共晶组织的形貌特征及形成机理探究.doc

共晶组织的形貌特征及形成机理探究摘要：目前我们所熟悉的，无非主要是关于二元合金，共晶组织是由液相同时结 晶出两个固相得到的，这便是共晶组织形成的最简便定义当然，共晶组织形貌 众多，为此以下便是主要对不同共晶组织的分类、对不同共晶组织形貌和它们主 要形成机理的探索以及影响共晶组织的因素进行了阐述关键词：共晶组织；形态；特征；合金To In vestigate the Morphology of Eutectic Structureand Formati on Mecha nismAbstract: Currently, we are mainly familiar with something of binary alloy eutectic crystallization from the liquid phase to get out of both solid phase at the same time, which is the most convenient definitions eutectic formation. Of course, many eutectic morphology, for which the following is the main classification of different eutectic, the search for different eutectic morphology and their formation mechanism and the main factors affecting the eutectic structure are described.Key Words: eutectic; form; feature; alloy引言历经百年，人们对科研的不断努力和探 索，目前已经发现了多种多样、丰富多彩的 共晶组织，共晶组织的基本特征是两相交替 排列，但两相的形态却是多种多样，总体大 致我们可以将其分为以下几类：层片状、 棒状（纤维状）、球状、针状、以及螺旋状等［1］， 这些都是典型的共晶组织形态。

早在以前我们对有关共晶分类依据，主要是凭借按两组 成相分布的形态或具有相同位向的共晶领 域的形态（形貌）为依据，所谓共晶领域即 为同一个共晶晶核生长的领域，但是尽管如 此，这种划定和划分仍然还是无法如实的反 映出各类共晶合金组织形成的本质 ［2-4］后来，也有些人提出按照共晶两相凝固生长时 液-固界面的性质，也就是按照反映微观结构的参数a值大小来分类，对于为何共晶组 织会出现不同的组织形态， 这是由于共晶组织中的各相的熔化熵不同［5］，从这单一观点 出发，我们可以目前就把共晶组织可以分为 三大类：①粗糙-粗糙界面（即金属-金属型） 共晶：也就是金属与金属所组成的共晶，例如常见的Pb-Cd，Zn-Sn,Pb-Sn等等，包括 许多金属-金属间化合物组成的合金，如常 见的Cd-SnCd等均为这一类共晶；②粗糙一 平滑界面（即金属-非金属型）共晶：液固界 面为光滑界面，无所争议也就是金属和非金 属所组合成的共晶组织，常见的包括Al-Si、 Fe-C等合金共晶；③平滑—平滑界面 （即非金属-非金属型）共晶：目前对于这类共晶组 织形态的研究是相当少的 ［1,6］共晶组织形成的方式：对于探究共晶组织的形貌特征和形成机理，无疑要考虑形成共晶组织的方式 和生长环境，例如不同材料，形成的不同相， 对形成共晶组织有一定影响， 除此之外，还有成分及冷却速度对共晶组织的形貌影响， 在这方面许多学者对此做了许许多多的研 究和探讨［7-9］。

