[科普中国]-共晶转变

合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。这一转变必然在恒温下进行，而且三个相的成分应为恒定值，在相图上的特征是三个相区与水平线只有一个接触点，其中液体单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。

共晶转变合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。

两组元在液态时相互无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图，称为二元共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等合金系的相图属于共晶相图，在Fe-C、A1-Mg等相图中，也包含有共晶部分。下面以Pb-Sn相图为例，对共晶相图及其合金的结晶进行分析。（如右图）

相图中有三个单相区：即液相L及固溶体α相和β相。α相是Sn溶于Pb中的固溶体，β相是Pb溶于Sn中的固溶体。各个单相区之间有三个两相区，即L+α、L+β和a+β。在L+a、L+β与a+β两相区之间的水平线MEN表示a+β+L三相共存区。

在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相(LE)同时结晶出与M点相对应的αM和N点所对应的βN两个相，形成两个固溶体的混合物。这种转变的反应式为：LE→αM+βN

转变特点根据相律可知，在发生三相平衡转变时，自由度等于零(F=2-3+1=0)，所以这一转变必然在恒温下进行，而且三个相的成分应为恒定值，在相图上的特征是三个相区与水平线只有一个接触点，其中液体单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。这种在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物为两个相的混合物，称为共晶组织。

相图中的MEN水平线称为共晶线，E点称为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度。成分对应于共晶点的合金称为共晶合金。1成分位于共晶点以左、M点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于共晶点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。

此外，应当指出，当三相平衡时，其中任意两相之间也必然平衡，即L-α、L-β和a-β之间也存在着相互平衡关系，ME、EN和MN分别为它们之间的连接线，在这种情况下就可以利用杠杆定律分别计算平衡相的含量。

共晶合金上文已经介绍了共晶合金的形成过程。根据共晶混合物中两个组成相的长大特点，即按照组成相在它们自身熔体中长大时固-液界面分类时，则共晶合金可分别属于三种类型：

(1)非小平面—非小平面共晶，即共晶中两个组成相的固-液界面都是非小平面的；

(2)小平面—非小平面共晶，即其中一个组成相的固-液界面是非小平面的，而另一个组成相的界面是小平面的；

(3)小平面—小平面共晶，即两个组成相的固-液界面都是小平面的。2

转变过程和纯金属和固溶体合金的结晶过程一样，共晶转变同样要经过形核和长大的过程。在形核时，两个相中总有一个在先，一个在后。首先形核的相叫领先相，如果领先相是α，由于α相中的含锡量比液相中的少，多余的锡从晶体中排出，使界面附近的液相中锡量富集。这就给β相的形成在成分上创造了条件，而β相的形核又要排出多余的铅，使界面前沿液相中铅量富集，这又给α相的形核在成分上创造了条件。于是两相就交替地形核和长大，构成了共晶组织。进一步的研究表明，共晶组织中的两个相都不是孤立的，β片与α片、α片与β片分别互相联系，共同构成一个共晶领域。这样，两个相就不需要反复形核，很可能是以的“搭桥”方式形成的。3

组织形态共晶组织的形态很多，按其中两相的分布形态可将它们分为层片状、棒状(条状或纤维状)、球状(短棒状)、针片状、螺旋状等，如图集所示。共晶组织的具体形态受到多种因素的影响。近年来有人提出，共晶组织中的两个组成相的本质是其形态的决定性因素。在研究纯金属结晶时已知，晶体的生长形态与固液界面的结构有关。金属的界面为粗糙界面，亚金属和非金属为光滑界面。因此，金属-金属型的两相共晶组织大多为层片状或棒状，金属．非金属型的两相共晶组织常具有复杂的形态，表现为针片状或骨骼状等。

相关概念伪共晶在平衡结晶条件下，只有共晶成分的合金才能获得完全的共晶组织。但当不平衡结晶时，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金，也可能得到全部共晶组织。这种非共晶成分的合金所得到共晶组织称为伪共晶。

通常将形成全部共晶组织的成分和温度范围称为伪共晶区，如下图所示。由图可以看出，在不平衡结晶时，由于冷速较大，将会产生过冷，当液态合金过冷到两条液相线的延长线所包围的影线区时，就可得到共晶组织。

这是因为此时的液态合金对于α相和β相都是过饱和的，所以既可以结晶出α，又可以结晶出β，它们同时结晶出来就形成了共晶组织，图中的影线区即为伪共晶区。当亚共晶合金Ⅰ过冷至t1温度以下结晶时就可以得到全部的共晶组织。从形式上看，越靠近共晶成分的合金越容易得到伪共晶组织，可是事实并不全是这样，实际的伪共晶区与上述的伪共晶区有不同程度的偏离，例如工业上广泛应用的Al-Si系合金的伪共晶区就不是液相线的延长线所包围的区域。3

离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，会依附于先共晶相上生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。离异共晶可以在平衡条件下获得，也可以在不平衡条件下获得。例如，在合金成分偏离共晶点很远的亚共晶(或过共晶)合金中，它的共晶转变是在已存在大量先共晶相的条件下进行的，此时如果冷却速度十分缓慢，过冷度很小，那么共晶中的α相如果在已有的先共晶相α上长大，要比重新形核再长大容易得多。这样，α相易于与先共晶α相合为一体，而β相则存在于α相的晶界处。当合金成分越接近M点(或N点)时，越易发生离异共晶。

离异共晶可能给合金的性能带来不良影响，对于不平衡结晶所出现的这种组织，经均匀化退火后，能转变为平衡态的固溶体组织。3

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学