第十讲 共晶相图及其合金的结晶
第十讲共晶相图及其合金的结晶
第五节共晶相图及其合金的结晶
一、主要内容：
相图分析
典型合金的平衡结晶及其组织
不平衡结晶及组织
比重偏析和区域偏析
二、要点：
二元共晶相图的合金及特点，二元合金相图的特征（区、线、点），典型合金的平衡结晶过程及组织形貌，不平衡结晶的概念及组织，
三、方法说明：
重点讲解二元合金相图的特征和典型合金的平衡结晶过程及组织形貌。
授课内容：
两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图叫二元共晶相图。
（以铅锡合金为例进行说明：）
一、相图分析
液相线，固相线，溶解度曲线。
单相区，两相区。
三相共存区。
共晶反应
LE＝α＋β
共晶组织：
共晶线，共晶点，共晶温度，共晶合金，亚共晶合金，过共晶合金。
杠杆定律对平衡相的计算：（举例说明）
二、典型合金的平衡结晶及其组织
以铅锡共晶合金为例进行说明：
1、含锡量小于19％的铅锡合金的平衡结晶过程
2、共晶合金的平衡结晶过程
3、亚共晶合金的平衡结晶过程
4、过共晶合金的平衡结晶过程
三、不平衡结晶及组织
伪共晶
在平衡凝固条件下，只有共晶成分的合金才能得到全部的共晶组织。
然而在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。
离异共晶
由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。
四、比重偏析和区域偏析（简介）。
2.2合金的结晶
1.合金的相关概念
合金：一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔化 或其他方法结合在一起所形成的具有金属特质的物质。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并 有界面与其他部分分开的均匀组成部分。 相图：是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之 间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。
图2-12 匀晶相图合金的结晶过程
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶
反应。
• (三)匀晶结晶有下列特点： • （1）与纯金属一样，ɑ固溶体从液相中结晶出来的过程中， 也包含了生核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状 长大。 • （2）固溶体结晶在温度区间内进行，即为一个变温结晶 过程。 • （3）在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。 • （4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。 通过杠杆定律可以求出。 • （5）固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子 的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。
• 莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形 态是：块状或粒状A（室温是转变成珠光体）分布在渗碳 体基体上。 • S点为共析点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分的A发生 共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下 进行，反应过程中，A、F、Fe三相共存，反应式为： • AS=Fp+Fe3C 即A0.77=F0.0218+Fe3C 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光 体，以符号P表示，因而共析反应可简单表示为： A0.77=P0.77 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形 态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗 碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
材料科学基础材料科学基础§共晶合金的结晶PPT课件
.
22
§6-5 凝固技术
一、定向凝固
定向凝固是使铸件全部沿同一方向生长。由 此产生有相同取向的柱状、片层状及棒状所构 成的单相或双相组织，它的纵向性能明显高于 横向性能。
高温涡轮叶片以成功应用该技术。这种叶片
工作中常沿与主应力相垂直的横向晶界发生沿
晶断裂。通过定向凝固可使叶片中的晶界与主
应力相平行，从而显著提高叶片使用寿命。
区域熔化通过固定的感应加热器加热移动 的圆棒来实现。
区域提纯是应用固溶体凝固理论的一个突
出成就。
.
28
.
29
四、激冷技术（快速凝固）
雾化技术 是把熔体在离心力、机械力或高速流体
§6-3 共晶合金结晶
一、共晶转变机制
t/℃
LE→αC+βD 这一转变如何 进行？
共晶组织如何 形成、长大？
Pb-Sn二元相图
.
1
1. 共晶核心的形成
交替形核：在一定的过冷度下，由于两固 溶体的成分的差别，总有一个固相领先形核， 它称为领先相，设领先相为β，由于β富集溶 质B组元，其生长时附近液体则出现溶质贫 化区，β的存在和液体中溶质的贫化，α相将 附着在β上形核并长大，同理在α相外将附着 β的形核长大。于是两相交替形核、长大， 构成了共晶组织。
.
