包晶和偏晶合金的凝固优化建议：包晶和偏晶合金的凝固过程

1.包晶合金的凝固

很多工业上常用的合金都具有包晶反应。典型的包含包晶反应的平衡相图如图4-21所示。其特点是：①液相完全互溶，固相中部分互溶或完全不互溶；②有一对固、液相线的分配系数大于1。以图4-21中成分为C0的合金为例，在冷却到T1时析出α，冷却到Tp（包晶反应温度）时发生包晶反应：

在包晶反应过程中，α相要不断分解，直至完全消失；与此同时，β相要形核长大。β相的形核可以以α相为基底，也可以从液相中直接形成。平衡凝固要求溶质组元在两个固相及一个液相中进行充分的扩散，但实际上穿过固、液两相区时冷却速度很快，非平衡凝固则是经常的。

图4-21　包晶平衡相图

2.偏晶合金的凝固

偏晶合金系的相图如图4-22所示，具有偏晶成分的合金Cm，冷却到偏晶反应温度Tm以下时，即发生偏晶反应：

反应的结果是从液相L1中分解出固相α和新的液相L2。L2在α四周形成并包围着α。其凝固特点与棒状共晶非常相似。

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图4-22　偏晶平衡图

根据偏晶合金中固相α与液相L1的界面能σSL1、固相α与液相L2的界面能σSL2及液相L1、L2的界面能σL1L2间的相互关系，将偏晶合金的凝固分三种情况讨论。

图4-23　偏晶的凝固方式

1)σSL2>σSL1+σL1L2

此时，液相L2不能润湿固相α（见图4-23（a）），新析出的液相将不依赖于固相进行异质形核，而是在固-液界面的前沿液相中形核，并因两种液体密度的不同而出现上浮或下沉现象。在由下而上的定向凝固时，若L2液滴上浮的速度大于固-液界面推进速度R，L2将上升到液相L1的顶部，结果下部全为α相，上部全为β相。利用这种原理可以制取无偏析和成分过冷的α单晶。如半导体化合物HgTe单晶，就是利用这一原理由偏晶系Hg-Te制取的，因为在这种情况下不会形成棒状结构。但当固-液界面的推进速度大于L2液滴的上浮速度时，则液滴L2将紧紧地与α相相结合，且液滴L2将被α相包围，而排出的B组元原子继续供给L2长大，从而使液滴在长度方向拉长，使生长进入稳定态，结果形成棒状结构，例如Cu-Pb偏晶合金定向凝固就能获得这样的组织结构。

2)σSL2=σSL1+σL1L2cosθ

此时，液滴L2可部分地润湿固相（见图4-23（b），0°<θ<180°），并在生长过程中被固相拉长，形成棒状凝固组织。

3)σSL2<σSL1-σL1L2

此时，液滴L2可完全润湿固相（见图4-23（c），θ=0°），固相被液相L2封闭时，不可能出现稳定状态，α相只能继续地在L1—L2界面上形成，最终获得α相和β相交替的分层组织。然而在实际凝固过程中，这种情况是少见的。