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1、6-3 6-3 共晶合金结晶共晶合金结晶一、共晶转变机制一、共晶转变机制Pb-SnPb-Sn二元相图二元相图LEC+D这一转变如何这一转变如何进行？进行？共晶组织如何共晶组织如何形成、长大？形成、长大？t/t/1. 1. 共晶核心的形成共晶核心的形成 交替形核：交替形核：在一定的过冷度下，由于两在一定的过冷度下，由于两固溶体的成分的差别，总有一个固相领先形固溶体的成分的差别，总有一个固相领先形核，它称为领先相，设领先相为核，它称为领先相，设领先相为，由于，由于富集溶富集溶质质B组元组元，其生长时附近液体则出现，其生长时附近液体则出现溶质贫化区，溶质贫化区，的存在和液体中溶质的贫化，的存在和液体
2、中溶质的贫化，相将附着在相将附着在上形核并长大，同理在上形核并长大，同理在相相外将附着外将附着的形核长大。于是两相交替形核、的形核长大。于是两相交替形核、长大，构成了共晶组织。长大，构成了共晶组织。 共同生长：共同生长：两个相长大时都要排放相两个相长大时都要排放相应的溶质组元，排出的溶质将阻碍自身的应的溶质组元，排出的溶质将阻碍自身的生长，但两相同时生长时，一相排出的组生长，但两相同时生长时，一相排出的组元正是另一相生长所需要的，所以两相的元正是另一相生长所需要的，所以两相的生长过程将互相促进，最后是两相共同携生长过程将互相促进，最后是两相共同携手长大。由于两固相的成分是固定的，综手长大。由于
3、两固相的成分是固定的，综合成分应和液体的成分相同，它们的数量合成分应和液体的成分相同，它们的数量反映在二者的厚度相对比例上。反映在二者的厚度相对比例上。 2. 2. 共晶体的长大共晶体的长大a)a)片层状交替形核生长片层状交替形核生长 b)b)片层状共晶分离扩散片层状共晶分离扩散 片层状共晶的形核与生长片层状共晶的形核与生长b)b)二、共晶组织形貌二、共晶组织形貌 1.1.共晶组织及分类共晶组织及分类 (1)(1)按微观特征分：按微观特征分： 层片状，棒状，球状，针状，螺旋状等。层片状，棒状，球状，针状，螺旋状等。 当两个固相都是金属性较强相时，共晶体当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一般生
4、长成层片状。当两相的相对数量比相差一般生长成层片状。当两相的相对数量比相差悬殊时，在界面能的作用下，数量较小的相将悬殊时，在界面能的作用下，数量较小的相将收缩为条、棒状，更少时为纤维状，甚至为点收缩为条、棒状，更少时为纤维状，甚至为点( (球球) )状。状。 当有一相或两相都具有较强的非金属性当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较强的各向异性，不同方向时，它们表现出较强的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度关系，的生长速度不同，并且有特定的角度关系，同时生长过程要求的过冷度也有差异，往往同时生长过程要求的过冷度也有差异，往往有一个相在生长中起主导作用，决定了两相有一个
5、相在生长中起主导作用，决定了两相的分布，共晶体的形态也具有独特性，这时的分布，共晶体的形态也具有独特性，这时常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺旋状等。旋状等。 共晶组织形貌共晶组织形貌典型共晶组织横截面典型共晶组织横截面片层状片层状 棒状棒状球状球状 针状针状螺旋状螺旋状 蛛网状蛛网状 放射状放射状 (2)(2)按共晶两相本性与液固界面结构分按共晶两相本性与液固界面结构分3 3类：类：金属金属- -金属型（粗糙金属型（粗糙- -粗糙界面）粗糙界面） 呈片层状、棒状共晶。呈片层状、棒状共晶。金属金属- -非金属型（粗糙非金属型（粗糙- -光滑界面）光滑界
