什麼是組成過冷
溶質累積在凝固界面前方而改變液相線溫度，使實際溫度低於該液相線溫度的狀態。是平坦界面崩解而成為胞狀晶或樹枝狀晶的原因。
日文名稱: 組成的過冷
「組成過冷」出現在1領域的4道練習題中（凝固與鑄造組織等）。
這個名詞所屬的領域: 凝固與鑄造組織
為何會過冷
k < 1 的合金凝固時，在界面被排出的溶質累積在界面前方的液相中，與擴散向遠處搬運的作用達到平衡，形成從界面起以指數函數變稀的濃度層。液相線溫度由濃度決定，因此在界面處較低，離得越遠越上升，直到原成分的液相線溫度。若從界面起直線上升的實際溫度梯度G小於此液相線溫度的梯度，界面前方就會產生雖低於液相線溫度卻仍為液體的層。這是由成分而非溫度的分布所產生的過冷，因此稱為組成過冷。
判定式
平坦界面穩定的條件是界面處液相線溫度的梯度不超過實際的溫度梯度，可寫成 G/V ≥ ΔT₀/D_L。V為成長速度，D_L為液相中溶質的擴散係數，ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k 為凝固溫度範圍。溶質越多、k越偏離1、成長越快、溫度梯度越小，越容易發生組成過冷。實際的合金右邊非常大，因此在一般鑄造的條件下幾乎無法保持平坦界面，而以胞狀晶或樹枝狀晶凝固。更嚴密的處理，是同時考慮界面能穩定化作用的Mullins-Sekerka理論。
對組織的影響
組成過冷還小的時候，界面的突起只稍微伸長，成為排列成六角形的胞狀晶；過冷變大時，變為具有枝的柱狀樹枝狀晶。再變大時，在遠離界面前方的液相中產生並成長晶體，成為等軸樹枝狀晶。因此，在溶質多的合金或溫度梯度小的鑄件中心部，容易形成等軸晶。在單晶成長或單向凝固的葉片中，要保持大的溫度梯度與小的成長速度，以維持所需的界面形狀。
練習組成過冷的題目
在合金的單向凝固中，關於使原本平坦的固液界面變為凹凸界面的組成過冷，下列說明何者正確？設合金的 k < 1。
- A被排出的溶質使界面處的液相線溫度下降，離界面越遠液相線溫度越高，因此若實際的溫度梯度小，前方的液相就會低於液相線溫度
- B界面前方液相中的溶質被固相吸入而變稀，界面附近的液相線溫度上升，因此溫度梯度越大，前方的液相越容易過冷
- C凝固潛熱造成溫度由界面往液相側下降的負溫度梯度，這種熱過冷只在合金中使界面不穩定
查看答案與解析
正確答案：A. 被排出的溶質使界面處的液相線溫度下降，離界面越遠液相線溫度越高，因此若實際的溫度梯度小，前方的液相就會低於液相線溫度
k < 1時，在界面被排出的溶質累積在界面前方，界面處的液相較濃，液相線溫度較低。離開界面後濃度回到原來的C₀，因此液相線溫度離界面越遠越高。若實際的溫度梯度G小於此液相線溫度的梯度，界面前方就會形成低於液相線溫度、亦即過冷的液相層。這就是組成過冷，界面上的小突起會向過冷較大的一側伸長，使平坦的界面崩解。前方的液相不是變稀而是變濃，溫度梯度越大，組成過冷越不易發生。負溫度梯度造成的熱過冷是與溶質無關、純金屬也會發生的另一種現象。
不發生組成過冷而以平坦界面凝固的條件為 G/V ≥ ΔT₀/D_L（G為界面液相側的溫度梯度，V為成長速度，D_L為液相中溶質的擴散係數，ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k 為凝固溫度範圍）。使Al-2.0 wt%Cu合金（液相線斜率的大小 m = 3.4 K/wt%，k = 0.17，D_L = 3.0×10⁻⁹ m²/s）以 V = 1.0×10⁻⁵ m/s 成長時，維持平坦界面所需的最小溫度梯度最接近下列何者？
- A約1.9×10⁴ K/m
- B約1.1×10⁵ K/m
- C約1.1×10² K/m
查看答案與解析
正確答案：B. 約1.1×10⁵ K/m
凝固溫度範圍為 ΔT₀ = 3.4 × 2.0 × (1 − 0.17)/0.17 ≈ 33.2 K。所需的溫度梯度為 G = ΔT₀V/D_L = 33.2 × 1.0×10⁻⁵/(3.0×10⁻⁹) ≈ 1.1×10⁵ K/m，也就是約110 K/mm。約1.9×10⁴ K/m是把ΔT₀當成mC₀(1 − k)而忘了除以k的值，約1.1×10² K/m是把110 K/mm的數字誤當成K/m的值。一般鑄造的溫度梯度約為10³～10⁴ K/m，因此合金幾乎無法維持平坦界面，而以胞狀晶或樹枝狀晶凝固。以平坦界面進行的單向凝固，用於加大溫度梯度、使成長速度極小的實驗或晶體成長。
常見問題
純金屬也會發生組成過冷嗎？
沒有溶質就不會發生。不過，若有溫度朝液相側下降的負溫度梯度，純金屬也會因熱過冷而成長樹枝狀晶。在過冷液體中自由成長的晶體就是一例。
為何組成過冷與焊接部的組織有關？
熔池邊緣的溫度梯度大、成長速度小，因此接近平坦界面或胞狀晶；越往中心，溫度梯度下降、成長速度上升，而成為樹枝狀晶。焊接金屬中的組織隨位置而變，原因就在這裡。
雜質越少的材料越容易以平坦界面凝固嗎？
是的。C₀越小，凝固溫度範圍ΔT₀越窄，維持平坦界面所需的G/V也越小。高純度材料的單晶較容易成長，原因就在這裡。
解析中的「組成過冷」
這就是組成過冷，界面上的小突起會向過冷較大的一側伸長，使平坦的界面崩解。
在合金的單向凝固中，關於使原本平坦的固液界面變為凹凸界面的組成過冷，下列說明何者正確？設合金的 k < 1。由組成過冷的條件可知，界面的形狀主要由G/V決定，G/V越大，平坦界面越穩定。
關於合金凝固時改變溫度梯度G與成長速度V，固液界面的形狀與組織的粗細，下列說明何者正確？減少溶質而縮小凝固溫度範圍會使組成過冷變小，同樣使柱狀晶容易伸長。
減少鑄錠柱狀晶區域、擴大中心部等軸晶區域而使晶粒細化的方法組合，下列何者正確？
出現「組成過冷」的題目（4題）
- 在合金的單向凝固中，關於使原本平坦的固液界面變為凹凸界面的組成過冷，下列說明何者正確？設合金的 k < 1。
- 不發生組成過冷而以平坦界面凝固的條件為 G/V ≥ ΔT₀/D_L（G為界面液相側的溫度梯度，V為成長速度，D_L為液相中溶質的擴散係數，ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k 為凝固溫度範圍）。使Al-2.0 wt%Cu合金（液相線斜率的大小 m = 3.4 K/wt%，k = 0.17，D_L = 3.0×10⁻⁹ m²/s）以 V = 1.0×10⁻⁵ m/s 成長時，維持平坦界面所需的最小溫度梯度最接近下列何者？
- 關於合金凝固時改變溫度梯度G與成長速度V，固液界面的形狀與組織的粗細，下列說明何者正確？
- 減少鑄錠柱狀晶區域、擴大中心部等軸晶區域而使晶粒細化的方法組合，下列何者正確？