共晶合金

共晶合金

共晶合金是指處於共晶點成分,凝固組織全部由共晶體組成的合金。組成共晶相圖的兩組元,在液態可以無限互溶,在固態只能部分互溶,甚至完全不溶。兩組元的混合物使合金的熔點比各組元低,因此,液相線從兩端純組元向中間凹下,兩條液相線的交點所對應的溫度稱為共晶溫度。在該溫度下,液相通過共晶凝固同時結晶出兩個固相,這樣的兩相的混合物稱為共晶組織或共晶體。共晶成分合金的組成:α+β兩相混合組織。對於共晶合金來說,有固定的熔點,就像純金屬一樣。

共晶合金的分類及共晶組織的特點


分類

共晶合金分為規則共晶和非規則共晶。

共晶組織的特點

1.規則共晶
由金屬—金屬相或金屬—金屬間化合物相,即非小平面—非小平面相組成;
組成相的形態為規則的棒狀或層片狀。具體形狀由兩相界面能決定。
2.非規則共晶
(1)由金屬—非金屬相(非小平面—小平面)和非金屬—非金屬(小平面—小平面)相組成;
(2)組織形態隨凝固條件不同(成分、冷速、冶金處理)而變化;
(3)小平面相各向異性,晶體長大有強烈的方向性;
(4)組織形態多種多樣。

共晶合金的結晶方式


當合金液過冷到兩相液相線的延長線所包圍的影線區內時,導致熔體內兩相組元的過飽和,提供了共晶結晶的驅動力,兩相傾向同時析出。實際上,析出總有先後,先析出相為領先相,然後在表面析出另一相。在不同條件下,共晶合金可採取兩種方式進行結晶:共生生長和 離異生長。

共生生長

結晶時,后析出相依附於領先相表面析出,形成具有兩相共同生長界面的雙相核心,然後依靠溶質原子在界面前沿兩相間橫向擴散,互相不斷為對方提供生長所需組元,使兩相彼此合作、一起向前生長,稱共生生長。
兩相共同生長的固液界面稱共生界面。領先相獨立生核,並在自由生長條件下長大的共晶體,具有球團形輻射狀結構,稱共晶團。

離異生長和離異共晶

若共晶兩相沒有共同的生長界面,它們各以不同速度獨立生長,兩相析出在時間和空間上都彼此分離,形成組織中沒有共生共晶特徵。這種共晶結晶方式為離異生長,形成的組織稱離異共晶。
離異共晶分“晶間偏析型”和“暈圈型”兩種類型。
1.“晶間偏析型”離異共晶
(1)由系統本身的原因所引起:如果合金成分偏離共晶點很遠,初晶相長得很大,共晶成分的殘留液體很少,類似於薄膜分佈於枝晶之間。當共晶轉變時,一相就在初晶相的枝晶上繼續長出,面把另一相單獨留在枝晶間。
(2)由另一相的生核困難所引起:合金偏離共晶成分,初晶相長得較大,如另一相不能以初生相為襯底而生核,或因液體過冷傾向大使該相析出受阻時,初生相就繼續長大而把另一相留在枝晶間。
2.“暈圈型”離異共晶形成
在兩相性質差別較大的非小晶面—小晶面共晶合金中能更經常地見到這種暈圈組織。由於兩相在生核能力和生長速度上的差別,第二相環繞著領先相表面生長而形成一種鑲邊外圍層的情況,此外圍層稱為“暈圈” 。

近平衡狀態下的共晶共生區


平衡條件下,只有共晶成分合金才能獲得100%共晶組織。近平衡條件下,即使非共晶成分合金,當較快冷卻到兩條液相線延長線所包圍的影線區時,也能獲得100%共晶組織。這樣由非共晶成分獲得的共晶組織為偽共晶組織。影線區域稱共晶共生區(僅從熱力學觀點考慮)。實際共晶共生區必須將熱力學和動力學因素綜合考慮。實際共晶共生區可分為對稱型和非對稱型。

對稱型共晶共生區條件

(1)組成共晶的兩個組元熔點相近;
(2)兩條液相線形狀彼此對稱;
(3)共晶兩相性質相近;
(4)兩相在共晶成分附近析出能力相當,易於形成彼此依附的雙相核心;
(5)兩相在共晶成分附近擴散能力接近,易於保持兩相等速協同生長。
非小平面—非小平面(或金屬—金屬)共晶合金的共生區屬此類。

非對稱型共晶共生區條件

(1)組成共晶的兩個組元熔點相差較大;
(2)兩條液相線形狀不對稱,共晶點通常靠近低熔點組元一側;
(3)共晶兩相性質相差很大;
(4)高熔點相易於析出,為領先相,其生長速度也較快,對原子的需求較多;
(5)為滿足共生生長條件,需要在含較多高熔點組元的合金成分下進行共晶轉變,所以共晶區要偏向高熔點組元一側。兩相性質差別越大,偏離越嚴重。
大多數非小平面—小平面(或金屬—非金屬)共晶合金的共生區屬此類。