2021年共晶组织及其形成机理

共晶组织及其形成机理

欧阳光明

（2021.03.07

）

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，如下图所示：

层状片棒状球状

针状螺旋状

典型的共晶组织形态

为什么会有不同的组织形态？这是由于共晶组织中的各相

的熔化熵不同。从这一观点出发，可以把共晶组织分为三类：

粗糙－粗糙界面(即金属-金属型)共晶；

粗糙－平滑界面(即金属-非金属型)共晶；

平滑－平滑界面(即非金属-非金属型)共晶。

金属-金属型共晶组织的形成机制

以层片状共晶为例来说明，下边左图表明共晶凝固时固-液界面的平衡相浓度；下边右图说明层片状共晶成长时界面前沿的横向原子扩散。

共晶凝固时的固/液层状共晶成长时

界面

界面的平衡相浓度前沿的横向原子

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，称为共晶晶团,或晶区。

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，如下图所示：

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。数学分析可知：

当晶体中的体积分数在30%以下时，形成棒状的总界面比形成层状

小，故有利于形成棒状共晶；当一相的体积分数在30%～70%时，有利

于形成层片状。

金属-非金属型共晶组织

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，如Al-Si共晶时，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。如下图所示：

Al-Si共晶成长形貌示意图

共晶系合金的非平衡凝固和组织

伪共晶组织

非平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得的共晶组织称为伪共晶组织。

伪共晶组织的形成可用下图左图来说明。

由液相线所包围的伪晶区可分为：对称型伪晶区及不

对称型伪

区两种，如下图右图所示：

伪共晶的形成伪共晶区的位置

伪共晶区在相图中的位置，对说明合金中出现的不平衡组织有一

定帮助。例如Al-Si系中，共晶成分的Al-Si合金在铸造状态下的组织为α+(α+Si)共晶，而不是单纯的共晶体。这种现象可以从下图

左图所示的Al-Si合金的伪共晶区发生偏移来说明。

Al-Si合金的伪共

晶区

Cu-Al合金(wSn=0.04)离

异共晶组织

在共晶转变中，若晶体中与初晶相同的那个相会依附在初晶上

生长，而剩下的另一相则单独存在于初晶晶粒的晶界处，从而使共晶组织特征消失。这种两相分离的共晶称为离异共晶。

上图右图为Al-Cu(wCu=0.04)合金中出现的离异共晶。Al- Cu合

相图如下图所示：

AL- Cu 相图富Al角

（a）层片状(b)棒状（条状或纤维状）(c)球状

(d)针状(e)螺旋状

(1)金属-金属型（粗糙-粗糙界面）。由金属-金属组成的共晶，如Pb-Cd，Cd-Zn，Zn-Sn，Ph-Sn等，以及许多由金属-金属间化合物组成的合金，如Al-Ag2AI，Cd-SnCd等均属于此类。（2）金属-非金属型（粗糙-光滑界面）。在金属-非金属型中，两组成相为金属-非金属或金属-亚金属，其中非金属或金属性较差的一相在凝固时，其液-固界面为光滑界面，如

Al-Ge，Ph－Sb，Al-St，Fe－C（石墨）等合金共晶属于此类。

（3）非金属-非金属（光滑-光滑界面）。此类共晶组织形态研究甚少，而且不属于合金研究的范围，故不加以讨论。

a．金属-金属型共晶这类共晶大多是层片状或棒状共晶。

b．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2．层片生长的动力学

在共晶生长中，由于动态过冷度很小和强烈的横向扩散，使液-固界面前沿不能建立起有效的成分过冷，因此界面是平直状。

界面移动速度方程:

7.4.3 合金铸锭（件）的组织与缺陷

工业上应用的零部件通常由两种途径获得：一种是由合金在一定几何形状与尺寸的铸模中直接凝固而成，这称为铸件；另一种是通过合金浇注成方或圆的铸锭，然后开坯，再通过热轧或热锻，最终可能通过机加工和热处理，甚至焊接来获得部件的几何尺寸和性能。显然，前者比后者节约能源，节约时间，节约人力，从而降低生产成本，但前者的适用范围有一定限制。对于铸件来说，铸态的组织和缺陷直接影响它的力学性能；对于铸锭来说，铸态组织和缺陷直接影响它的加工性能，也有可能影响到最终制品的力学性能。因此，合金铸件（或铸锭）的质量，不仅在铸造生产中，而且对几乎所有的合金制品都是重要的。

1．铸锭（件）的宏观组织

金属和合金凝固后的晶粒较为粗大，通常是宏观可见的，见图7.30 图7.30 钢锭的3个晶区示意图1-细晶区2-柱状晶区3-中心等轴晶区

a．表层细晶区当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。

b．柱状晶区随着"细晶区"壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体

中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的.

