东大金属凝固原理第五章.pptVIP

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 §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。 共晶的基本类型 共晶两相及固液界面形貌 片状共晶 树枝状共晶 棒状共晶 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。 金属合金的固-液界面形貌 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。 体积分数与溶化熵对共晶形貌的影响 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。 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. 共晶规则结构 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。 §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。 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。 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。 共晶片层的生长与扩散 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。 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。 二、棒状共晶