與規(guī)則共晶生長相關(guān)的問題規(guī)則共晶

1、2024/3/13,1,（2）棒狀共晶 規(guī)則共晶以棒狀還是層狀生長是由兩個組成相的界面能決定的，符合界面能最小原理。假定共晶組織中兩個組成相的界面能是各向同性的，且兩相均以非小平面相（粗糙界面）生長時，則當(dāng)某一相的體積分?jǐn)?shù)小于1／π時，該相以棒狀生長。例如Cr-Cu、Al-Zn等共晶中就有呈棒狀的傾向。 各向同性粗糙界面vf<1/π 在棒狀共晶生長過程中，圓棒狀相按圖2-41所示的六邊形分布。,,,目

2、錄,2024/3/13,2,圖2-41 棒狀共晶生長過程的橫截面圖,目錄,2024/3/13,3,設(shè)棒狀相為α相，則β相的晶界為正六邊形?？捎门c該六邊形等面積的圓的半徑r取代層狀共晶中的間距λ作為共晶組織的特征尺寸。參照層狀共晶生長模型的分析方法，通過求解凝固界面前的溶質(zhì)濃度場方程和過冷度分析獲得捧狀共晶凝固的理論模型。其中濃度場解析解的形式與層狀共晶相似，只是Fourier級數(shù)將被Bessel函數(shù)取代，最終得到過冷度ΔT、

3、凝固速率R及片間距r之間的關(guān)系為 (2-99),目錄,2024/3/13,4,按照過冷度最小原理求得 (2-100)式（2-99）和（2-100）中，Ab、Bb、K

4、 — 是由共晶組成相的物理性質(zhì)決定的常數(shù)，其中K = Bb/Ab .（3）第三組元對共晶組織的影響 在二元共晶合金結(jié)晶過程中，由于溶質(zhì)的橫向擴散比較容易，使得界面前沿的溶質(zhì)富集層很薄（只相當(dāng)于一個層片的厚度），它遠(yuǎn)小于單相合金結(jié)晶過程中的界面富集層 。,,目錄,2024/3/13,5,但當(dāng)二元共晶合金中有第三組元存在時，溶質(zhì)富集將會明顯地增強，從而擴大界面前沿的成分過冷區(qū)。如果第三組元對共晶體的兩個組成相

5、的分配系數(shù)相差懸殊，則第三組元可能僅引起其中的一個組成相產(chǎn)生特別大的成分過冷。這時，產(chǎn)生成分過冷相的層片在生長過程中將會超過另一相層片的界面而獨自伸入液相中，并通過搭橋作用將落后的一相分隔成篩網(wǎng)狀，并最終使落后的一相成為棒狀組織。,,目錄,2024/3/13,6,（4）共生區(qū) 在共晶成分左右一定區(qū)間內(nèi)的合金可能形成共晶組織，而在該區(qū)間以外的合金將首先形成枝晶，隨后在枝晶間形成共晶。共晶生長的擴展區(qū)間與溫度梯度和生長速率有

6、關(guān)，其邊界可由枝晶或胞晶與共晶競爭生長條件來確定。一般認(rèn)為僅當(dāng)枝晶或胞晶生長尖端的溫度高于共晶生長溫度時才會形成枝晶或胞晶，實用的判據(jù)是共晶生長速率。,,,目錄,2024/3/13,7,枝晶生長的尖端過冷度ΔTt與凝固速率R及溫度梯度GL的關(guān)系為 （2-101）式中TL — 合金的液相線溫

7、度； Tt — 枝晶尖端溫度； R — 凝固速率； B0 — 常數(shù)。共晶生長的過冷度為 （2-102）式中 TE — 平衡共晶溫度； Ta — 共晶界面實際生長溫度； A0 — 常數(shù)。,,,,目

8、錄,2024/3/13,8,令Ta＝Tt，則可得出共晶生長區(qū)與α相枝晶生長區(qū)的邊界（用ΔCα表示）與凝固速率R的關(guān)系為 式中，mα — α相析出時的液相線斜率； DL — 液相溶質(zhì)擴散系數(shù)； CEB－ 共晶成分的合金中B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； C0B— 實際合金中B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； GL — 溫度梯度。,,,,,目錄,2024/3/13,9,用同樣

