金属共晶相图

5.3.2 二元共晶相图

①共晶相图： 当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转

变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。

如Pb-Sn ，Pb-Sb ，Cu-Ag ，Al-Si 等合金的相图都属于共晶相图。Pb-Sn 合金相

图是典型的二元共晶相图,见图5.26, 下面以它为例进行讲解。首先分析相图中

的点,线和相区。

图5.26 铅锡相图

一、相图分析

1、点： t A ，t B 点分别是纯组元铅与锡的熔点，为327.5o C 和231.9o

C 。

M 点：为锡在铅中的最大溶解度点。N 点：为铅在锡中的最大溶解度点。

E 点：为共晶点，具有该点成分的合金在恆温183℃时发生共晶转变L E →αM +β

N

共晶转变：是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。 F 点：为室温时锡在铅中的溶解度。G 点：为室温时铅在锡中的溶解度。

2、t A Et B 线：为液相线，其中t A E 线：为冷却时L →α的开始温度线，Et B 线：为 冷

却时L →β的开始温度线。

t A MENt B 线：为固相线，其中t A M 线：为冷却时L →α的终止温度线，t B N 线：

为冷却时L →β的终止温度线。

MEN 线：为共晶线，成分在M~N 之间的合金在恒温183℃时均发生共晶转

变L E →（αM +βN ）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体

或共晶组织。

MF 线：是锡在铅中的溶解度曲线。NG 线：是铅在锡中的溶解度曲线。

3、相区

（1）单相区：在t

A Et

B

液相线以上,为单相的液相区用L表示，它是铅与锡组成的合金溶液。

t

A

MF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。

t

B

NG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。

（2）两相区：在t

A EMt

A

区为L+α相区，在t

B

ENt

B

区为L+β相区。在FMENGF区为α+β相区。

（3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。由相律可知三相平衡

共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。

具有共晶相图的二元系合金，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下几类：①成分对应于共晶点（E）的合金称为共晶合金，如Pb-Sn相图中含Sn61.9%的合金。②成分位于共晶点（E）以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，如含Sn19%~61.9%的合金都是亚共晶合金。③成分位于共晶点（E）以右，N点以左的合金称为过共晶合金。如含Sn61.9%~97.5%的合金都是过共晶合金。④成分位于M点以左，N点以右的合金称为端部固溶体合金。如含Sn小于19%和大于97.5%的合金都是端部固溶体合金。

二.共晶系典型合金的平衡凝固过程分析

1.端部固溶体合金（10%Sn-Pb合金）

由图5.26可以看出，合金①冷却到t

1

温度时开始发生匀晶转变从L→α。随着

温度的降低α量不断增加，L量不断减少，并且α相的成分沿固相线t

A

M变，L

相的成分沿液相线t

A E变。当冷却到t

2

温度时L全部转变成α相，继续降低温度

α相自然冷却不发生成分和相的变化。当冷却到t3温度时，Sn在α固溶体中达到饱和状态，因此随着温度的降低，它处于过饱和状态，多余的Sn以β固溶体的形式从α固溶体中析出，这时α固溶体的平衡成分沿MF线变化，相对量逐渐减少，而析出的β固溶体的平衡成分沿NG线变化，相对量逐渐增加。通常将固溶体中析出另一种固相的过程称为脱溶转变，脱溶转变的产物一般称为次生相或二次相。次生相β固溶体用β

Ⅱ

表示，以区别从液相中直接凝固出的β固溶体。由于次生相是从固相中析出的，而原子在固相中的扩散速度慢，所以次生相一般都较细小，并分布在晶界上或固溶体的晶粒内部。由上述分析可知该合金在室温

时的组织为α+β

Ⅱ，见图5.27。图中黑色基体为α相，白色颗粒为β

Ⅱ

相。图5.28为该合金的平衡凝固过程示意图。

图5.27 10%Sn-Pb 合金显微组织 500×

图5.28 10%Sn-Pb 合金凝固过程示意图

由相图可以看出F 点以左，G 点以右的合金凝固过程与匀晶合金完全相同，而成分位于F 点和M 点之间的所有合金的平衡凝固过程都与上述合金相同,显微组织都为α+βⅡ ,只是α和βⅡ 的相对量不同。合金成分越接近M 点，其含βⅡ越多，

