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合金过冷至T1温度时开始凝固,首先析出的固相成分为a1,液相成分则为L1。继续冷至T2紫铜止水片温度时,析出的固相成分应为a2,与之平衡的液相成分改变为L2。a2将覆盖在先析出的a1上,若能达到平衡条件,a1的成分也会逐渐改变成a2,以达到T2紫铜止水片下的平衡态。但实际上,固态的扩散速率远小于液态的扩散速率,当剩余液相的成分均匀达到L2时,固相a中的成分仍为不均匀的,它们的平均成分可用a2表示。显然,a2中的B原子浓度小于a2中B原子浓度。同理,当温度降至T3及T4时,其a相的平均成分可用表示a3及a4。在此图中a4即表示x合金的成分。说明x合金在非平衡凝固的条件下T4温度下凝固完毕,较之平衡凝固的固相点温度降低了T3-T4。a1-a4表示的线称非平衡的固相线,非平衡固相线相对于平衡固相线的偏离与凝固时的冷却速率有关,冷却速率愈大,偏离愈大。
由于先后凝固的固相在成分上的差异,不同成分固相受侵蚀程度将不同,因而在我们观察合金的显组织时就会观察到典型的枝晶组织,枝晶臂的成分与枝晶同胞间的成分(B组元含量高)不同,因而显示出不同的颜色。这种因非平衡凝固(结晶)导致的晶粒内成分不均匀的现象称晶内偏析或枝晶偏析。紫铜止水片Cu-Ni合金铸造后的显组织,白色枝干含镍较高,周围黑色部分含铜较高,但均为铜镍a固溶体。
紫铜止水片凝固现象和组织
1.纯铜的铸锭组
从低倍组织可知,铸锭边部为柱状晶,中部则为较粗的等轴晶。实际上,当铸锭时冷却强度足够大或铸锭尺寸较小的情况下,整个铸锭可能全由柱状晶组成。紫铜止水片其他铜合金的低倍组织均具有与此相同的特点。从显组织观察可知,晶粒内部无明显特征,晶界较细,与一般单相合金的平衡结晶组织无异。
2.单相铜合金的铸锭组织特征
铜合金的凝固过程为非平衡过程,所以其铸锭组织一般偏离平衡态。下面以匀晶、包晶及共晶二元系合金为例说明。
匀晶系相图及某合金凝固时可能的非平衡固相线轨迹。
不论包晶系还是共晶系合金,在非平衡凝固状态下,基体相a固溶体均具有枝晶偏析的特征,而枝晶同胞间将出现非平衡的第二相(B)。在常用铜合金中,CuZn、CuSn、CuSi等富铜侧均为包晶系合金,而CuA,CuP等富铜侧为共晶系合金。
Cu10Zm合金的铸态组织,该合金为a单相固溶体,枝晶干富铜,枝晶间富锌。当CuZn合金中锌含量达30%-32%时,则因非平衡凝固会导致枝晶间出现少量B相(包晶反应所得)。紫铜止水片Cu7A合金及Cu6.55n0.1P合金铸态组织。从图2-18(a)可知,平衡态为单相a固溶体的Cu7A合金,在铸态下,基体为具有枝晶偏析的a固溶体,枝晶间出现非平衡的少量(a+Y2)共析产物。这种共析体是因非平衡结晶时生产了非平衡共晶(a+B),其中的β相再发生共析转变所致。Cu6.55m0.1P合金在平衡态亦应为单相的a固溶体,但在铸锭时非平衡凝固的条件下,基体a具有较严重的枝晶偏析枝晶间富锡和磷,在一定情况下可能在枝间出现(a+8)共析体及Cu3P化合物(可视为++Cu3P三相低熔共晶)CuAl系合金中,当含铝量超过7%时会出现β相。在降至一定温度时,B相会发生共析分解,生成a+y2共析体。含铝较高的图2-17Cu-10Zn合金铸态组织120合金,凝固时亦会首先生成B晶粒,温度进步降低时,将从B相基体中析出具有魏氏组织特征的a相。
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