1金属-金属型共晶组织的形成机制 首先对于金属-金属型共晶组织的形成 机制而言，这类共晶一般主要以层片状或棒 状共晶为主，而对于形成类型的形貌， 一方面受生长因素、结晶前沿温度梯度等参数影 响，而主要方面受界面能的影响： 两组成相的相对量和两相配合时的单位面积界面能 ［10，11］以层片状共晶为例来加以说明， 共晶凝固时的固液界面的平衡相浓度层状共晶 成长时界面前沿的横向原子扩散共晶两相 同时存在共同成长称为共晶凝固， 共晶凝固所共同构成的共晶领域，称为共晶晶区；一 个共晶领域中的每一单相并不是都需要单 独形核，各相间多半是通过“搭桥”连接起 来的即经过搭桥分枝形成，如下图1层片状图1:层片状共晶形核的搭桥机制 ［1］共晶形核的搭桥机制所示［1］共晶生长时的“搭桥”机构在这类共晶组织中，究竟是呈 层状还是棒状，主要取决于两个因素： 共晶中两相的相对量（体积分数）及相间界面能 通过简单的分析可知： 当晶体中的体积分数在27.6%以下时，由于形成其棒状的总界 面比形成层状小，故从而有利于形成棒状共 晶；当一相的体积分数在 27.6%〜72.4%时，却反而有利于形成层片状的趋势 夏鹏举等学者［12］利用扫描电镜等许多设备深入研究 了 Mg-AI合金在不同Al含量下的铸态共晶组 织形貌，分析了不同共晶组织的形成机理及 影响它的一些因素，结果显示共晶生长时它 的领先相为1相，随着AI含量的增加，Mg-AI 合金的共晶组织由是离异共晶向粒状、 纤维状和层片状共晶转变，伴随着冷却速度的加 大，它的共晶组织愈加细化， 初生二相较为发达，除此之外，初生〉枝晶显著影响固溶 区Mg-AI合金的共晶组织的形貌特征；同时 通过对Mg-AI合金共晶组织的观察可以发 现，在不同AI的含量下，a+?共晶组织是以 离异状、粒状、纤维状、层片状多种形貌存 在；而当AI含量为3 %和6 %时，a+ ?共晶主 要以离异形式存在；当AI含量为27%和 32%时, a+?共晶主要以非规则共晶的形式生长 （粒状）；当AI含量为27%和 32%寸，a+?共晶为规 则的共生生长（纤维状或层片状共晶）。

粒状 共晶则一般是是介于规则共晶与非规则共 晶之间的过渡情况［13,14］大连交通大学的赵 丽敏［15］研究重点于不同 AI含量的Zn-xAI合 金液在坩埚中凝固的铸锭组织及铝基体表 面凝固的镀层组织中共晶形貌特征， 同时还分析了在不同冷却条件下共晶组织的形成 机理及影响因素，研究结果可得知Zn-xAI合 金液铸锭源于冷却速度较小，一般属于平衡 凝固，所以共晶组织为典型的片层结构； Zn-xAI合金液镀层的凝固则由于其冷却速 度过快，冷却速度成为共晶结构的决定因 素，共晶组织为非规则共晶形貌， :富AI相呈球形、椭球形或短棒状组织，在实验中， 不同冷却条件下，Zn-xAI合金共晶析出时其 领先相均为一：富Zn相，从通过实验分析可 知，在较低的冷速下的合金铸锭凝固组织， 晶体是有充足的时间形成共晶团核心， 以本身为核心向四周辐射， 组织以非方向凝固的 球形方式生长，共晶片层 :富AI相和］富Zn相彼此依托搭桥式生长，属于规则共晶生 长方式；但是此共晶的生长形貌是由系统的总的界面积和比界面能的乘积所决定， 与共晶两相的所占体积百分数相关 ［16,17］，与铝的含量多少无关，总之在此这合金中，影响共 晶形貌特征长大主要因素是冷却速度。

2金属一非金属型共晶组织形成机制其次金属-非金属型共晶组织，金属-非 金属型共晶这类共晶组织通常形态复杂， 如 针片状、骨骼状等，由于非金属相晶体结构上的特性，使其成长时具有明显的各相异性，而对于金属与非金属，大部分研究学者对Al-Si特别感兴趣，如李爽明等【18]H.C.Liao【19]等、J.H. Li 【20]和 A. Banerji[21]对Al-Si共晶组织竞争生长做了研究， 其中 分析了共晶组织的形貌， 主要为针片状，由 于Si相生长的各相异性，就出现了分枝长 大，呈不规则形态，在 Al-Si共晶凝固时,长在界面前沿的领先相正好与动态过冷理 论预测相反，不是金属:-（Al ）相，而不是 非金属1 （Si）相实验表明：Al-Si共晶组织生长方式主要由两相的质量分数差异 和成分过冷所决定，Al-Si共晶成分Si占 11.7%，Al和Si形成的〉和1固溶度均约 为1%它们共晶质量分数比为 9:1，从而以致〉相的固液界面宽，而另一相固液界面 窄，在两相长大过程中，Al、Si原子发生扩 散，1相因其长大的各向异性而形成取向不 同的针状，:的固液界面呈现凹陷状， 主要因为在1相长大时，所排出的 Al原子向邻 近的〉相界面前沿扩散，因〉相宽，相邻一： 相的〉相处长大速度大于远离 1相的〉相处。