而越接近F 点，其含βⅡ越少。

另外由相图还可以看出，成分位于N 点和G 点之间的所有合金的平衡凝固过程与上述合金相似，所不同的是它从L →β，从β→αⅡ 。由于某些固溶体合金的溶

解度随温度的降低而降低，因此可以通过热处理来控制次生相的析出量和大小，从而达到改善合金性能的目的。所以，由相图不仅可以判断合金的特性，还可以

指导热处理生产。

2．共晶合金（61.9%Sn-Pb ）

由相图可以看出共晶合金②从液态缓慢冷却到t E 温度时, 在恒温下从液相中同

时结晶出两个成分不同的固相,即发生共晶转变L E →αM +βN (L 61.9%→α19%+β97.5% )由于发生共晶转变时是三相平衡,所以可以用相律证明它是在恒温下进行的。共晶转变在恒温下一直进到液相完全消失,继续冷却αM 和βN 分别析出次生相βⅡ 和αⅡ,成分分别沿着MF 和NG 线变化。 由于析出的αⅡ和βⅡ与共晶体中的α和

β常常混合在一起,所以在显微镜下很难分辨。因此该合金在室温时的组织一般

认为是由(α+β) 共晶体组成。

图5.29 铅锡共晶合金的显微组织 200×

见图5.29, 它是由黑色的α相和白色的β相呈层片状交替分布。图5.30为该合

金平衡凝固的示意图。

图5.30 共晶合金凝固过程示意图

合金的显微组织： 是指在金相显微镜下能够观察到的组成部分。

共晶合金的显微组织是由α和β两相组成,所以它的相组成物为α和β两相。

相组成物：是指组成合金显微组织的基本相。

组织组成物： 是指合金在结晶过程中,形成的具有特定形态特征的独立组成部

分。

如共晶合金的组织组成物为100%的（α+β）共晶体。

而相组成物的相对量可用杠杆定律计算，如在t E 温度时的相对量为

97.561.9%100%100%45.4%97.519M EN MN α-=?=?=-%6.54%%100%=-=M N αβ或

61.919%100%100%45.6%97.519N ME MN β-=?=?=-，而在室温时的相对量为

%,100'%?=FG G E F α%100'%?=FG FE G β。

3、亚共晶合金（50%Sn-Pb 合金）

由图5.26可以看出该合金③在冷却到t 1温度时，开始发生匀晶转变，从L

→α，该α称为初生相或初晶固溶体或先共晶相，用α初表示，随着温度的降低，

α初的成分沿着固相线t A M 变，相对量不断增加，L 的成分沿着液相线t A E 变，相对量不断减少，当冷却到t 2温度时α初的成分达到M 点的成分，剩余液相的成分

达到E 点的成分，它们的相对量可用杠杆定律计算:

α初%=%8.27%100199.61509.61%1002=?--=?ME E t （L%=100%-α初%=72.2%）或 L%=%2.72%100199.611950%1002=?--=?ME Mt

在该温度（略低于t 2）剩余液相发生共晶转变L E

N M t βα+?→?2全部转变为共晶体，此时的组织为α初+（α+β），可以看出共晶体的量就等于t 2温度时液

相的量。因此（α+β）%=L%=72.2%，这时它的相组成物为α和β，它们的相对

量为α%=%5.60%100195.97505.97%1002=?--=?MN N t ，β%=100%-α%=39.5%。继续冷却由于固溶体的溶解度减小，因此它们都要发生脱溶过程，α初和α共的成分沿

