重庆大学-金属凝固原理--第6章-共晶合金的凝固

第六章共晶合金的凝固§6-1共晶合金的特点及其分类§6-2规则共晶（正常共晶）的凝固§6-3非规则共晶（异常共晶）的凝固§6-1共晶合金的特点及其分类一、共晶合金的特点1.从状态图看（见右图）●两组元A、B在液态互溶，固相部分互溶●不论A溶于B，还是B溶于A，其溶质平衡分配系数K0110ESCCK10ESCCKB在相中的A在相中的●共晶点为一奇异点在共晶点成分稍微变化，引起初生相的变化。增加B组元，析出初生相;增加A组元，析出初生相。SCT˚C2.从液态结构看●同类原子结合力大于异类原子结合力（x射线衍射证实）A-A和B-B大于A-B结合力，液相中A-A和B-B两种原子集团经常同时存在。●在共晶E点，共晶反应：同时析出两个固相从宏观看：，相同时析出从微观看：，相析出有先有后，先析出相为领先相，一般为高熔点相●共晶点E一般偏向低熔点组元一边如:Fe-C合金CE=4.32%C(Fe熔点:1535℃,石墨熔点:3652℃)Al-Si合金CE=12.6%Si(Al熔点:660.8℃,Si熔点:1414℃)L二、共晶合金的分类两种分类方法：——从生长后形成的组织形态分类（有无明显晶界分类）a—层片状；b—无方向性层片状；c、e—复杂图形；d—带状；f—条状。其中a、c、d、e、f具有明显晶界的共晶，b的共晶团没有明显的晶界。——从组成相的晶体学生长方式分类（两相的生长方式分类）1.规则共晶（正常共晶）两相的界面是粗糙界面，即金属-金属或金属-金属间化合物的共晶。例如Al-Cu，Pb-Sn，Al-Al6Mn等。2.非规则共晶（异常共晶）一相界面是粗糙界面，另一相为光滑界面，即金属-非金属共晶。例如Fe-C，Al-Si等。此外还有两相为光滑界面的共晶，但在金属合金内一般没有，出现在非金属共晶中。目前倾向于后一种分类方法。§6-2规则共晶（正常共晶）的凝固规则共晶常见的组织为层片状共晶和棒状共晶。本节只讲述层片状共晶的生长。一、层片状共晶的形核过程1.合金过冷到温度T，设界面上液、固相的浓度沿液相线和固相线的延长线变化。2.Lα和Lβ均处于过冷状态（过冷度为TE-T）和过饱和状态，对α相，过饱和了B组元，其量为（CLα-CE）对β相，过饱和了A组元，其量为（CLβ-CE）；两相争先析出，但总有先后，先析出相为领先相（一般为高熔点相）。假设先析出β相。βT℃A%3.析出的β相，其成分为Csβ(CsβCE)，β相的析出将过饱和的A组元排出，使相界面上液相的成分为CLβ(CLβCE)，富集了A组元（B组元贫乏），见右图。4.CLβ对于Lα来说，过饱和了A组元，过饱和量为(CLβ-CLα),迫使α相在β相的侧面析出(CSα含有较多的A组元)，此时α相界面上的固相成分为CSα(CSαCE)，液相成分为CLα(CECLαCsβ)，见右图。SC5.α相的析出，将排出多余的B组元于界面富集，CLα对于Lβ来说，过饱和了B组元，又促使β相析出，此时β相不是在α相的侧面形核长大，而是原有的β相在α相未铺满处长出分枝，然后以分枝为基础，在α相表面长出新的片状β相，这种形核的过程称为“搭桥”，α相和β相都是通过交替“搭桥”的方式形成相互连在一起的层片状共晶团，这是规则共晶生核的一大特点（同种结构的相界面完全共格，生核过冷度小，X射线衍射已证实）球状共晶团内层片的生核和分枝示意图二、层片状共晶的生长过程●形核以后，α、β两相以共同的生长界面与液体接触，向液体内生长，称为共生生长，也称“合作”方式生长。●两相共生生长时，各在界面上排出另一组元的原子(β相排出A组元，α相排出B组元)，而两相各自排出的组元正是对方生长时所需要的组元，在界面前沿产生横向扩散：A→α相；B→β相。由于横向扩散的距离最短，共生生长的速度很快。层片状共晶界面前沿溶质的横向扩散是规则共晶生长的一大特点。●当纯二元共晶中，存在杂质时（第三组元），此时杂质不是两相生长时所需要的元素，于是造成两相界面前沿第三组元（杂质原子）的富集而产生成分过冷。原来平的界面就不能保持而向胞状共晶、甚至条状共晶转变（见下图）。§6-3非规则共晶（异常共晶）的凝固一、金属—非金属共晶（粗糙界面—光滑界面共晶）凝固时，其热力学和动力学原理和规则共晶一样，其差别在于非金属的生长机制与金属不同，具有强烈的各相异性，且固—液界面也不像规则共晶那样平直，而是参差不齐、多角形的形貌。二、非规则共晶凝固很复杂，目前研究不够。Fe-C和Al-Si共晶合金凝固较为深入，其生长模型有：●莱氏体共晶生长模型—先析出板块状Fe3C(正交晶格领先相)向液体生长发生分支—奥氏体(面心立方晶格)在Fe3C板块上树枝晶生长—在Fe3C板块生长方向上(a向)，形成层片状共晶，在垂直于Fe3C方向上(C向和K向)形成杆状共晶体，此方向上生长速度快。●片状石墨铸铁共晶团生长模型—石墨(六方晶格)作为领先相析出—奥氏体在石墨外围生长，石墨尖端与液体接触—石墨基面(0001)间形成旋转孪晶，[1010]方向上生长速度快，长成片状。三、第三组元的作用（球化剂、变质剂）●铸铁的球化处理（Mg及REMg球化剂）—球化剂Mg等元素吸附在石墨基面(0001)间的孪晶沟槽，阻碍[1010]方向生长，达到石墨生长方向各向同性，长成球状。●Al-Si合金(5%Si)的变质处理（Na、Sr、RE等变质剂）——RE、Na、Sr等变质元素在共晶硅相富集(吸附在Si相反射孪晶等台阶处)，削弱生长方向性，促使共晶硅长成杆状或粒状变质前变质后变质前共晶硅以台阶方式生长第6章作业：规则共晶（层片状）合金凝固时，其生核和生长过程有何特点？试分析其过程。