共晶轉變

合金系中某一定化學成分的合金在一定温度下，同時由液相中結晶出兩種不同成分和不同晶體結構的固相的過程稱為共晶轉變。

兩組元在液態時相互無限互溶，在固態時有限互溶，發生共晶轉變，形成共晶組織的二元系相圖，稱為二元共晶相圖。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等合金系的相圖屬於共晶相圖，在Fe-C、A1-Mg等相圖中，也包含有共晶部分。下面以Pb-Sn相圖為例，對共晶相圖及其合金的結晶進行分析。（如圖1）

相圖中有三個單相區：即液相L及固溶體α相和β相。α相是Sn溶於Pb中的固溶體，β相是Pb溶於Sn中的固溶體。各個單相區之間有三個兩相區，即L+α、L+β和a+β。在L+a、L+β與a+β兩相區之間的水平線MEN表示a+β+L三相共存區。

在三相共存水平線所對應的温度下，成分相當於E點的液相(L_E)同時結晶出與M點相對應的α_M和N點所對應的β_N兩個相，形成兩個固溶體的混合物。這種轉變的反應式為：L_E→α_M+β_N

根據相律可知，在發生三相平衡轉變時，自由度等於零(F=2-3+1=0)，所以這一轉變必然在恆温下進行，而且三個相的成分應為恆定值，在相圖上的特徵是三個相區與水平線只有一個接觸點，其中液體單相區在中間，位於水平線之上，兩端是兩個固相單相區。這種在一定的温度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分一定的固相的轉變過程，稱為共晶轉變或共晶反應。共晶轉變的產物為兩個相的混合物，稱為共晶組織。

相圖中的MEN水平線稱為共晶線，E點稱為共晶點，E點對應的温度稱為共晶温度。成分對應於共晶點的合金稱為共晶合金。 ^[1]  成分位於共晶點以左、M點以右的合金稱為亞共晶合金，成分位於共晶點以右、N點以左的合金稱為過共晶合金。

此外，應當指出，當三相平衡時，其中任意兩相之間也必然平衡，即L-α、L-β和a-β之間也存在着相互平衡關係，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槓桿定律分別計算平衡相的含量。

上文已經介紹了共晶合金的形成過程。根據共晶混合物中兩個組成相的長大特點，即按照組成相在它們自身熔體中長大時固-液界面分類時，則共晶合金可分別屬於三種類型：

(1)非小平面—非小平面共晶，即共晶中兩個組成相的固-液界面都是非小平面的；

(2)小平面—非小平面共晶，即其中一個組成相的固-液界面是非小平面的，而另一個組成相的界面是小平面的；

(3)小平面—小平面共晶，即兩個組成相的固-液界面都是小平面的。 ^[2] 

和純金屬和固溶體合金的結晶過程一樣，共晶轉變同樣要經過形核和長大的過程。在形核時，兩個相中總有一個在先，一個在後。首先形核的相叫領先相，如果領先相是α，由於α相中的含錫量比液相中的少，多餘的錫從晶體中排出，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造了條件，而β相的形核又要排出多餘的鉛，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造了條件。於是兩相就交替地形核和長大，構成了共晶組織。進一步的研究表明，共晶組織中的兩個相都不是孤立的，β片與α片、α片與β片分別互相聯繫，共同構成一個共晶領域。這樣，兩個相就不需要反覆形核，很可能是以的“搭橋”方式形成的。 ^[3] 

共晶組織的形態很多，按其中兩相的分佈形態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4集所示。共晶組織的具體形態受到多種因素的影響。近年來有人提出，共晶組織中的兩個組成相的本質是其形態的決定性因素。在研究純金屬結晶時已知，晶體的生長形態與固液界面的結構有關。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複雜的形態，表現為針片狀或骨骼狀等。

在平衡結晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織。但當不平衡結晶時，成分在共晶點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温度範圍稱為偽共晶區，如圖5所示。由圖5可以看出，在不平衡結晶時，由於冷速較大，將會產生過冷，當液態合金過冷到兩條液相線的延長線所包圍的影線區時，就可得到共晶組織。

這是因為此時的液態合金對於α相和β相都是過飽和的，所以既可以結晶出α，又可以結晶出β，它們同時結晶出來就形成了共晶組織，圖5中的影線區即為偽共晶區。當亞共晶合金Ⅰ過冷至t₁温度以下結晶時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，可是事實並不全是這樣，實際的偽共晶區與上述的偽共晶區有不同程度的偏離，例如工業上廣泛應用的Al-Si系合金的偽共晶區就不是液相線的延長線所包圍的區域。 ^[3] 

在先共晶相數量較多而共晶組織甚少的情況下，有時共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會依附於先共晶相上生長，剩下的另一相則單獨存在於晶界處，從而使共晶組織的特徵消失，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很遠的亞共晶(或過共晶)合金中，它的共晶轉變是在已存在大量先共晶相的條件下進行的，此時如果冷卻速度十分緩慢，過冷度很小，那麼共晶中的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相易於與先共晶α相合為一體，而β相則存在於α相的晶界處。當合金成分越接近M點(或N點)時，越易發生離異共晶。

離異共晶可能給合金的性能帶來不良影響，對於不平衡結晶所出現的這種組織，經均勻化退火後，能轉變為平衡態的固溶體組織。 ^[3]