MF 线变化析出二次相α初→βII ， α共→βII ；β共的成分沿NG 线变化析出二次相

β共→αII ，它们析出的二次相αII 和βII 的成分也分别沿着MF 和NG 线变化，相

对量逐渐增加。由于共晶体（α+β）中析出的二次相βII 与共晶体α、β混合

在一起，在显微镜下分辨不出，所以该合金的室温组织为α初+βII +（α+β）。

见图5.31暗黑色块状部分为α初，在其上的白色颗粒为βII ，而黑白相间的部分

为共晶体（α+β），图5.32为该合金的平衡凝固示意图。可以看出该合金在室

温时的相组成物为α和β两相，它们的相对量为%100%3?=FG G t F α，

%100%3?=

FG Ft G β，而组织组成物为α初+βII +（α+β），它们的相对量也可用

杠杆定律计算。由前面计算可知α初%=27.8%,(α+β)%=72.2%,现在要计算从α初中析出的βII 的量，应先计算出βII 的最大析出量（即为100%α初中能析出的βII 的量）βII 最大%=%100'?FG FM ，则从α初中析出的βII 量为，βII %=βII 最大%×α

初%=

%

8.

27

%

100

'

?

?

FG

FM

。另外由相图可以看出，所有亚共晶合金的凝固过程都

与该合金的凝固过程相同，不同的是当合金成分靠近M点时，α初的相对量增加，析出的βII%增加，其（α+β）的相对量减少；而合金的成分靠近E点时，α初的相对量减少，析出的βII%减少，（α+β）相对量增加。

图5.31 50%Sn-Pb 合金显微组织 200×

图5.32 亚共晶合金凝固过程示意图

4 、过共晶合金（70%Sn-Pb合金）

由相图可以看出过共晶合金的凝固过程与亚共晶合金的凝固过程相似，不同的是它的初生相（先共晶相）为β固溶体，因此它在室温时的组织为：β初+αII+（α+β），见图5.33，其中白亮色卵形部分为β初，黑白相间部分为共晶体（α+β），过共晶合金的具体凝固过程请大家课后自己进行分析。

由上述典型合金的平衡凝固过程分析，可以得出二元共晶系合金的组织组成物图

（或叫组织分区图）如图5.34。

图5.33 70%Sn-Pb 合金显微组织 200×图5.34 铅锡合金组织分区图

三、共晶系合金的不平衡凝固及组织

共晶系合金在不平衡凝固时，由于冷却速度快原子扩散不能充分进行，这不仅使固溶体产生枝晶偏析，而且还使共晶体的组织形态和共晶体与初晶的相对量发生变化，共晶系合金的典型不平衡凝固组织主要有伪共晶和离异共晶。

1. 伪共晶

由共晶系合金的平衡凝固过程分析可知，只有共晶成分的合金在平衡凝固时，才能得到100%的共晶组织。但是在不平衡凝固时，成分在共晶点附近的亚共晶和过共晶合金，也能得到100%的共晶组织，这种由非共晶成分的合金经不平衡凝固后，所得到的全部共晶组织称为伪共晶组织。

成分在共晶点附近的亚共晶和过共晶的合金，在不平衡凝固时能够得到全部共晶组织的原因是，在不平衡凝固时由于冷却速度较快，合金液体被过冷到共晶温度以下才凝固，这时液相对α固溶体的饱和极限，沿着α液相线的延长线变化，而液相对β固溶体的饱和极限，沿着β液相线的延长线变化，当合金液体过冷到这两条延长线所包围的区域中时，同时被α和β两相所饱和，发生共晶转变而得到全部的共晶组织，这两条延长线所包围的区域称为伪共晶区，凡是合金被过冷

到该区域才凝固，都能得到伪共晶组织。见图5.35。

图5.35 共晶系合金的不平衡凝固

通常亚共晶合金和过共晶合金在不平衡凝固时，随着冷却速度的增加，初晶量减少，共晶量增加。这种比平衡凝固时多出的共晶体都具有伪共晶特征，但不称它为伪共晶组织，因为伪共晶组织的形态特征与共晶组织完全相同，只是它的合金

