共晶體

共晶指一定成分的合金液體冷卻時，同時結晶出一定成分的兩個固相，也就是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。

以Fe-Fe₃C相圖為例，在1148°C，含碳量為2.11%~6.69%的條件下，都會發生共晶反應，即：L（液相）→γ（奧氏體）+Fe₃C（滲碳體），一液變兩固，奧氏體和滲碳體即為共晶體，其相對含量遵循槓桿原理。（按一定比例，同時結晶出來的A晶體和B晶體的機械混合物）

共晶體有各種各樣的金相形態。對於共晶體的金相組織存在着不同的從形態上的分類方法，但多數的分類法都未能表明各該類形態產生的原因。純物質晶體在熔體中生長時或者具有一些平整的界面；或者具有粗糙的非平整的彎曲界面，這取決於各物質的化學與結晶學特徵。下邊按照存在於共晶體中的兩相在各自的熔體中單獨凝固時其邊界面所取的形態把它分為如下三類：粗糙一粗糙型，平整一粗糙型、平整一平整型。對於二元素之間的簡單共晶系來説，各元素的熔解熵決定了固液問界面是平整抑或粗糙。熔解熵△S_f小於2R時為粗糙界面，大於2R者為平整界面。例如，Cu與Ag的熔解熵都低於2R，所以都具有粗糙界面，故Cu-Ag共晶體為典型的粗糙一粗糙型。Al與Si從其各自熔體中結晶時，前者具有粗糙界面，後者則有平整界面，所以AI-Si系的共晶是典型的粗糙一平整型共晶體。

許多共晶體中包含着金屬間化合物，這些化合物的熔解熵未經測定，因此無法按熔解熵來斷定它的固一液界面形態，因此只好靠直接的觀察，看看兩個共晶相在其熔體中單獨生長時採取何種界面。這樣，在假定各相單獨生長時的生長特徵在共晶反應時仍保持不變的前提下，我們就可以用兩相的生長特徵來描述共晶組織了。多數情況下這樣作是對的，但事實上除熔解熵之外，還存在其他影響共晶體形態的因素，下面還將考慮其他因素的用。

在這一類中包括所有的金屬一金屬和許多金屬一金屬間化合物的共晶。如果合金是純淨的，這類共晶可以有三種簡單形態：片層狀、帶狀或纖維狀。圖4-25給出了這三種共晶體的橫截面。在這一類共晶體中的兩個相的晶

體在生長時其晶體邊界面都不是晶體學的平面而是粗糙的界面，決定其生長形態的主要因素是熱流方向和液體中兩組元的互擴散。當各相向液體中生長時，都排出一定量的另一組元，它們必須擴散到另一相的前沿而為另一相提供生長條件。圖4—26示意表明瞭共晶體前沿液體中的互擴散情況。共晶體中兩相的生長過程是互相關聯的，為維持生長過程，在長大界面的前沿必須有交互擴散。所以每一相的生長都受另一相的影響。

大多數的金屬一金屬共晶體在生核之後的長大都採取球狀擴大的方式，即在生長速率上沒有各向異性現象，顯微結構則是兩相由核心成放射狀伸向周圍。圖4-27是Al-CuAI₂共晶體的金相結構。在該照片中還説明另一情況，在形成雙相核心之前先有單相的小晶體出現，即先生成Al晶體小球，從這小球上生長一層CuAl₂相。這個雙相晶核就成為共晶體核心。在共晶體中的每一單個片層並不是獨立形核的，X光與電子衍射結果證明，在一個共晶體中同一相的各個層片往往是由同一個晶體分出的分枝，各片層之間通過一些“橫橋”相連結。圖4－28示意説明了共晶體形核與片層分枝的機理。這個所謂“橋接機理”也可以説明共晶體球形長大時新片層的產生。在共晶反應中，一旦出現了相伴生長的兩片之後，再就不必形成新核，因為通過“橋接機理”可以發展出許多新的片層。圖4-29説明了其晶球體的發展過程。

在固態熔體合金中由於成分過冷引起的胞狀偏析現象也可能在共晶體結晶中出現。在純淨的二元共晶結晶時，每一相的出現都排出另一組元，它們被堆集在固一液界面上。這種短距離的週期性堆集不能導致連續的過冷區。但如果存在第三種元素，而且它在兩固相中分配係數都小於l，則兩相都把這種雜質排到液體中去。此時雜質在界面上的堆集將是長距離的（達數百個片間距的寬度）。如果温度梯度足夠小，則由於界面上雜質的高度集，因而在近處的液體可能成為連續地過冷狀態。出現這種成分過冷時，生長中的共晶體的平界面就不穩定了，就會發展出如同單相固溶體合金中出現的那種胞狀結構。共晶體中的胞狀結構一般被稱為“開拓地”結構。

共晶體中的片層傾向於與固液界面相垂直，當界面為平面時，層片也就接近於互相平行；當界面像胞狀的固液界面那樣成為曲面時，片層將成為發散狀，圖4－31示意地説明了這種發散狀片層結構。圖4－32是一個不純的CuAl₂-Cu共晶胞狀生長的共晶體的縱向顯微截面。可以看出，各開拓區內的片層方向互有出入，但因為各開拓區同屬於一個共晶晶粒，所以在各開拓區之內兩相的晶體學取向是一定的。開拓區並不是獨立的共晶晶粒。

在共晶温度以下可以使很大成分範圍內的液體結晶而得到共晶體的金相形態，而且可以具有穩定的平界面。在共晶温度以下的這種穩定協進生長區被稱為配對區。實驗結果表明，共晶的配對區可能有不同的形狀。圖4-33中舉了三種例子，應該強調指出，配對區的形狀與金相形態並沒有關聯。

配對區可以用雙相組織生長速度對兩個相的獨自生長速度之相對大小加以解釋。在配對區內的兩個相可以通過正常的短距離擴散機構而相協地生長，這樣的生長速度就比任一相的單獨生長速度都大。所以在配對區中當有一次相形核時，自由枝晶式的生長立即被抑止了，因為隨之就發生了共晶轉變。在配對區之外，首先有一次相生長，直到液體中另一組元被富集到能夠發生共晶轉變為止。

當兩組成相的熔點相差甚大因而共晶點偏離相圖中點很遠時，配對區將移到對於共晶成分來説不呈對稱的位置。這是因為在共晶温度以下，液體對於高熔點相的過冷度大得多，所以高熔點相的生長速度大得多，這種生長速度的差異引起了配對區的位移。 ^[1]