非小平面共晶的特点及应用探析

这类共晶包括所有金属—金属共晶（如Pb—Sn、Pb—Cd、Zn—Sn、Sn—Cd、Cd—Zn、Ag—C等）和许多由金属与金属间化合物组成的共晶（如Al—Cu Al2、Al—A13 Ni、Al—Ag2 Al等）。

由于两相生长界面都是粗糙界面，故决定界面生长的因素主要是热量的传输和两组元原子在界面前沿液相中的扩散。一般情况下按共生生长方式结晶，每一相在形核和生长过程中都受另一相的影响，两相并排析出且垂直于界面向液体中生长。最后形成两相规则排列的层片状[见图8-41（a）]、棒状[见图8-41（c）]或介于两者之间的碎片状[见图8-41（b）]。

（一）层片状共晶组织的形成

层片状共晶是非小平面—非小平面共晶最常见的共生共晶组织。共晶两相呈层片状交替排列而成。在过冷熔液中领先相（设为富含A组元的α相）先形核并生长出来。α相结晶时其界面前沿液相中富集了B组元的原子，加上α相表面又可作为β相形核的基底，故有利于β相析出。β相的析出则在其界面前沿液相富集了A组元原子，有利于α相形核。因此两相便交替形核，并以均匀的速度向各方向生长，形成球状共晶团[见图8-44（a）]。共晶团中两相层片交替形成时不需要每个层片重新形核，而是采取所谓“搭桥”形式进行[见图8-44（b）]，即β相在α相界面上形核并生长时，在其周围排出A组元原子，有利于α相析出；而这时α相不必通过在β相界面上形核，而是原有的α相在未被β相铺满处长出分枝，然后以分枝为基础长出新的α相层片，这个过程称为搭桥。

图8-44　球状共晶团

（a）球状共晶的形核及生长；（b）层片状共晶的形核与生长（搭桥式）

在共生生长过程中，两相各向其界面前沿液相中排出另一组元原子，α相界面前沿液相浓度为C Lα，而β相界面前沿液相浓度为C Lβ，如图8-45（b）所示。只有将这些原子及时扩散出去才能使界面不断生长。富集于界面上的异相原子可以向液体内部进行纵向扩散，也可以沿界面进行横向扩散。扩散速度正比于浓度梯度，而浓度梯度又决定于扩散距离和浓度差。由于横向扩散距离极短（等于两相邻层片厚度之和的一半，其值为10-3 mm数量级），且可相互提供生长所需组元的原子，因而通过横向扩散[见图8-45（c）]使界面前沿液相中横向浓度分布如图8-45（d）所示。α相前沿液相中B组元浓度小于C Lα（对α相而言，产生过饱和），而β相前沿液相中B组元浓度大于C Lβ（对β相而言，产生过饱和），因而两相共同生长且生长速度很快。

图8-45　共生生长界面前沿液相中横向的溶质浓度分布

（a）相图；（b）横向扩散前的溶质浓度分布；（c）进行横向扩散；
（d）横向扩散后的溶质浓度分布

在层片状共晶中，两相之间常有一定的晶体学取向关系，例如在Al—Cu Al2共晶中，层片界面{111}Al∥{211}Cu Al2〈110〉Al∥〈120〉Cu Al2。这种取向关系使层片界面上单位面积界面能降低。

同一相层片之间的距离称为层片间距λ，如图8-45（c）所示。它用以衡量共晶组织细化的程度，λ越小表示共晶组织越细。理论计算和实验数据均表明，在一定的冷却速度范围内，层片间距λ与生长速度R的平方根成反比，即：

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如果共晶合金中含有杂质，则在共生生长时两个组成相都要排出杂质原子，界面前沿液相中便会形成杂质富集层。当这个杂质富集层宽度较大而界面前沿液相的纵向温度梯度较小时，就会在界面前沿液相中形成成分过冷区。此时平的共晶界面将变为类似于单相合金结晶时的胞状界面。在胞状生长时，层片仍以垂直于界面的方式共生生长，故层片也产生弯曲呈放射状（见图8-46）。在杂质较多或生长速度较大情况下，胞状共晶将发展为树枝状共晶（见图8-47）。

（二）棒状共晶组织的形成

棒状共晶组织中的一个相是连续分布，另一个相以棒状沿着生长方向规则地嵌于其中，如图8-48（d）所示。棒状共晶的结晶过程基本上与层片状共晶的相似。非小平面—非小平面共晶究竟形成层片状还是棒状，主要决定于共晶组织中两相之间的总界面能以及第三组元的存在这两个因素。

1.共晶组织两相间的总界面能

根据界面能最小原理，共晶结晶时总是倾向于形成总界面能最小的组织形态。在界面能各向同性条件下，总界面能的大小正比于两相间的界面积。数学推导结果表明，界面积的大小与两相所占的体积分数有关：当一相（假设为α相）的体积分数[Vα/（Vα+Vβ）]小于1/π时，该相呈棒状时的界面积比呈层片状时的小，故α相将以棒状出现。若该相体积分数大于1/π时，该相呈层片状时的界面积比呈棒状时的小，故α相将以层片状出现。当该相体积分数约等于1/π时，则可能形成介于两者之间的短片状组织或两者同时存在的混合组织。实际上界面能并非各向同性，因此，上述以体积分数作为判据是近似的。由于层片状共晶两相之间的晶体学取向关系比棒状共晶强，故在层片状共晶中，相间界面可能是低界面能的晶面。在这种情况下，虽然一相的体积分数小于1/π，也会出现层片状共晶。

2.第三组元的影响

第三组元在共晶组织两相中的平衡分配系数是不相同的。当它们的平衡分配系数相差较大时，第三组元在一个组成相的界面前沿液相中富集而产生成分过冷，使该组成相层片生长加快，超过另一相而伸入液相中。这样，通过搭桥作用，落后的一相将被生长快的一相隔成筛网状组织，再继续发展成为棒状组织，其过程如图8-48所示。在层片状共晶的晶粒交界处往往可以看到棒状组织，其原因即在于此。

图8-46　胞状共晶

（a）示意图；（b）含杂质的Al—Cu Al2胞状共晶

图8-47　树枝状共晶

图8-48　层片状共晶转变为棒状共晶示意图