C．中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。

2．铸锭（件）的缺陷

a．缩孔熔液浇入锭模后，与型壁接触的液体先凝固，中心部分的液体则后凝固。由于多数金属在凝固时发生体积收缩（只有少数金属如锑、嫁、税等在凝固时体积会膨胀），使铸锭（件）内形成收缩孔洞，或称缩孔。缩孔可分为集中缩孔和分散缩孔两类，分散缩孔又称疏松铸件中的缩孔类型与金属凝固方式有密切关系。壳状凝固，如图7.31（a）所示。这种方式的凝固不但流动性好，而且熔液也易补缩，缩孔集中在冒口.糊状凝固, 如图7.31（C）所示。显然，这种凝固方式熔液流动性差.实际合金的凝固方式常是壳状凝固和糊状凝固之间的中间状态，如图7.31（b）所示

b．偏析偏析是指化学成分的不均匀性。(1)宏观偏析。宏观偏析又称区域偏析。宏观偏析按其所呈现的不同现象又可分为正常偏析、

反偏析和比重偏析3类。（2）显微偏析。显微偏析可分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析3种。

材料成形原理课后习题解答

材料成型原理 第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学 1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或 裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部 存在着能量起伏。 （2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡 组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外， 还存在结构起伏。 1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而 界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力?和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2?/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝?（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确 定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂 质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、 浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施： （1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大; ④粘度、表面张力大。 （2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。 （3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度； ②降低结构复杂程度。 1.4 解：浇注模型如下：

共晶组织的形貌特征与形成机理

共晶组织的形貌特征及形成机理探讨 黄继龙 M050314132 （工程技术大学材料工程学院.201620） 摘要：共晶合金是一种被广泛使用的铸造合金，共晶组织的微观形貌对合金的拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为等力学性能有着重要影响。本文介绍了共晶组织的几种常见微观形貌；以及元素含量、冷却速度等因素对共晶组织微观形貌形成机理的影响，综述了国外在此方面的研究进展，预测了今后的发展趋势。 关键词：共晶组织；形貌特征；形成机理 The morphology of eutectic organization characteristics and formation mechanism is discussed Huang Ji-Long (College of Materials Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China) Abstract: eutectic alloy is a kind of widely used casting alloy, the microstructure of eutectic organization on the tensile properties of the alloy, the mechanical properties such as fracture toughness and fatigue crack growth behavior has important influence.This paper introduces the eutectic organization of several common microstructure;And element content and cooling rate on eutectic formation mechanism, the influence of the microstructure morphology in this aspect both at home and abroad, the paper summarized the research progress, forecasts the development trend in the future. Key words: eutectic organization;Appearance characteristics;The formation mechanism 引言 材料的性能取决于它的微观组织。对于绝大多数金属(合金)材料，微观组织的变化主要包含在液相一固相以及固相一固相转变过程中。过去人们为了改善金属(或合金)的质量，往往侧重于研究工艺过程等外部因素对微观组织影响。事实上，无论是液一固相变，还是固一固相变，都是极为复杂的非平衡过程随着研究的深入，人们逐步认识到金属(或合金)的相变过程为界面前沿的浓度起伏、结构起伏、能量起伏及界面微观结构等因素所控制。 图1为pb-Sn二元共晶相图，图中AEB为液相线，

共晶组织及其形成机理

共晶组织及其形成机理 共晶组织的基本特征就是两相交替排列,但两相的形态却就是多种多样,如下图所示: 层状片棒状球状 针状螺旋状 典型的共晶组织形态 为什么会有不同的组织形态？这就是由于共晶组织中的各相的熔化熵不同。从这一观点出发,可以把共晶组织分为三类: 粗糙－粗糙界面(即金属-金属型)共晶; 粗糙－平滑界面(即金属-非金属型)共晶; 平滑－平滑界面(即非金属-非金属型)共晶。 金属-金属型共晶组织的形成机制 以层片状共晶为例来说明,下边左图表明共晶凝固时固-液 界面的平衡相浓度;下边右图说明层片状共晶成长时界面前沿的 横向原子扩散。 共晶凝固时的固/液层状共晶成长时界面 界面的平衡相浓度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,称为共晶晶团,或晶区。 一个共晶领域中的每一单相并不就是都需要单独形核,各相间多半就是通过“搭桥”连接起来的,即经过搭桥分枝形成,如下图所示: 共晶生长时的“搭桥”机构 在这类共晶组织中,究竟就是呈层状还就是棒状,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。数学分析可知: 当晶体中的体积分数在30%以下时,形成棒状的总界面比形成层状 小,故有利于形成棒状共晶;当一相的体积分数在30%～70%时,有利 于形成层片状。 金属-非金属型共晶组织 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,如Al-Si共晶时,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。如下图所示: Al-Si共晶成长形貌示意图 共晶系合金的非平衡凝固与组织 伪共晶组织 非平衡凝固时,成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶 组织,这种由非共晶成分的合金所得的共晶组织称为伪共晶组织。 伪共晶组织的形成可用下图左图来说明。 由液相线所包围的伪晶区可分为:对称型伪晶区及不对称型伪区两种,如下图右图所示:

