Cu-10%Fe合金微觀組織中的晶體生長(zhǎng)

王洋麗，虞明香，張俊婷，王宥宏

（1.太原重工鑄鍛分公司鑄鋼廠，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué)材料與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

金屬材料的微觀組織與性能之間有著密切而復(fù)雜的聯(lián)系，通過(guò)控制和調(diào)整微觀組織來(lái)獲得不同性能的金屬材料是廣泛使用的制備方法[1-6]。晶體生長(zhǎng)理論就是研究材料微觀組織形成機(jī)理的理論。目前，主要有熱力學(xué)理論、層生長(zhǎng)理論、螺旋生長(zhǎng)理論、周期鍵鏈（PBC）理論、界面生長(zhǎng)理論等[7-10]。

由于液態(tài)金屬的高溫和不透明特性，直接觀察金屬的凝固行為較難實(shí)現(xiàn)。人們使用多種方法模擬物質(zhì)中晶體的形核與生長(zhǎng)過(guò)程，借此來(lái)揭示金屬的凝固行為。本實(shí)驗(yàn)選擇了Cu-10%Fe合金作為研究對(duì)象，且采用快速凝固方法制備樣品，使晶體的形核和生長(zhǎng)都受到限制，研究晶體生長(zhǎng)初期的生長(zhǎng)過(guò)程。

1 試驗(yàn)方法

使用高頻感應(yīng)熔煉將純銅塊和純鐵塊制備成Cu-10%Fe合金。取重約20g合金放入底部帶有直徑約為1mm圓孔的石英坩堝中，高頻感應(yīng)加熱至有一、兩滴液體金屬?gòu)嫩釄宓撞啃】字械蜗?，隨即終止加熱。在石英坩堝正下方放置有冷卻銅板，坩堝底與銅板的垂直距離約為1.5m，液滴自由下落而撞擊銅板，形成直徑約為2 cm，厚度約為 400μm 的樣品。樣品的模擬計(jì)算冷卻速度在106℃/s左右[11]。樣品的微觀組織分析采用日本日立場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡HITACHI/S-4800進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1所示為Cu-10%Fe合金圓片沿厚度方向截面的微觀組織。圖中樣品下表面與冷卻銅板相接觸，上表面與大氣接觸，為自由表面。從圖中可以明顯看出，在樣品中間有一個(gè)區(qū)域內(nèi)分布著大量的多邊形晶粒，這些晶粒的大小在幾微米至十幾微米之間變化，形核較早的晶粒其生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，則晶粒的尺寸較大，反之，則尺寸較小。由相圖（見(jiàn)圖2）分析可知[12]，這些多邊形晶粒為初生富Fe相。在接近冷卻面和自由表面處，液態(tài)金屬的過(guò)冷度都要大于中間區(qū)域的過(guò)冷度，故其微觀組織均為在包晶反應(yīng)所形成的富Cu基體上彌散分布著細(xì)小的富Fe粒子。

圖1 Cu-10%Fe合金圓片沿厚度方向的微觀組織

圖2 Cu-Fe二元合金相圖[12]亞穩(wěn)溶解度間隙曲線

圖3 圖1中間層的高倍的圖像

將圖1中的中間層進(jìn)一步放大觀察，其微觀組織如圖3所示。從圖3可以清楚地觀察到：1）樣品中間區(qū)域內(nèi)的多邊形晶?；境仕倪吔Y(jié)構(gòu)，其立體形貌為六面體。多邊形晶粒越小，其形狀越接近于正六面體，隨著晶粒尺寸的增大，其棱、角處的生長(zhǎng)速度要快于面部的生長(zhǎng)速度，晶粒各表面中心向其內(nèi)部凹陷的幅度最大，故表面中心處的生長(zhǎng)速度最慢。2）在晶粒尺寸由5 μm向10μm的長(zhǎng)大過(guò)程中是晶粒由六面體向樹枝晶發(fā)展的關(guān)鍵階段，尺寸約10μm的晶粒已具有了枝晶的雛形，晶粒棱、角處的凸起將形成枝晶的一次分枝，一次分枝的發(fā)展將決定枝晶的整體形貌或微觀組織的特征形貌。3）在多邊形晶粒內(nèi)部可以看見(jiàn)有襯度較深的、細(xì)小的第二相存在，由相圖分析知道：隨著溫度由γ-Fe形成溫度降至850℃，在γ-Fe中將沉淀析出的富Cu粒子；當(dāng)溫度達(dá)到850℃時(shí)，γ-Fe將通過(guò)共析反應(yīng)形成α-Fe基體和富Cu第二相；從共析溫度至室溫，α-Fe基體還將不斷析出富Cu粒子。以上三個(gè)階段形成的富Cu相都以直徑小于1 μm的粒子形態(tài)出現(xiàn)。4）樣品的基體是通過(guò)包晶反應(yīng)形成的富Cu相。在快速凝固情況下，只是在富Cu基體和初生富Fe多邊形晶粒的界面處可以看到少量包晶富Cu相，包晶富Cu相層的厚度基本小于1 μm，在包晶層不完整的界面上，包晶富Cu相還可以呈現(xiàn)顆粒狀形貌。多數(shù)剩余液相并未能通過(guò)包晶反應(yīng)而形成富Cu基體，而在包晶反應(yīng)結(jié)束后，獨(dú)自凝固形成富Cu基體。富Cu基體在之后的降溫過(guò)程中將析出富Fe沉淀粒子。