如下图2所示：（a）Al-Si共晶成长形 貌示意图和（b）定向凝固共晶深侵后的二图2所示：（a） Al-Si共晶成长形貌示意图和（b定 向凝固共晶深侵后的二次电子像次电子像汪岩［22］采用蒙特卡洛法对ZL102 共晶组织生长和形貌特征演变进行了模拟 测试，结果显示根据 ZL102铸态模拟组织和 实际组织对比，模拟得到的共晶组织分布与 实际的共晶组织分布基本一致， 研究凝固过程中共晶组织形貌演变对深入掌握共晶组 织形成机理和影响因素都有积极的理论和 实际应用价值高学刚等［23］利用单辊甩带方 法制备A1-12.6Si多元合金快速凝固条带， 采用扫描电镜、透射电镜和 DS（技术，对合金组织形貌、相结构进行了表征，结果表明： 快速凝固不仅使合金组织细化，形成微纳米 晶，并能使组织和相结构发生变化，形成了 大量的:-A1等轴晶和少量的羽毛针列状共 晶体组织；在共晶铝硅多元合金 （ZLI08）的金属型铸态组织中，主要包括两种相：少量 初生硅和大量的（：• +S i）共晶体如果合金 不经过变质处理，共晶硅呈粗大的板条状；加锶变质处理以后，共晶体组织变细，共晶图4金属型重力铸造时ZLl08合金的微观形貌[23]硅呈短棒状或颗粒状(图4)。

上海交通大学 的王渠东等［24］提出了另外一种研究晶体生 长的新方法，也就是离心倾液法用该方法 获得了过共晶Al-Si合金初晶的Si的生长形 貌，发现了初晶Si存在位错台阶生长机制， 并且借助该生长机制成功地解释了初晶 Si的分枝和初晶Si包裹共晶组织的形成机理 此外，观察到了共晶体包裹初晶 Si生长的过 程，在描述共晶组织形成机理方面特别清 晰在金属与非金属型合金相组织中可见在 通过快速凝固可以发现可以得到更加细化 的共晶组织3复杂型共晶组织形成机制当然，上面所提及到的是一些简单的二 元相，在查阅文献当中， 见得最多是许多学者对Al-Mg、Al-Si、Al-Cu等，对形成共晶 的形貌特征和简单的形成机理过程进行简 要描述和分析除此之外还有许多较为复杂 的二元合金、三元合金等，而对于这类复杂 的合金形成共晶组织的形态特征以及生长 过程也是较为混杂的，并不像我们前面说述 的那么简单明了，在我们以前的学习中其实 主要接触的大多是二元合金相图， 即使对三元相图也了解过，但是对于三元合金相图的 认识不是很深刻，当然也有部分国内外研究 学者对一些复杂的合金的共晶组织进行的 分析和探索［25-27］。

目前人们已经对二元合金 的生长机制做了比较深入的研究， 并建立了理论模型然而对于三元合金，由于其涉及 三个相的竞争形核与生长，过程比较复杂， 因而很少有人涉猎，以 Al-Ni-Y三元共晶合 金为例，其中在通过下拉定向凝固实验研究 其他们组织变化和生长机制，其依据无非是 通过控制变量法控制下拉速度来进行下拉 定向凝固，通过金相显微镜等设备观察合金 组织及其立体形貌，定量描述了共晶组织生 长机制，随着下拉速度的增大，定向凝固后 组织定向生长特征较明显， 三元共晶合金相的组成类型发生变化，从菊花状共晶和层片 状共晶的两相共晶，到最后菊花状共晶组织 特征完全消失，其组织破碎细化转变为枝状 共晶，刘普祥［28］通过建立Al-Ni-Y三。