材料成形原理课后习题解答

材料成型原理 第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或裂 纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。 （2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。 答： 液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而界 面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r 为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r 1+1/r 2）,式中r 1、r 2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 答： 液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条 件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施： （1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L 要大；③比热、密度、导热系大; ④粘度、表面张力大。 （2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。 （3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度； ②降低结构复杂程度。 解： 浇注模型如下： 则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2σ/r 显然 r ＝ 2 1 ×＝ 则 ρ＝4 10*5.05 .1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为 H ＝ρ/（ρ液*g ）＝ 10 *75006000 ＝ 解： 由Stokes 公式 上浮速度 9 2(2v )12r r r －＝

材料成形原理 吴树森 答案.docx1

第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学 1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂 纹组成。原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的 原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量 起伏。 （2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空 穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。 1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应 于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－ 固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力?和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2?/r,因表面张力而 长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝?（1/r1+1/r2）, 式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因 素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，它是液态金属 本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定， 与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸 件结构、浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施： （1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比

热、密度、导热系大;④粘度、表面张力大。 （2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③ 提高透气性。 （3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚 度； ②降低结构复杂程度。 1.4 解： 浇注模型如下： 则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2?/r 显然 r ＝2 1 ×0.1cm ＝0.05cm 则 ρ＝4 10*5.05.1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为

材料形成理论作业标准答案 (1)

液态金属得表面张力有那些影响因素？试总结它们得规律。 1）表面张力与原子间作用力的关系： 原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑ 2）表面张力与原子体积（δ3）成反比，与价电子数Z成正比 3）表面张力与温度：随温度升高而下降 4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响 向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低。 表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧质点间结合力得大小有何关系？ 11）界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上的质点受力不平衡所引起的。 2）界面与表面的差别：1界面泛指两相之间的交界面；表面专指液体或固体与气体之间的界面，确切的说，是指液体或固体在真空下的表面。 2、接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。 试述液态金属充型能力与流动性间得联系与区别，并分析合金成分及结晶潜热对充型能力得影响规律。 1、联系：(1)液态金属的充型性能是一种基本的性能。液态金属的充型能力好，零件的形状就完整，轮廓清晰；否则就会产生“浇不足”的缺陷。液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又与外界条件密切相关，是各种因素的综合反映。 (2)液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关。因此流动性也可认为是确定条件下的充型能力。 (3)液态金属的流动性好，其充型能力强；反之，其充型能力差。 区别：液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关；不过充型能力可以通过改变外界条件来提高。 2、1）对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金潜热对流动性影响不大。2）纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，具有宽结晶温度范围的合金流动性不好； 某飞机制造厂得一牌号Al-Mg合金（成分确定）机翼因铸造常出现“浇不足”缺陷而报废，如果你是该厂工程师，请问可采取哪些工艺措施来提高成品率？ 1）在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料 2）预热铸型 3）增加金属液静压头 4）分析浇注系统，合理安排内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构和各组元的断面积。尽量简化浇注系统。 5）增加金属液静压头 6）选择正确的浇注位置 7）适当提高浇注温度 1试述均质形核与非均质形核有何联系与区别。非均质形核时，对形核剂有什么要求？ 一、1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。 2)非均质形核：依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。

材料成型原理课后题答案

第三章： 8：实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同 答：纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子，形成夹杂物，除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12：简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。 答：实质：表面张力是表面能的物理表现，是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。 影响因数：熔点、温度和溶质元素。 13：简述界面现象对液态成形过程的影响。 答：表面张力会产生一个附加压力，当固液相互润湿时，附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，使铸件的表面得以光洁。凝固后期，表面张力对铸件凝固过程的补索状况，及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15：简述过冷度与液态金属凝固的关系。 答：过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力也越大；过冷度为零时，驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16：用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。 答：高能态的液态原子变成低能态的固态原子，必须越过高能态的界面，界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程，是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子，从而完成凝固过程。 17：简述异质形核与均质形核的区别。 答：均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核，异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。 异质形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加。 异质形核形核功小，形核所需的结构起伏和能量起伏就小，形核容易，所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长 答：①平面方式长大：固液界面前方的液体正温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长：固液界面前方的液体负温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域较大，且距离固液界面越远过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19：简述晶体的微观长大方式及长大速率。 答：①连续生长机理--粗糙界面的生长：动力学过冷度小，生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长：过冷度影响大，生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长：所需过冷度较大，生长速度位于以上二者之间。 20：为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响 答：液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配，它决定着凝固组织的成分分布和组织结构，液态合金凝固过程中溶质的传输，使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律，是控制晶体生长行为的重要因素，也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。 凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果，不同的凝固

