。1136 北京科技大学学报 第31卷 深过冷Fe一Co合金的凝固组织山中的枝晶发 一液界面前沿的浓度沿晶体生长的方向是周期性变 生大面积重熔，造成枝晶的间断，形成不规则排列的 化的，且溶质元素的浓度沿生长方向呈指数形式周 粒状晶，也不像图2和图3所示的组织那样，虽然不 期性振荡衰减.这从理论上提供了出现周期性双相 连续，但能看到具有一定方向的枝晶主干. 枝晶组织的可能性 3.2强迫对流造成枝晶断裂 不连续枝晶组织的产生究竞是外界干扰引起 与周期性双相枝晶组织类似，带状组织沿其生 的，还是在一定条件下晶体生长过程所具有的本质 长方向的成分也是不连续的，对其形成机理的研究 特征，或是多种因素综合作用的结果，尚待深入地研 较为活跃.目前，有两种方法用于分析带状组织的 究.如果能建立相应的理论模型，对进一步了解晶 形成机理：一种是在扩散生长基础上分析其形成机 体生长的本质、指导凝固组织的设计和控制都是非 理：另一种是认为固一液界面前沿液体中的强对流 常有意义的 是形成带状组织的主要原因 4结论 Trivedi首先建立了带状组织形成的纯扩散模 型习.该模型假设：溶质的传输仅靠液相中的扩散 (1)一定成分范围的ALa过共晶合金，在常 完成，液相中不存在对流.但是，实际情况是液相中 规铸造条件下凝固（自由凝固）时，先结晶相Al1La3 的对流往往对凝固组织的形成有很大影响而不能被 的枝晶沿其主干方向呈现不连续的形貌特征.其 忽略. 中，合金A一35%La的凝固组织中的A山1Ls枝晶 在金属凝固的研究中，对强迫对流的研究相当 沿主干方向成分有规律地周期性变化.由此可以认 活跃011.实验证实震动、搅拌和旋转磁场等方 为，La含量是影响ALa合金中枝晶形貌的一个重 式造成的强对流能碎断和细化凝固组织中的枝 要因素. 晶1☒.在这种情况下长大的晶粒几乎没有任何方 (2)合金A1一35%La以不同的凝固速率 向的择优生长，晶粒在各个方向近似为均匀长大，初 (0.05~3mms1)定向凝固时，获得的凝固组织中 生相不以枝晶的方式长大，而是成为圆滑的近球状 的枝晶（胞晶）沿其主干方向均呈不连续的形貌特 晶粒 征.说明凝固速率的大小主要影响枝晶/胞晶形态 可见，强迫对流条件下获得的凝固组织中的晶 的转变，并不影响枝晶（胞晶）的不连续特征 粒细小且是不规则排列的1214，这与图2和图3所 (3)过共晶合金A1一35%La不论是自由凝固 示的沿一定方向分布的组织形貌不同.因此，强迫 还是定向凝固，或者凝固速度的大小，均可获得沿其 对流凝固组织的断裂机理还不能说明本文所遇到的 主干方向呈现不连续形貌的A山La3枝（胞）晶. 问题. (4)目前，关于A1一La合金组织中的枝晶（胞 3.3自然对流对枝晶生长的影响 晶)沿其主干方向不连续的原因尚不明确，有待进一 在凝固机理的研究中，为便于模型的建立和简 步研究. 化，常忽略自然对流.然而，轻易的简化往往导致结 果产生很大偏差，或是遗漏一些重要的结果 参考文献 金属凝固理论经过多年发展，己形成一定的理 [I]Sastry G V S,Suryanarayana C.Metastable effects in melt- 论体系.这些理论可以概括地理解为：在无对流条 quenched Al-Pd alloys Mater Sci Eng 1981.47:193 件下，枝晶生长固一液界面前沿的温度分布或溶质 [2 Yang S Huang W D.Lin X,et al.Models about the banded 浓度呈指数形式单调衰减1匀. stncture in rapid solidification.Mater Sci Eng 2000.18(1): 126 但是，金属凝固过程中始终存在着自然对流。这 (杨森。黄卫东。林鑫，等.关于快速凝固过程中带状组织形 种对流主要由温度差或浓度差引起).对于多相合 成的几种模型的讨论.材料科学与工程200018(1)：126) 金来说，当其成分并非共晶成分或者是偏晶成分时， [3 LiX Z.GuJJ.Su Y Q.et al.Formation mecharism of band 对流在很大程度上要直接影响其结构和成分.可 st ructure and phase selection during directional solidification of 见，在某些情况下，对流是不能忽略的. peritectie alloys.Acta Metall Sin 2005,41(6):593 (李新中，郭景杰，苏彦庆，等.定向凝固包品合金带状组织的 文献16研究了对流对带状组织形成的影响. 形成机制及相选择.金属学报，2005.41(6)：593) 理论上，考虑对流的影响，从数学物理角度给出了固 [4 Tan H.Zhang Y,Ma D et al.Optimum ghss fomation at off- 液界面存在对流时二维稳定晶体生长的浓度控制方 eutectic composition and its reltion to skew ed eutectic coupled 程的解析解.该解表明，在有对流存在的条件下，固 zone in the La based La-AHCu.Ni)pseudo ternary system.Acta深过冷 Fe-Co 合金的凝固组织 [ 11] 中的枝晶发 生大面积重熔, 造成枝晶的间断,形成不规则排列的 粒状晶,也不像图 2 和图 3 所示的组织那样, 虽然不 连续 ,但能看到具有一定方向的枝晶主干. 3.2 强迫对流造成枝晶断裂 与周期性双相枝晶组织类似, 带状组织沿其生 长方向的成分也是不连续的, 对其形成机理的研究 较为活跃.