探究共晶合金的晶体成长方式

共晶成分的合金液在冷却到平衡共晶温度T E以下时[见图8-42（a）]，合金液对于α和β两组成相都处于过冷（过冷度为T E-T）和过饱和（对于α相，过饱和量为C Lα-C E；对于β相，过饱和量为C Lβ-C E）状态，从而从热力学上提供了共晶结晶的驱动力，两相趋于竞相析出。通常先析出的一个相称领先相（或称先析出相），另一相则以领先相为形核基底析出，于是使开始两相竞相析出的共晶结晶过程。

在不同的结晶条件下，可以采取共生生长方式，也可以采取离异生长方式进行共晶结晶。起决定性的因素是领先相的结晶特性、另一相在领先相表面上的形核能力和两相的生长速度等。

（一）共生生长和共生区

1.共生生长

大多数共晶合金在一般情况下是按共生生长方式进行结晶的。领先相析出后，第二相便以领先相为形核基底析出，形成具有两相共同生长的双相核心，这就是共晶形核过程。双相核心的固—液界面即为共同生长的界面，依靠溶质原子在界面前沿液相中的横向扩散，相互不断地为相邻相供应生长所需的组元，从而使两相相互促进，彼此共同合作地生长。两相共同生长称为共生生长。结果形成两相交替紧密掺合的共晶体。如果领先相在熔液中独立形核并自由生长，则形成具有球团状的辐射结构，称为球状共晶团；如果领先相与先共晶相（即初生相）相同，则领先相以先共晶相为基底长成近似于扇形的半辐射状结构，这种结构常在亚共晶或过共晶合金中观察到。在单向凝固条件下，可得到胞状生长或树枝状生长的共晶体。

2.共生区

成分在共晶点附近的合金也能得到全部共晶组织，这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。如果仅从热力学角度考虑，当合金液过冷到两条液相线的延长线所包围的范围内[见图8-42（a）中的影线区]便可获得共晶组织，因为这对α相和β相来说都具有过饱和性，既可结晶出α相又可结晶出β相。故图中影线区称为伪共晶区，也就是共生区。

图8-42　共生区（伪共晶区）

（a）仅从热力学角度考虑的共生区；（b）实际的对称型共生区；
（c）实际的非对称共生区

显然，上述考虑是不全面的，因为共生共晶的结晶过程不仅与热力学因素有关，而且在很大程度上还受动力学因素影响，即取决于两相生长速度上的差异情况。实际上的共生区只是两条液相线延长线区内的一部分，并可分为对称型和非对称型两种。(www.xing528.com)

当共晶两组元的熔点相近时，两相在共晶成分附近的形核和生长能力相当，易保持两相相互促进共同生长，因而其共生区是以共晶成分为轴线左右对称的形状，故称为对称型共生区[见图8-42（b）]；当共晶两组元的熔点相差悬殊时，共晶点通常偏向于低熔点组元一侧，则低熔点相的成分与共晶成分的差别较小，而高熔点相的成分与共晶成分的差别甚大。由于浓度起伏和扩散的关系，低熔点相比高熔点相易于形核，生长速度也较快，因此不能获得全部共晶，而是得到以低熔点相为初晶的亚共晶组织。为使共生生长，则需合金液在含更多高熔点组元成分的条件下进行共晶转变，故共生区便失去对称型而偏向于高熔点组元，形成非对称型共生区[见图8-42（c）]。它可用以解释共晶成分的A1—Si合金在快冷条件下得到的组织并非全部共晶组织，而是亚共晶组织；同理，也可以说明过共晶成分的Al—Si合金在快冷条件下可能获得全部共晶组织或亚共晶组织。合金液在一定的成分条件下，可以直接过冷到共生区内结晶，也可以在一定的过冷条件下先析出先共晶相，使剩余的液相成分向浓度高的方向变化而进入共生区。合金液一旦进入共生区便能共生生长，获得共晶组织。

（二）离异生长和离异共晶

有些情况下合金液不能进入共生区，此时共晶成分的剩余液相在进行共晶转变时没有共生生长界面，共晶中的两相各自独立生长，因而在形成的组织中没有共晶的一般特征。这种共晶结晶方式称为离异生长，获得的组织称离异共晶。

有三种在不同情况下产生的离异共晶。

（1）成分远离共晶点但又处于共晶线范围的合金。其先共晶相（初晶）数量远多于共晶数量，初晶长得很大时剩余液相才进行共晶转变，共晶中与初晶相同的相会依附在初晶上生长，而把另一相推向最后凝固的晶界或枝晶间。例如，钢中的FeS—Fe共晶往往是离异共晶，Fe依附在奥氏体上生长，而FeS单独分布于晶界上。又如，工业纯铜中含有微量氧时，Cu—Cu2 O共晶中的Cu2 O单独出现在晶界上[见图8-43（a）]。固态有限溶解的共晶系合金中，成分接近最大固溶度的固溶体合金，在非平衡结晶时会出现少量共晶成分的剩余液相，这些液相在共晶转变时也往往是离异生长。例如，w Cu=4%的A1—Cu合金，非平衡共晶中的αA1相依附在初晶αA1相上生长，而剩余的Cu Al2相分布于晶界和枝晶间[见图8-43（b）]。

图8-43　离异共晶的几个实例

（a）w O＜0.05%的工业纯铜；（b）w Cu=4%的Al—Cu合金；（c）w Pb=30%的铅青铜；（d）球墨铸铁

（2）在成分偏离共晶点，共晶中与初晶相同的一相不能作为另一相的形核基底，或另一相因液相过冷太甚而析出受阻情况下，初晶相继续长大而把另一相留在枝晶间。Al—Sn合金共晶体中的Sn、Cu—Pb合金共晶体中的Pb都属这类情况。图8-43（c）是w Pb=30%的Cu—Pb合金的金相组织，铅相分布于铜的晶界和枝晶间。

（3）当先析出相表面能形成另一相完整的“晕圈”时，将形成先析出相呈球团状的离异共晶。在这种情况下，先析出相表面是另一相形核的良好基底，因而共晶转变时先析出相周围富集了另一组元原子，使另一相很快在先析出相表面形核并生长成完整的壳（称为晕圈）。这层壳将先析出相与液相完全隔离，先析出相要继续生长，其原子只能通过外壳的扩散进行。典型的例子是球墨铸铁的共晶团，奥氏体壳包围着石墨球[见图8-43（d）]。