共晶组织的形貌特征与形成机理

共晶组织的形貌特征与形成机理

共晶组织的形貌特征及形成机理探讨 黄继龙 M050314132 （上海工程技术大学材料工程学院.上海201620） 摘要：共晶合金是一种被广泛使用的铸造合金，共晶组织的微观形貌对合金的拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为等力学性能有着重要影响。本文介绍了共晶组织的几种常见微观形貌；以及元素含量、冷却速度等因素对共晶组织微观形貌形成机理的影响，综述了国内外在此方面的研究进展，预测了今后的发展趋势。 关键词：共晶组织；形貌特征；形成机理 The morphology of eutectic organization characteristics and formation mechanism is discussed Huang Ji-Long (College of Materials Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China) Abstract: eutectic alloy is a kind of widely used casting alloy, the microstructure of eutectic organization on the tensile properties of the alloy, the mechanical properties such as fracture toughness and fatigue crack growth behavior has important influence.This paper introduces

2021年共晶组织及其形成机理

共晶组织及其形成机理 欧阳光明 （2021.03.07 ） 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，如下图所示： 层状片棒状球状 针状螺旋状 典型的共晶组织形态 为什么会有不同的组织形态？这是由于共晶组织中的各相 的熔化熵不同。从这一观点出发，可以把共晶组织分为三类： 粗糙－粗糙界面(即金属-金属型)共晶； 粗糙－平滑界面(即金属-非金属型)共晶； 平滑－平滑界面(即非金属-非金属型)共晶。 金属-金属型共晶组织的形成机制 以层片状共晶为例来说明，下边左图表明共晶凝固时固-液界面的平衡相浓度；下边右图说明层片状共晶成长时界面前沿的横向原子扩散。

共晶凝固时的固/液层状共晶成长时 界面 界面的平衡相浓度前沿的横向原子 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，称为共晶晶团,或晶区。 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，如下图所示： 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。数学分析可知： 当晶体中的体积分数在30%以下时，形成棒状的总界面比形成层状 小，故有利于形成棒状共晶；当一相的体积分数在30%～70%时，有利 于形成层片状。 金属-非金属型共晶组织 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，如Al-Si共晶时，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。如下图所示： Al-Si共晶成长形貌示意图 共晶系合金的非平衡凝固和组织 伪共晶组织 非平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得的共晶组织称为伪共晶组织。 伪共晶组织的形成可用下图左图来说明。

共晶组织及其形成机理

共晶组织及其形成机理 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，如下图所示： 层状片棒状球状 针状螺旋状 典型的共晶组织形态 为什么会有不同的组织形态？这是由于共晶组织中的各相的熔化熵不同。从这一观点出发，可以把共晶组织分为三类： 粗糙－粗糙界面(即金属-金属型)共晶； 粗糙－平滑界面(即金属-非金属型)共晶； 平滑－平滑界面(即非金属-非金属型)共晶。 金属-金属型共晶组织的形成机制 以层片状共晶为例来说明，下边左图表明共晶凝固时固-液界面的平衡相浓度；下边右图说明层片状共晶成长时界面前沿的 横向原子扩散。 共晶凝固时的固/液层状共晶成长时界面 界面的平衡相浓度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，称为共晶晶团,或晶区。 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，如下图所示： 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。数学分析可知： 当晶体中的体积分数在30%以下时，形成棒状的总界面比形成层状 小，故有利于形成棒状共晶；当一相的体积分数在30%～70%时，有利 于形成层片状。 金属-非金属型共晶组织 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，如Al-Si共晶时，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。如下图所示： Al-Si共晶成长形貌示意图 共晶系合金的非平衡凝固和组织 伪共晶组织 非平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶 组织，这种由非共晶成分的合金所得的共晶组织称为伪共晶组织。 伪共晶组织的形成可用下图左图来说明。 由液相线所包围的伪晶区可分为：对称型伪晶区及不对称型伪区两种，如下图右图所示：

共晶组织的形貌特征及形成机理探究

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 Investigate the Morphology of Eutectic Structure and Formation Mechanism Abstract：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－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