浓度差 所造成的过冷度,可以用下式表示: 式中, 为液相线斜率, 为具有无限大曲率半径 的固-液界面上平衡液相线 温度。 从上式可知,在 相与 相交界处,由于这里的成分仍为 所以由于浓度差所造成的过冷度 。这样,正如图5-18c所示,在 相层片范围内, 的分布将是抛物线型的,该曲线与图5-18b所示的 相前沿液相成分 的分布曲相似,即 相中央区前沿液相溶质浓度最大,而与之相对应的过冷度 也最大。 从图5-18a、c可以看出, ,即 相与 相交界处曲率半径所对应的过冷度大于 相中央处的过冷度。与此相对应, 与 交界处固相的曲率半径 小于 相中央处的曲率半径 。这就意味着为了以稳定的等温界面向前推进,层片表面的曲率半径是不一样的。 如图5-19所示,共晶结晶时,在 相和 相交界处,是 相、 相、液相三者处于平衡状态。在平衡条件下: 可得: 式中, ,上式表达了 与 相界面处 相的曲率半 径与层片厚度 、
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