共晶体

一定成分的合金液体冷却时，同时结晶出一定成分的两个固相

共晶成分的合金，两组成相同时凝固而获得由两相细密混合物所构成的组织。

简介

共晶指一定成分的合金液体冷却时，同时结晶出一定成分的两个固相，也就是合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。

以Fe-Fe3C相图为例，在1148°C，含碳量为2.11%~6.69%的条件下，都会发生共晶反应，即：L（液相）→γ（奥氏体）+Fe3C（渗碳体），一液变两固，奥氏体和渗碳体即为共晶体，其相对含量遵循杠杆原理。（按一定比例，同时结晶出来的A晶体和B晶体的机械混合物）

共晶体的金相结构

共晶体有各种各样的金相形态。对于共晶体的金相组织存在着不同的从形态上的分类方法，但多数的分类法都未能表明各该类形态产生的原因。纯物质晶体在熔体中生长时或者具有一些平整的界面；或者具有粗糙的非平整的弯曲界面，这取决于各物质的化学与结晶学特征。下边按照存在于共晶体中的两相在各自的熔体中单独凝固时其边界面所取的形态把它分为如下三类：粗糙一粗糙型，平整一粗糙型、平整一平整型。对于二元素之间的简单共晶系来说，各元素的熔解熵决定了固液问界面是平整抑或粗糙。熔解熵△Sf小于2R时为粗糙界面，大于2R者为平整界面。例如，Cu与Ag的熔解熵都低于2R，所以都具有粗糙界面，故Cu-Ag共晶体为典型的粗糙一粗糙型。Al与Si从其各自熔体中结晶时，前者具有粗糙界面，后者则有平整界面，所以AI-Si系的共晶是典型的粗糙一平整型共晶体。

许多共晶体中包含着金属间化合物，这些化合物的熔解熵未经测定，因此无法按熔解熵来断定它的固一液界面形态，因此只好靠直接的观察，看看两个共晶相在其熔体中单独生长时采取何种界面。这样，在假定各相单独生长时的生长特征在共晶反应时仍保持不变的前提下，我们就可以用两相的生长特征来描述共晶组织了。多数情况下这样作是对的，但事实上除熔解熵之外，还存在其他影响共晶体形态的因素，下面还将考虑其他因素的用。

粗糙-粗糙型共晶体

在这一类中包括所有的金属一金属和许多金属一金属间化合物的共晶。如果合金是纯净的，这类共晶可以有三种简单形态：片层状、带状或纤维状。图4-25给出了这三种共晶体的横截面。在这一类共晶体中的两个相的晶

体在生长时其晶体边界面都不是晶体学的平面而是粗糙的界面，决定其生长形态的主要因素是热流方向和液体中两组元的互扩散。当各相向液体中生长时，都排出一定量的另一组元，它们必须扩散到另一相的前沿而为另一相提供生长条件。图4—26示意表明了共晶体前沿液体中的互扩散情况。共晶体中两相的生长过程是互相关联的，为维持生长过程，在长大界面的前沿必须有交互扩散。所以每一相的生长都受另一相的影响。

大多数的金属一金属共晶体在生核之后的长大都采取球状扩大的方式，即在生长速率上没有各向异性现象，显微结构则是两相由核心成放射状伸向周围。图4-27是Al-CuAI2共晶体的金相结构。在该照片中还说明另一情况，在形成双相核心之前先有单相的小晶体出现，即先生成Al晶体小球，从这小球上生长一层CuAl2相。这个双相晶核就成为共晶体核心。在共晶体中的每一单个片层并不是独立形核的，X光与电子衍射结果证明，在一个共晶体中同一相的各个层片往往是由同一个晶体分出的分枝，各片层之间通过一些“横桥”相连结。图4－28示意说明了共晶体形核与片层分枝的机理。这个所谓“桥接机理”也可以说明共晶体球形长大时新片层的产生。在共晶反应中，一旦出现了相伴生长的两片之后，再就不必形成新核，因为通过“桥接机理”可以发展出许多新的片层。图4-29说明了其晶球体的发展过程。

杂质对金属-金属共晶的影响

在固态熔体合金中由于成分过冷引起的胞状偏析现象也可能在共晶体结晶中出现。在纯净的二元共晶结晶时，每一相的出现都排出另一组元，它们被堆集在固一液界面上。这种短距离的周期性堆集不能导致连续的过冷区。但如果存在第三种元素，而且它在两固相中分配系数都小于l，则两相都把这种杂质排到液体中去。此时杂质在界面上的堆集将是长距离的（达数百个片间距的宽度）。如果温度梯度足够小，则由于界面上杂质的高度集，因而在近处的液体可能成为连续地过冷状态。出现这种成分过冷时，生长中的共晶体的平界面就不稳定了，就会发展出如同单相固溶体合金中出现的那种胞状结构。共晶体中的胞状结构一般被称为“开拓地”结构。

共晶体中的片层倾向于与固液界面相垂直，当界面为平面时，层片也就接近于互相平行；当界面像胞状的固液界面那样成为曲面时，片层将成为发散状，图4－31示意地说明了这种发散状片层结构。图4－32是一个不纯的CuAl2-Cu共晶胞状生长的共晶体的纵向显微截面。可以看出，各开拓区内的片层方向互有出入，但因为各开拓区同属于一个共晶晶粒，所以在各开拓区之内两相的晶体学取向是一定的。开拓区并不是独立的共晶晶粒。

共晶的协进生长区

在共晶温度以下可以使很大成分范围内的液体结晶而得到共晶体的金相形态，而且可以具有稳定的平界面。在共晶温度以下的这种稳定协进生长区被称为配对区。实验结果表明，共晶的配对区可能有不同的形状。图4-33中举了三种例子，应该强调指出，配对区的形状与金相形态并没有关联。

配对区可以用双相组织生长速度对两个相的独自生长速度之相对大小加以解释。在配对区内的两个相可以通过正常的短距离扩散机构而相协地生长，这样的生长速度就比任一相的单独生长速度都大。所以在配对区中当有一次相形核时，自由枝晶式的生长立即被抑止了，因为随之就发生了共晶转变。在配对区之外，首先有一次相生长，直到液体中另一组元被富集到能够发生共晶转变为止。

当两组成相的熔点相差甚大因而共晶点偏离相图中点很远时，配对区将移到对于共晶成分来说不呈对称的位置。这是因为在共晶温度以下，液体对于高熔点相的过冷度大得多，所以高熔点相的生长速度大得多，这种生长速度的差异引起了配对区的位移。

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