目前, 有两种方法用于分析带状组织的 形成机理:一种是在扩散生长基础上分析其形成机 理;另一种是认为固 -液界面前沿液体中的强对流 是形成带状组织的主要原因. Trivedi 首先建立了带状组织形成的纯扩散模 型[ 5] .该模型假设:溶质的传输仅靠液相中的扩散 完成, 液相中不存在对流 .但是, 实际情况是液相中 的对流往往对凝固组织的形成有很大影响而不能被 忽略 . 在金属凝固的研究中, 对强迫对流的研究相当 活跃[ 10 , 12-14] .实验证实震动 、搅拌和旋转磁场等方 式造成的强对流能碎断和细化凝固组织中的枝 晶[ 12] .在这种情况下长大的晶粒几乎没有任何方 向的择优生长, 晶粒在各个方向近似为均匀长大, 初 生相不以枝晶的方式长大, 而是成为圆滑的近球状 晶粒 [ 13] . 可见 ,强迫对流条件下获得的凝固组织中的晶 粒细小且是不规则排列的[ 12, 14] ,这与图 2 和图 3 所 示的沿一定方向分布的组织形貌不同.因此 , 强迫 对流凝固组织的断裂机理还不能说明本文所遇到的 问题 . 3.3 自然对流对枝晶生长的影响 在凝固机理的研究中, 为便于模型的建立和简 化,常忽略自然对流 .然而, 轻易的简化往往导致结 果产生很大偏差 ,或是遗漏一些重要的结果. 金属凝固理论经过多年发展, 已形成一定的理 论体系 .这些理论可以概括地理解为:在无对流条 件下,枝晶生长固 -液界面前沿的温度分布或溶质 浓度呈指数形式单调衰减[ 15] . 但是 ,金属凝固过程中始终存在着自然对流, 这 种对流主要由温度差或浓度差引起[ 7] .对于多相合 金来说,当其成分并非共晶成分或者是偏晶成分时 , 对流在很大程度上要直接影响其结构和成分 .可 见,在某些情况下,对流是不能忽略的. 文献[ 16] 研究了对流对带状组织形成的影响 . 理论上,考虑对流的影响,从数学物理角度给出了固- 液界面存在对流时二维稳定晶体生长的浓度控制方 程的解析解 .该解表明, 在有对流存在的条件下, 固 -液界面前沿的浓度沿晶体生长的方向是周期性变 化的 ,且溶质元素的浓度沿生长方向呈指数形式周 期性振荡衰减.这从理论上提供了出现周期性双相 枝晶组织的可能性 . 不连续枝晶组织的产生究竟是外界干扰引起 的 ,还是在一定条件下晶体生长过程所具有的本质 特征,或是多种因素综合作用的结果 ,尚待深入地研 究 .如果能建立相应的理论模型 ,对进一步了解晶 体生长的本质 、指导凝固组织的设计和控制都是非 常有意义的 . 4 结论 (1)一定成分范围的 Al-La 过共晶合金 ,在常 规铸造条件下凝固(自由凝固)时, 先结晶相 Al11 La3 的枝晶沿其主干方向呈现不连续的形貌特征.其 中 ,合金 Al -35 %La 的凝固组织中的 Al11 La3 枝晶 沿主干方向成分有规律地周期性变化.由此可以认 为 , La 含量是影响 Al-La 合金中枝晶形貌的一个重 要因素 . (2)合 金 Al -35 %La 以不同 的凝固 速率 (0.05 ～ 3 mm·s -1)定向凝固时, 获得的凝固组织中 的枝晶(胞晶)沿其主干方向均呈不连续的形貌特 征 .说明凝固速率的大小主要影响枝晶/胞晶形态 的转变 ,并不影响枝晶(胞晶)的不连续特征. (3)过共晶合金 Al -35 %La , 不论是自由凝固 还是定向凝固,或者凝固速度的大小 ,均可获得沿其 主干方向呈现不连续形貌的 Al11La3 枝(胞)晶. (4)目前, 关于 Al -La 合金组织中的枝晶(胞 晶)沿其主干方向不连续的原因尚不明确 ,有待进一 步研究 . 参 考 文 献 [ 1] Sastry G V S , Suryanarayana C .Met ast able eff ects in melt￾quenched Al-Pd alloys.Mater Sci E ng , 1981 , 47:193 [ 2] Yang S , Huang W D , Lin X , et al.Models about the banded structure in rapid solidification.Mater S ci E ng , 2000 , 18(1): 126 (杨森, 黄卫东, 林鑫, 等.关于快速凝固过程中带状组织形 成的几种模型的讨论.材料科学与工程, 2000 , 18(1):126) [ 3] Li X Z , Guo J J, Su Y Q , et al.Formation mechanism of band structure and phase selection du ring directional solidifi cati on of peritecti c alloys.Acta Metall S in , 2005 , 41(6):593 (李新中, 郭景杰, 苏彦庆, 等.定向凝固包晶合金带状组织的 形成机制及相选择.金属学报, 2005 , 41(6):593) [ 4] Tan H , Zhang Y, Ma D, et al.Optimum glass f ormation at off￾eut ectic composition and its relation to skew ed eut ectic coupled zone in the La based La-Al-(Cu , Ni)pseudo ternary syst em .Acta · 1136 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