9、方法可以確定出共晶生長區(qū)與β相區(qū)的邊界。由于生長速率通過式（2-102）或2-101）與過冷度相關(guān)，因此共晶生長區(qū)與生長速率的關(guān)系可轉(zhuǎn)換為與過冷度的關(guān)系，并可在相圖中表示出來，如圖2-42所示。這一共晶生長區(qū)稱為共生區(qū)。,2024/3/13,10,圖2-42 共晶共生區(qū),目錄,2024/3/13,11,3）非規(guī)則共晶生長 不規(guī)則共晶組織一般由金屬-非金屬（或亞金屬）相組成。兩組成相的各自性質(zhì)差別較大。金屬相的界面微觀

10、結(jié)構(gòu)往往是非小平面型（粗糙界面），這種界面以連續(xù)生長機制生長，界面各向同性，動態(tài)過冷度小，生長速率大。,2024/3/13,12,而非金屬相的界面微觀結(jié)構(gòu)往往是小平面型（光滑界面），這種界面以臺階方式生長，界面有鮮明的晶體學(xué)特性，動態(tài)過冷度大而生長速率小。小平面型可以有多種臺階生長機制，因此即使是同一種合金，由于生長條件不同而可能生成形態(tài)不同和性能各異的多種組織。這種不規(guī)則共晶的典型代表有Fe-C和A1-Si合金等。,2024/

11、3/13,13,不規(guī)則共晶的共生原理與規(guī)則共晶的共生原理相同的。物理性質(zhì)上的重大差別，而使組成相的形態(tài)與分布發(fā)生若干不規(guī)則的變化。 在不規(guī)則共晶組織中，領(lǐng)先相往往是非金屬相，它的共生區(qū)一般都向著非金屬組元的一邊偏移。 當(dāng)?shù)诙辔龀鰰r只能先在領(lǐng)先相周圍形成“暈圈”，而不能立即實現(xiàn)其共生過程。,2024/3/13,14,倘若“暈圈”是不封閉的，則隨著“暈圈”（第二相）的生長而向液相排出非金屬溶質(zhì)，使液相中的非金屬溶質(zhì)濃度升高，這樣就

12、可以使兩相回到共生區(qū)內(nèi)進行共生生長。但是，這種共生生長與規(guī)則共晶不同。在規(guī)則共晶的共生生長中，兩相的固液界面是平衡且等溫的，兩相齊頭并進，相輔相成，宏觀界面是整齊的。而不規(guī)則的共晶共生生長，其固液界面是不平衡且不等溫的，宏觀界面參差不齊，具有各向異性的特點。,2024/3/13,15,在不規(guī)則共晶生長時，非金屬相只能依靠界面上的臺階來生長，因此不容易蔓延和分叉，生長方向受到晶體學(xué)的制約。由于不規(guī)則共晶中非金屬相的分叉比較困難，使

13、得平均相間距要比規(guī)則共晶大得多，而且分布形態(tài)很不規(guī)則，如圖2-43所示。,2024/3/13,16,圖2-43 非規(guī)則共晶生長,目錄,2024/3/13,17,因此，非規(guī)則共晶在以下幾個方面不同于規(guī)則共晶： 1）凝固界面在生長過程中是各向異性的。 2）非規(guī)則共晶具有大的生長過冷度，并且共晶間距遠(yuǎn)大于規(guī)則共晶，共晶間距常遠(yuǎn)離最小過冷度原理確定的極值點。 3）非規(guī)則共晶的間距除與生長速率相關(guān)外，還依賴于溫度梯度。

14、,2024/3/13,18,4）由于大的生長過冷度，在生長界面前的液相中可能形成新的共晶晶核。 5）添加少量第三組元可對共晶組織產(chǎn)生非常大的影響。 6）隨生長速率的增大，小平面相的生長特性將減弱。,2024/3/13,19,關(guān)于非規(guī)則共晶生長的理論模型仍有待進一步完善。Magnin等認(rèn)為非規(guī)則共晶的實際生長間距λa與式（2-96）所示的最小過冷度原理確定的極值間距λ成正比，即 式中 Φ — 常數(shù)。對于A