合金系中某一定化學(xué)成分的合金在一定溫度下，同時(shí)由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變必然在恒溫下進(jìn)行，而且三個(gè)相的成分應(yīng)為恒定值，在相圖上的特征是三個(gè)相區(qū)與水平線只有一個(gè)接觸點(diǎn)，其中液體單相區(qū)在中間，位于水平線之上，兩端是兩個(gè)固相單相區(qū)。
基本概念
合金系中某一定化學(xué)成分的合金在一定溫度下，同時(shí)由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。
兩組元在液態(tài)時(shí)相互無限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖，稱為二元共晶相圖。等合金系的相圖屬于共晶相圖，在等相圖中，也包含有共晶部分。下面以相圖為例，對(duì)共晶相圖及其合金的結(jié)晶進(jìn)行分析。（如右圖）
相圖中有三個(gè)單相區(qū)：即液相L及固溶體α相和β相。α相是Sn溶于Pb中的固溶體，β相是Pb溶于Sn中的固溶體。各個(gè)單相區(qū)之間有三個(gè)兩相區(qū)，即和。在與兩相區(qū)之間的水平線MEN表示三相共存區(qū)。
在三相共存水平線所對(duì)應(yīng)的溫度下，成分相當(dāng)于E點(diǎn)的液相(L)同時(shí)結(jié)晶出與M點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的α和N點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的β兩個(gè)相，形成兩個(gè)固溶體的混合物。這種轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為：
轉(zhuǎn)變特點(diǎn)
根據(jù)相律可知，在發(fā)生三相平衡轉(zhuǎn)變時(shí)，自由度等于零()，所以這一轉(zhuǎn)變必然在恒溫下進(jìn)行，而且三個(gè)相的成分應(yīng)為恒定值，在相圖上的特征是三個(gè)相區(qū)與水平線只有一個(gè)接觸點(diǎn)，其中液體單相區(qū)在中間，位于水平線之上，兩端是兩個(gè)固相單相區(qū)。這種在一定的溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分一定的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩個(gè)相的混合物，稱為共晶組織。
相圖中的MEN水平線稱為共晶線，E點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度。成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金稱為共晶合金。成分位于共晶點(diǎn)以左、M點(diǎn)以右的合金稱為亞共晶合金，成分位于共晶點(diǎn)以右、N點(diǎn)以左的合金稱為過共晶合金。
此外，應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)三相平衡時(shí)，其中任意兩相之間也必然平衡，即和之間也存在著相互平衡關(guān)系，ME、EN和MN分別為它們之間的連接線，在這種情況下就可以利用杠桿定律分別計(jì)算平衡相的含量。
共晶合金
上文已經(jīng)介紹了共晶合金的形成過程。根據(jù)共晶混合物中兩個(gè)組成相的長大特點(diǎn)，即按照組成相在它們自身熔體中長大時(shí)固-液界面分類時(shí)，則共晶合金可分別屬于三種類型：
(1)非小平面—非小平面共晶，即共晶中兩個(gè)組成相的固-液界面都是非小平面的；
(2)小平面—非小平面共晶，即其中一個(gè)組成相的固-液界面是非小平面的，而另一個(gè)組成相的界面是小平面的；
(3)小平面—小平面共晶，即兩個(gè)組成相的固-液界面都是小平面的。
轉(zhuǎn)變過程
和純金屬和固溶體合金的結(jié)晶過程一樣，共晶轉(zhuǎn)變同樣要經(jīng)過形核和長大的過程。在形核時(shí)，兩個(gè)相中總有一個(gè)在先，一個(gè)在后。首先形核的相叫領(lǐng)先相，如果領(lǐng)先相是α，由于α相中的含錫量比液相中的少，多余的錫從晶體中排出，使界面附近的液相中錫量富集。這就給β相的形成在成分上創(chuàng)造了條件，而β相的形核又要排出多余的鉛，使界面前沿液相中鉛量富集，這又給α相的形核在成分上創(chuàng)造了條件。于是兩相就交替地形核和長大，構(gòu)成了共晶組織。進(jìn)一步的研究表明，共晶組織中的兩個(gè)相都不是孤立的，β片與α片、α片與β片分別互相聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)共晶領(lǐng)域。這樣，兩個(gè)相就不需要反復(fù)形核，很可能是以的“搭橋”方式形成的。
組織形態(tài)
共晶組織的形態(tài)很多，按其中兩相的分布形態(tài)可將它們分為層片狀、棒狀(條狀或纖維狀)、球狀(短棒狀)、針片狀、螺旋狀等，如圖集所示。共晶組織的具體形態(tài)受到多種因素的影響。近年來有人提出，共晶組織中的兩個(gè)組成相的本質(zhì)是其形態(tài)的決定性因素。在研究純金屬結(jié)晶時(shí)已知，晶體的生長形態(tài)與固液界面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬的界面為粗糙界面，亞金屬和非金屬為光滑界面。因此，金屬-金屬型的兩相共晶組織大多為層片狀或棒狀，金屬．非金屬型的兩相共晶組織常具有復(fù)雜的形態(tài)，表現(xiàn)為針片狀或骨骼狀等。
相關(guān)概念
偽共晶
在平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織。但當(dāng)不平衡結(jié)晶時(shí)，成分在共晶點(diǎn)附近的亞共晶或過共晶合金，也可能得到全部共晶組織。這種非共晶成分的合金所得到共晶組織稱為偽共晶。
通常將形成全部共晶組織的成分和溫度范圍稱為偽共晶區(qū)，如下圖所示。由圖可以看出，在不平衡結(jié)晶時(shí)，由于冷速較大，將會(huì)產(chǎn)生過冷，當(dāng)液態(tài)合金過冷到兩條液相線的延長線所包圍的影線區(qū)時(shí)，就可得到共晶組織。
這是因?yàn)榇藭r(shí)的液態(tài)合金對(duì)于α相和β相都是過飽和的，所以既可以結(jié)晶出α，又可以結(jié)晶出β，它們同時(shí)結(jié)晶出來就形成了共晶組織，圖中的影線區(qū)即為偽共晶區(qū)。當(dāng)亞共晶合金Ⅰ過冷至t溫度以下結(jié)晶時(shí)就可以得到全部的共晶組織。從形式上看，越靠近共晶成分的合金越容易得到偽共晶組織，可是事實(shí)并不全是這樣，實(shí)際的偽共晶區(qū)與上述的偽共晶區(qū)有不同程度的偏離，例如工業(yè)上廣泛應(yīng)用的Al-Si系合金的偽共晶區(qū)就不是液相線的延長線所包圍的區(qū)域。
離異共晶
在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下，有時(shí)共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會(huì)依附于先共晶相上生長，剩下的另一相則單獨(dú)存在于晶界處，從而使共晶組織的特征消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。離異共晶可以在平衡條件下獲得，也可以在不平衡條件下獲得。例如，在合金成分偏離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn)的亞共晶(或過共晶)合金中，它的共晶轉(zhuǎn)變是在已存在大量先共晶相的條件下進(jìn)行的，此時(shí)如果冷卻速度十分緩慢，過冷度很小，那么共晶中的α相如果在已有的先共晶相α上長大，要比重新形核再長大容易得多。這樣，α相易于與先共晶α相合為一體，而β相則存在于α相的晶界處。當(dāng)合金成分越接近M點(diǎn)(或N點(diǎn))時(shí)，越易發(fā)生離異共晶。
離異共晶可能給合金的性能帶來不良影響，對(duì)于不平衡結(jié)晶所出現(xiàn)的這種組織，經(jīng)均勻化退火后，能轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鈶B(tài)的固溶體組織。
參考資料 >