成分不是共晶成分。

值得注意的是伪共晶区并不只是简单的由两液相线的延长线所构成，伪共晶区的形状和位置，通常与组成合金的两组元的熔点和组成共晶体的两相的生长速度以及共晶点的位置等因素有关。①当两组元的熔点相近，共晶点的位置一般处在共晶线的中间，这时两组成相的生长速度相差不大，因此，伪共晶区大体上与共晶点对称，见图5.36（a），②当组元的熔点相差较大时，共晶点的位置一般

偏向低熔点的组元，在这种情况下形成α（与液相成分相近）比形成β（与液相成分相差较大）容易。（因为只有当α相生长到一定程度后，使液相中溶质浓度升高到一定程度时才能形成β相），如果α相的生长速度比β相大的多，则伪共晶区偏向高熔点组元；当α相的生长速度约大于或等于β相的生长速度，则伪共晶区逐渐向低熔点组元偏离，见图5.36（c），(d)，（b），在这种情况下不平衡凝固时，共晶成分的合金也得不到全部共晶组织。

图5.36 四种伪共晶区

因此伪共晶区在相图中的位置，对于了解合金在不平衡凝固后的组织是很有帮助的，图5.37中共晶成分的Al-Si合金，由于伪共晶区偏向右边（Si侧），使其在不平衡凝固后得到α初+（α+Si）的亚共晶组织，（因为共晶成分的液相过冷后其表象点a，没有落入伪共晶区，则先凝固出α相，使液相成分移到b点，才能发生共晶转变，这就相当于共晶点向右移动，共晶合金变成了亚共晶合金），同样过共晶成分的合金在不平衡凝固后，也可能得到亚共晶或共晶组织。

图5.37 铝-硅合金系的伪共晶区

2. 离异共晶

离异共晶通常出现在成分接近M点或N点的端部固溶体合金的不平衡凝固组织

中，见图5.38。

图5.38 可能产生离异共晶示意图图5.39 4%Cu-Al 铸造合金中的离异

共晶，

晶界上的相为Al

Cu 200×

2

由图可以看出这样的合金Ⅱ在平衡凝固时，组织中不会有共晶体出现。但在不平衡凝固时，由于冷却速度较快，原子扩散不能充分进行，使形成的固溶体中存在

着枝晶偏析，其平均成分线偏离了固相线；（液相中由于原子扩散快，故可以认为它的平均成分线偏离的少或不偏离），因此当合金冷却到与固相线相交的温度时，凝固过程还没有完成，仍剩有少量液体；当合金冷却到共晶温度或共晶温度以下时，剩余液相的成分达到或接近共晶成分，它将发生共晶转变形成共晶体，由于剩余液相的量很少，并且是最后凝固，因此形成的共晶体往往为一薄层，分布在先共晶固溶体（初晶固溶体）的晶界或枝晶间，它的组织形态见图5.39。由于共晶体中与初生固溶体相同的一相，往往依附在初生固溶体上生长，而把另一相推向最后凝固的晶界处，因此这种共晶体失去了共晶组织的形态特征，看上去好象两相被分离开来，所以称为离异共晶。图5.39是含4%Cu的Cu-Al合金在不平衡凝固时形成的离异共晶（α+Al2Cu），在晶界处分布的是金属化合物Al2Cu。

由于端部固溶体合金在不平衡凝固时可以形成离异共晶，所以这种离异共晶组织是一种不平衡组织，可以用均匀化处理的方法予以消除。这种方法是将具有离异共晶组织的端部固溶体合金，加热到低于共晶温度并进行长时间保温，让原子进

行充分扩散，这样就能得到接近平衡状态的组织α+βII。

另外成分接近M点和N点的亚共晶和过共晶合金，在平衡凝固时也可能形成离异共晶（因为形成的初晶量很多，共晶量很少）这种离异共晶不是不平衡组织，所

以用均匀化处理也无法消除。

离异共晶组织容易和次生相组织混淆，所以容易将端部固溶体合金当作亚共晶或过共晶合金，或把亚共晶和过共晶合金当作端部固溶体合金，因此在制订实际生

产工艺时应严格加以区分。