[科普中國(guó)]-包晶合金

包晶合金是指在金屬結(jié)晶的過(guò)程中，晶粒的生長(zhǎng)是由內(nèi)而外生長(zhǎng)，同時(shí)表面還有另外一相金屬與其互溶，形成包晶合金。其特點(diǎn)是：①液相中完全互溶；固相中部分互溶或完全不互溶；②有一對(duì)固、液相線的分配系數(shù)小于1，另一對(duì)固、液相線的分配系數(shù)大于1。

凝固過(guò)程具有包晶反應(yīng)的合金在工程材料中是屢見(jiàn)不鮮的，例女Fe-C合金含w(C)在0.1%～0.5%的鋼，Cu-Zn合金，Sn-Sb合金等。典型的包晶反應(yīng)相圖如圖一所示。

這是選擇具有典型包晶凝固特征的w(Co)成分的合金作為研究對(duì)象。該合金首先析出α枝晶，在α枝晶的長(zhǎng)大過(guò)程中，組元B在液相中富集，導(dǎo)致液相成分沿相圖中的液相線變化。當(dāng)溫度降至Tp時(shí)，則發(fā)生包晶反應(yīng)Lp+α=β。β相在α相表面發(fā)生異質(zhì)形核，并很快沿表面生長(zhǎng)，將α相包裹在中間。進(jìn)一步的包晶反應(yīng)通過(guò)β相內(nèi)的擴(kuò)散進(jìn)行。組元B自β與L界面向α與β界面擴(kuò)散，導(dǎo)致α與β界面向儀相一側(cè)擴(kuò)展，而組元A則自α與β界面向B與L界面擴(kuò)散并導(dǎo)致該界面向液相擴(kuò)展，最后完成包晶凝固反應(yīng)。由于固相擴(kuò)散速度比較緩慢，利于僅相的大量形核。通常人們正是利用這一特點(diǎn)，進(jìn)行細(xì)化晶粒的。由于包層對(duì)溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散的屏障作用，使得包晶反應(yīng)不易繼續(xù)進(jìn)行下去，也就是包晶反應(yīng)產(chǎn)物儀相不易繼續(xù)長(zhǎng)大，因而獲得細(xì)小的晶粒組織。

平衡結(jié)晶這里所謂的平衡也是指結(jié)晶過(guò)程中各相的成分能按狀態(tài)圖的要求而充分均化。設(shè)有成分為C0的液態(tài)合金，在冷到T1以下有一定過(guò)冷時(shí)，開(kāi)始析出成分為α1的新相。隨著溫度的繼續(xù)降低，α相不斷生長(zhǎng)，同時(shí)還可能繼續(xù)析出新的α晶體，α的成分沿固相線AD變化，液相不斷減少，剩余的液體成分沿液相線AB變化。待溫度到達(dá)Tp時(shí)，α的成分為D，液體的成分為B，以后就產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變?chǔ)羛+ Lb=βp1

包晶轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)包晶轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是液體中的B原子繼續(xù)向α內(nèi)溶解而使A原子的排列方式產(chǎn)生改變，由α的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣碌慕Y(jié)構(gòu)，而β相的固溶能力較強(qiáng)，在Tp時(shí)的成分為P?？梢?jiàn)，包晶轉(zhuǎn)變必須伴隨著B(niǎo)原子向α相擴(kuò)散和溶解的過(guò)程，因此這個(gè)反應(yīng)只能在α相表面進(jìn)行。先在表面進(jìn)行包晶轉(zhuǎn)變形成β層，然后B原子擴(kuò)散通過(guò)β層向α相界面輸送，使α不斷轉(zhuǎn)變?yōu)锽，即β的界面不斷向α內(nèi)推進(jìn)，直到全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢玫骄鶆虺煞值摩孪唷?/p>

如同所有結(jié)晶過(guò)程一樣，包晶轉(zhuǎn)變也要求一定的過(guò)冷，設(shè)包晶轉(zhuǎn)變?cè)跍囟萒時(shí)進(jìn)行，過(guò)冷度為(Tp-T)，過(guò)冷時(shí)，在β-α界面上α的濃度為C，β的濃度為Cd。在β-L界面上，L的濃度為C，β的濃度為Cd?？梢?jiàn)β相兩個(gè)界面上的成分是不同的，存在一個(gè)濃度梯度，因此B原子要從β-L界面不斷向β→α界面擴(kuò)散。2

不平衡結(jié)晶在實(shí)際情況下，液體和固體中的原子擴(kuò)散都是不充分的。α相生長(zhǎng)時(shí)，由于界面前成分過(guò)冷，一般都以枝晶狀生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)時(shí)還存在著晶內(nèi)偏析。真正的包晶轉(zhuǎn)變僅產(chǎn)生于α和液體直接接觸時(shí)。a+L→β產(chǎn)生的β相在α樹(shù)枝表面的析出也有一個(gè)生核和生長(zhǎng)過(guò)程。如果β相與α相之間存在較好的界面共格關(guān)系，β相容易以α表面作為襯底而生核析出。對(duì)一系列包晶合金的考查表明，許多包晶系中α和B之間存在著良好的界面共格關(guān)系，例如Fe-C系中的δ和γ相，Al-Ti系中的TiAl3和α之間等等。β可以在一個(gè)α枝晶表面的許多部位進(jìn)行生核，它們?cè)谏L(zhǎng)過(guò)程中逐漸合并在一起，但有的晶核在生長(zhǎng)過(guò)程中可能產(chǎn)生位向的偏移或在生長(zhǎng)界面前沿出現(xiàn)雜質(zhì)的富集，它們與從鄰近晶核長(zhǎng)出的晶體間出現(xiàn)晶界，于是一個(gè)α枝晶上可能生長(zhǎng)出幾個(gè)β晶體，好像β晶粒把原有的α枝晶分割成幾部分，這種現(xiàn)象稱為?；?。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

侯傳濤 - 副教授 - 青島大學(xué)