成分过冷

基本概况

在实际生产中，液体金属一般在几分钟或几小时内就完成凝固，凝固后得到的是非平衡组织。由于冷却速度快，没有足够的时间完成扩散过程。可分两种情况：当冷却速度比较慢时，由于液相中的扩散速度比较大，有足够时间使液相成分均匀化，而在固相中因扩散速度比液相中低几个数量级，固相成分来不及均匀化；当冷却速度比较大时，不仅在固相中而且在液相中都没有足够的时间完成扩散过程。

液相中能完成扩散过程

如右图所示，成分的合金冷却到与液相线相交时，形 成成分的固相晶核，并在固液界面前方的液相中造成B组元的富集。但是，由于有足够的时间使液相成分均匀化，所以在继续冷却时，液相成分沿液相线变化。当温度降低到时，析出成分为 的固相。但是，由于固相扩散速度较慢，先析出的成分为 的固相没有充分的时间通过扩散改变成成分，因此在这一温度下，固相的平均成分不是，而是 与之间的。当温度降低到与固相线相交所对应的温度 时，对平衡凝固而言该合金即完成凝固过程，但在非平衡凝固时仍有部分液相，而固相的平均成分为；只有冷却到更低的温度 时，才能完全凝固，固体的平均成分和原始液体合金成分相同。总之，在这种条件下凝固时固相不再沿平衡相图中的固相线变化，固相的平均成分将偏离固相线，出现先后凝固固相的成分不同的情况。冷却速度越大，偏离的程度越大。

在液相中能完成扩散过程的非平衡凝固过程的示意图

在液相中和固相中都不能完成扩散过程

在固相和液相中都不能完成扩散过程的非平衡凝固的示意图

在实际生产中，大多是在液相和固相中都不能完成扩散过程的 情况下完成的凝固。因而在凝固过程，不仅固相成分偏离固相线，而且液相成分也偏离液相线。由于液相中的扩散相对较快，液相成分对液相线的偏离程度也比较轻（如右图所示）。在这种条件下凝固时，由于在固液界面前方的液相中存在有浓度梯度，因此在液相中会出现成分过冷，即液相由于成分变化导致的凝固点低于实际温度的情况。固相将以枝晶形式长大，并形成枝晶偏析。概念与过程

按平衡凝固原理，合金在凝固过程生成的组织只决定于相图的平衡相变线（包括液相线、固相线）而和凝固条件无关。由于实际的铸件是在特定的条件下制得，外界的凝固参数（冷却速度）、溶液的核心状况、液相内的合金成分（指在相图上未反映的微量元素）等因素均对铸件的凝固组织产生重要影响。不仅影响相图上各组织形成时的温度与成分界线，而且还直接改变所产生的组织，甚至形成原先在平衡条件下不存在的相分，所以非平衡凝固形成的组织远比平衡凝固复杂。

（1）非平衡状态下的共晶共生区概念铸铁是典型的共晶合金，非平衡冷却时产生的共晶反应是铸铁非平衡凝固的关键。

在平衡凝固条件下，只有恰好是共晶成分的熔体，凝固后才能得到100%的共晶组织。但是，如果在非平衡凝固时，非共晶成分的合金也可以得到典型的共晶组织，这种共晶称伪共晶。伪共晶区也可称为共生区。

共生区分为两大类：对称共生区与不对称共生区。

①对称型共晶点的成分处于共生区域之内，生成正常的、均匀的片状或杆状两相共晶组织称对称型共生。具有对称相共晶区的合金都是金属一金属共晶合金，共晶体中的两相生长速度基本相同。

②非对称型共晶点的成分处于共生区域之外称非对称型共生。出现非对称型的以非金属一金属共晶合金居多（如共晶系）

伪共晶区不对称，发生偏离的原因是由于两个组元（组成相）熔点不同所引起。当快速冷却过冷至平衡共晶温度以下时，液相对于两个组成相的过冷不相同，高熔点组成的过冷度比低熔点组成的要大得多，促使两个组成相长大速度不等，引起伪共晶区位移。另外，在过冷条件下，由于成分的浓度起伏及扩散的关系，低熔点组成相比高熔点相易于形核，并且长大速度快，因此得到以低熔点相为初晶的亚共晶组织，使共生区偏向高熔点一方。

（2）铸铁的非平衡凝固过程

实际铸铁件均在非平衡冷却条件下按共生区概念依凝固相图进行凝固，形成最终的凝固组织。

不同共晶度的三种铸铁在过冷条件下的凝固过程分析

不同共晶度的三种铸铁在过冷条件下的凝固过程分析如右 图所示。共晶系的伪共晶区偏向非金属组元（C或）一侧。

①共晶铸铁（如右图a）共晶熔液过冷至温度1，落于伪共晶区左方，奥氏体在过冷熔液中形核，生成奥氏体树枝晶。奥氏体析出使余下的铁液富碳，成分移动进入共生区2，发生奥氏体一石墨共生生长。最终的凝固组织为在初生奥氏体枝晶周围分布有孤立的共晶团。

②亚共晶铸铁（如右图b）熔液过冷至温度1点，低于液相线温度，奥氏体形核。随温度降低，铁液生成贫碳树枝晶并沿着液相线改变成分。过冷至2点（在伪共晶区右方），枝晶旁的碳浓度增加，促使石墨形核，成分向左移动至3点，进入伪共晶区内发生共晶凝固。凝固组织仍保持亚共晶铸铁具有的奥氏体+共晶团组织特征，但枝晶明显发达。

③过共晶铸铁（如右图c）液相过冷至1点，析出初生石墨。由于石墨析出，熔体沿液相线降低温度并改变成分至2点（伪共晶区左方）。在亚共晶区析出奥氏体核心，核心最容易先在石墨周围形成。奥氏体的生长使熔液成分又回到共生区内3点，继续进行奥氏体+石墨共晶。最后得到包含有初生石墨+奥氏体枝晶+共晶团的复杂组织。

影响非平衡凝固的首要因素固然是冷却条件，但不能忽略铁液内部的物理化学条件（夹杂物、微量元素、成分偏析及原有的核心状态等）的变化对铸铁凝固行为的影响。

过冷度简介

过冷度是指非平衡凝固中，温度降至固相线时的温度与全部转化为固相的温度之差。此时析出的晶体为等轴状，具有近似连续的浓度分布。

熔融金属平衡状态下的相变温度与实际相变温度的差值。纯金属的过冷度等于其熔点与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。

每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。

过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。