6、面） 呈针状、骨骼状共晶。呈针状、骨骼状共晶。非金属非金属- -非金属型（光滑非金属型（光滑- -光滑界面）光滑界面） 这类共晶在陶瓷、硅酸盐、有机高分子材这类共晶在陶瓷、硅酸盐、有机高分子材料中出现，形态资料很少。料中出现，形态资料很少。2.2.影响共晶体形貌的因素影响共晶体形貌的因素 构成共晶体两相的性质及相的体积分数会影构成共晶体两相的性质及相的体积分数会影响晶体形貌。响晶体形貌。 当两相中的一相占当两相中的一相占3050时，呈片层状；时，呈片层状； 当两相中的一相当两相中的一相30时，呈棒状。时，呈棒状。 第三组元加入会在界面前沿液相内造成成分第三组元加入会在界面前沿液相内造成成分过冷
7、影响其生长。如纯组元两相共晶体生长保持过冷影响其生长。如纯组元两相共晶体生长保持平面界面，加入杂质或第三组元会以胞状生长，平面界面，加入杂质或第三组元会以胞状生长，当含量较多时也会发展成树枝状。当含量较多时也会发展成树枝状。三、亚共晶与过共晶合金中初生相形态三、亚共晶与过共晶合金中初生相形态 初生相的形态与相的性质有关。纯金初生相的形态与相的性质有关。纯金属或以金属为基的固溶体相，是按匀晶转属或以金属为基的固溶体相，是按匀晶转变得到的产物，组织中呈树枝状；若初生变得到的产物，组织中呈树枝状；若初生相为非金属相或化合物则呈针状、片状或相为非金属相或化合物则呈针状、片状或多边多角状。多边多角状。a
8、) a) Pb-SnPb-Sn过共晶合金过共晶合金 b) b) Pb-SbPb-Sb亚共晶合金亚共晶合金 初生相形态初生相形态四、共晶系合金的非平衡结晶四、共晶系合金的非平衡结晶1.1.伪共晶区伪共晶区 由非共晶成分在非平衡冷却条件下所得由非共晶成分在非平衡冷却条件下所得到的全部共晶组织称为伪共晶。到的全部共晶组织称为伪共晶。(1)(1) 热力学伪共晶区热力学伪共晶区(2)(2) 单纯从热力学考虑，当合金溶液过冷单纯从热力学考虑，当合金溶液过冷到两条液相线的延长线所包围的影线区时，到两条液相线的延长线所包围的影线区时，可得到伪共晶组织。可得到伪共晶组织。(3)(3) 过冷度过冷度T T增大，伪
9、共晶区增大。增大，伪共晶区增大。(4)(4) E E点附近的合金（点附近的合金（C C1 1、C C2 2) )快冷可得到快冷可得到( (+) )的伪共晶组织。的伪共晶组织。 热力学伪共晶区热力学伪共晶区 (2) (2) 动力学伪共晶区动力学伪共晶区动力学伪共晶区偏移与变形动力学伪共晶区偏移与变形2.离异共晶（离异共晶（C3合金合金) 结晶时在先共晶相（初生相）结晶时在先共晶相（初生相）数量较多而共晶体数量甚少的数量较多而共晶体数量甚少的情况下，共晶组织中与先共晶相情况下，共晶组织中与先共晶相相同的那一相会依附于先共晶相相同的那一相会依附于先共晶相生长，并把另一相推向最后凝固生长，并把另一相推
10、向最后凝固的晶界处，从而使共晶组织特征的晶界处，从而使共晶组织特征消失，呈两相分离状态，称为消失，呈两相分离状态，称为离离异共晶异共晶。 Al-Al-SnSn合金离异共晶合金离异共晶3.不平衡共晶组织（不平衡共晶组织（C4合金合金) 合金合金C4在平衡态下结晶时不发生共晶转在平衡态下结晶时不发生共晶转变，但在非平衡条件下由于固相成分线偏变，但在非平衡条件下由于固相成分线偏离固相线离固相线TAC（变为图中虚线变为图中虚线）和铸模冷）和铸模冷却具有定向散热特征，使最后结晶部分的却具有定向散热特征，使最后结晶部分的液体内溶质富集达到共晶成分，过冷后发液体内溶质富集达到共晶成分，过冷后发生共晶转变得到
11、少量共晶组织。生共晶转变得到少量共晶组织。 6-4 6-4 铸锭组织的形成与控制铸锭组织的形成与控制一、铸锭三晶区及其形成机制一、铸锭三晶区及其形成机制铸锭三晶区：铸锭三晶区：表层细晶区表层细晶区强过冷强过冷, ,非均匀形核。非均匀形核。柱状晶区柱状晶区纯金属纯金属: :过冷度减小过冷度减小, ,形核困难形核困难, ,沿散沿散 热方向生长热方向生长; ; 合金合金: :成分过冷成分过冷, ,一次轴发达一次轴发达, ,沿散热沿散热 方向生长。方向生长。 中心等轴晶区中心等轴晶区均匀散热、液相区成分过冷、均匀散热、液相区成分过冷、 熔体对流导致细晶漂移或枝晶破碎。熔体对流导致细晶漂移或枝晶破碎。铸