由凝固理論知道[13-16]，晶粒的總能量變化等于液相轉(zhuǎn)化為固相所引起的體積自由能變化與界面自由能變化之和，界面自由能為晶粒形核和生長(zhǎng)的阻力。在晶粒形核和生長(zhǎng)初期，對(duì)于同樣體積的固相，只有呈球形是界面面積最小，因界面而引起的自由能上升則最小，故在圖中，無(wú)論是多邊形富Fe晶粒，還是富Cu第二相或富Fe沉淀粒子，當(dāng)它們的晶粒當(dāng)量直徑小于1 μm時(shí)，晶粒的輪廓基本都呈圓形，其立體形貌應(yīng)為小圓球。

圖4 圖1中間層的另一高倍圖像

圖4為將圖1中的中間層微觀組織的另一高倍圖像。在該圖像中，樣品中間區(qū)域內(nèi)的多邊形晶粒已生長(zhǎng)成具有一次分枝的枝狀晶。隨著枝狀晶的長(zhǎng)大，晶粒尺寸也由圖3中的5 μm～10μm增長(zhǎng)到20μm左右。在一次分枝生長(zhǎng)的初期，分枝的側(cè)面并不平直，而是向液相中呈圓弧形凸出，枝晶頂端的曲率半徑為1 μm～3 μm。由圖中箭頭A所指的晶粒可以看出：在枝晶生長(zhǎng)的初期，在分枝的跟部并沒(méi)有縮頸現(xiàn)象存在，此時(shí)枝晶一次分枝的長(zhǎng)度與其跟部直徑之比小于1.5∶1。在圖中箭頭B所指的晶粒分枝跟部已有縮頸現(xiàn)象出現(xiàn)，此時(shí)一次分枝的長(zhǎng)度與其跟部直徑之比約為3。此比值的實(shí)質(zhì)是反映枝晶分枝的生長(zhǎng)過(guò)程，其值越大，說(shuō)明枝晶的生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)。由凝固理論皆知，凝固過(guò)程中的溶質(zhì)偏析與平衡凝固系數(shù)k之間有密切關(guān)系。對(duì)于一定成分的合金，平衡凝固系數(shù)k值不變，影響溶質(zhì)偏析的主要因素有溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散、固/液界面的生長(zhǎng)速度（或單位時(shí)間內(nèi)的固相增量）。在枝晶形成的初期，溶質(zhì)原子主要富集在枝晶跟部，在枝晶頂端富集的溶質(zhì)量很少，故在此階段，可假設(shè)溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散只影響枝晶跟部沿其直徑方向的生長(zhǎng)，而對(duì)枝晶頂端的生長(zhǎng)影響不大。溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散進(jìn)行的越充分，溶質(zhì)原子在分枝跟部的富集程度將越低，分枝跟部生長(zhǎng)所受到的限制將越小，同樣長(zhǎng)度枝晶的分枝跟部直徑將越大，一次分枝的長(zhǎng)度與其跟部直徑之比將越小，則產(chǎn)生跟部縮頸的可能性將越?。环粗?，一次分枝的長(zhǎng)度與其跟部直徑之比將越大，則產(chǎn)生跟部縮頸的可能性將越大。由以上分析也可知，溶質(zhì)富集主要影響枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)而對(duì)枝晶頂端的生長(zhǎng)速度影響不大，溶質(zhì)富集程度越高，側(cè)向生長(zhǎng)速度將越低，跟部直徑將越小，則一次分枝的長(zhǎng)度與其跟部直徑之比將越大，枝晶產(chǎn)生跟部縮頸的可能性將越大。

圖5 Cu-10%Fe合金鑄錠的微觀組織

關(guān)于溶質(zhì)富集主要影響枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)而對(duì)枝晶頂端的生長(zhǎng)速度影響不大的說(shuō)法從一般的凝固組織中也可得到證實(shí)。圖5為重約20g的Cu-10%Fe合金鑄錠的微觀組織。由于枝晶尖端的生長(zhǎng)速度受溶質(zhì)富集的影響很小，故圖像中的一次或二次枝晶分枝長(zhǎng)度較大；由于溶質(zhì)富集主要影響枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)，故圖像中的一次或二次枝晶分枝的跟部直徑和端部直徑差別不大。

3 結(jié)論

1）當(dāng)晶粒的當(dāng)量直徑小于1 μm時(shí)，無(wú)論是富Fe晶粒、富Cu晶?；蚋籉e沉淀粒子，在界面能的作用下，晶粒的輪廓基本都呈圓形，其立體形貌應(yīng)為小圓球。

2）晶粒尺寸由5 μm向10μm的長(zhǎng)大過(guò)程是晶粒由六面體向樹枝晶發(fā)展的關(guān)鍵階段，晶粒當(dāng)量直徑小于5 μm時(shí)，晶粒的立體形貌基本呈圓球形；晶粒當(dāng)量直徑約10μm時(shí)，晶粒已具有了枝晶的雛形，晶粒棱、角處的凸起將形成枝晶的一次分枝，一次分枝的發(fā)展將決定枝晶的整體形貌或微觀組織的特征形貌。

3）對(duì)于晶粒尺寸在20μm左右的晶粒，在其一次分枝生長(zhǎng)初期，分枝的側(cè)面并不平直，而是向液相中呈圓弧形凸出，枝晶頂端的曲率半徑為1 μm～3 μm。一次分枝的長(zhǎng)度與其跟部直徑之比是判斷分枝跟部有、無(wú)縮頸出現(xiàn)的重要參數(shù)，當(dāng)該比值大于3時(shí)，將會(huì)存在縮頸現(xiàn)象。縮頸現(xiàn)象是溶質(zhì)富集對(duì)枝晶側(cè)向生長(zhǎng)的影響結(jié)果，溶質(zhì)富集主要影響枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)而對(duì)枝晶頂端的生長(zhǎng)速度影響不大。

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