12、锭三晶区示意图铸锭三晶区示意图1 1细晶区细晶区 2 2柱状晶区柱状晶区 3 3中心等轴晶区中心等轴晶区二、影响铸锭组织的因素二、影响铸锭组织的因素 受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因素影响。理、机械振动与搅拌等因素影响。 铸模冷却能力强，浇注温度高，散热方向性铸模冷却能力强，浇注温度高，散热方向性强，液体内正温度梯度大时形成柱状晶。金属纯强，液体内正温度梯度大时形成柱状晶。金属纯度越高，越有利于柱状晶的发展。必须抑制柱状度越高，越有利于柱状晶的发展。必须抑制柱状晶的发展，避免出现穿晶。采取下列措施：晶的发展，避免出现穿晶。采取下
13、列措施：（1 1）机械搅动破坏柱状晶生长；）机械搅动破坏柱状晶生长；（2 2）增加籽晶，增大中心等轴晶区；）增加籽晶，增大中心等轴晶区；（3 3）孕育处理，加入形核剂，促进非均匀形核。）孕育处理，加入形核剂，促进非均匀形核。6-5 6-5 凝固技术凝固技术一、定向凝固一、定向凝固 定向凝固定向凝固是使铸件全部沿同一方向生长。是使铸件全部沿同一方向生长。由此产生有相同取向的柱状、片层状及棒状所由此产生有相同取向的柱状、片层状及棒状所构成的单相或双相组织，它的纵向性能明显高构成的单相或双相组织，它的纵向性能明显高于横向性能。于横向性能。 高温涡轮叶片以成功应用该技术。这种叶高温涡轮叶片以成功应用该
14、技术。这种叶片工作中常沿与主应力相垂直的横向晶界发生片工作中常沿与主应力相垂直的横向晶界发生沿晶断裂。通过定向凝固可使叶片中的晶界与沿晶断裂。通过定向凝固可使叶片中的晶界与主应力相平行，从而显著提高叶片使用寿命。主应力相平行，从而显著提高叶片使用寿命。汽轮机叶片的宏观组织汽轮机叶片的宏观组织a) a) 定向凝固定向凝固 b) b) 非定向凝固非定向凝固二、单晶制取二、单晶制取 单晶材料是与半导体、压电、光电、生单晶材料是与半导体、压电、光电、生光、热电、红外遥感等技术密切相关的功能光、热电、红外遥感等技术密切相关的功能材料。材料。 单晶是由一个晶核生长成的具有宏观尺单晶是由一个晶核生长成的具有
15、宏观尺寸的晶体材料。寸的晶体材料。 常见制备方法有两种：垂直提拉法，尖常见制备方法有两种：垂直提拉法，尖端形核法。端形核法。 三、区域提纯三、区域提纯 根据固溶体合金定向凝固时溶质再分布原根据固溶体合金定向凝固时溶质再分布原理，使水平试样左端与右端一个溶质贫化一个理，使水平试样左端与右端一个溶质贫化一个溶质富集。当溶质富集。当k k0 011时，凝固前端部分的溶质浓时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低，后端部分不断富集，使前端部分度不断降低，后端部分不断富集，使前端部分因溶质减少而得到提纯。因溶质减少而得到提纯。 区域熔化通过固定的感应加热器加热移动区域熔化通过固定的感应加热器加热移动的圆棒来实现。的圆棒来实现。 区域提纯是应用固溶体凝固理论的一个突区域提纯是应用固溶体凝固理论的一个突出成就。出成就。四、激冷技术（快速凝固）四、激冷技术（快速凝固）雾化技术雾化技术 是把熔体在离心力、机械力或高速流是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分散成尺寸极小的雾状体冲击力作用下，分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固，得到急冷凝固的粉末。常用的有离心固，得到急冷凝固的粉末。常用的有离心雾化法、双辊雾化法。雾化法、双辊雾化法。Thanks