3
b)
a)片层状交替形核生长
b)片层状共晶分离扩散
片层状共晶的形核与生长
.
4
二、共晶组织形貌
1.共晶组织及分类
(1)按微观特征分：
层片状，棒状，球状，针状，螺旋状等。
当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一 般生长成层片状。当两相的相对数量比相差悬 殊时，在界面能的作用下，数量较小的相将收 缩为条、棒状，更少时为纤维状，甚至为点 (球)状。
合金的结晶过程较为复杂,通常运用合金相图来分析合金结晶...
LE C N
恒温
3）cf：为Sn在Pb中的溶解度线（或α相的固溶线）。温度降低， 固溶体的溶解度下降。从固态α相中析出的β相称为二次β，常 写作βⅡ。这种二次结晶可表示为：α→βⅡ 。 4）eg：为Pb在Sn中溶解度线（或相的固溶线）。Sn含量小于g 点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α；即 β→αⅡ。
2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即 为一个变温结晶过程。
工程材料原理
温 度 L4 A 1083℃ L3 L2 t4
I L1 t3
L L+α t α 1 t2 α α 3 2
B 1452℃
1
L L α
、α 4 3
α
α
Cu
XL X0 Xα Ni % Ni （a） （b） 图3-4 Cu-Ni合金相图
工程材料原理
1. 发生匀晶反应的合金的结晶
匀晶转变：从液相中不断结晶出单相固溶体的过程 称为匀晶转变。 匀晶相图：二组元在液态、固态时均能无限互溶的 二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系 称为匀晶系。 属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、AgAu、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。几乎所有二元合 金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类 相图是学习二元合金相图的基础。
20%Ni
1. 纯金属冷却曲线上有水平台阶，是 TNi 因为凝固时释放的结晶潜热补偿了 冷却时的热量散失，故温度不变； 说明纯金属凝固是恒温过程；
T2. Cu
100%Cu
时间
Cu-Ni合金相图的测绘 冷却曲线
合金冷却出现二次转折，是因为合 金凝固时释放的结晶潜热只能部分 补偿冷却时的热量散失，使冷却速 Cu 20 40 60 80 Ni 率降低，出现第一个拐点，凝固结 Ni % 束后，没有潜热补偿，冷却速率加 快，出现第二个拐点，两个点分别 为凝固开始点和凝固结束点。
共晶相图及其合金的结晶
第十讲共晶相图及其合金的结晶第五节共晶相图及其合金的结晶一、主要内容：相图分析典型合金的平衡结晶及其组织不平衡结晶及组织比重偏析和区域偏析二、要点：二元共晶相图的合金及特点，二元合金相图的特征（区、线、点），典型合金的平衡结晶过程及组织形貌，不平衡结晶的概念及组织，三、方法说明：重点讲解二元合金相图的特征和典型合金的平衡结晶过程及组织形貌。
授课内容：两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图叫二元共晶相图。
（以铅锡合金为例进行说明：）一、相图分析液相线，固相线，溶解度曲线。
单相区，两相区。
三相共存区。
共晶反应LE＝α＋β共晶组织：共晶线，共晶点，共晶温度，共晶合金，亚共晶合金，过共晶合金。
杠杆定律对平衡相的计算：（举例说明）二、典型合金的平衡结晶及其组织以铅锡共晶合金为例进行说明：1、含锡量小于19％的铅锡合金的平衡结晶过程2、共晶合金的平衡结晶过程3、亚共晶合金的平衡结晶过程4、过共晶合金的平衡结晶过程三、不平衡结晶及组织伪共晶在平衡凝固条件下，只有共晶成分的合金才能得到全部的共晶组织。
然而在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。
离异共晶由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。
四、比重偏析和区域偏析（简介）。
合金的结晶与相图
实际金属结构
金属的结构 特点：
是晶体 是多晶体 晶体内部有 缺陷
金属晶格内部的缺陷 1. 点缺陷
点缺陷的存在使金属能够比较容易的发 生扩散现象
2. 线缺陷-位错
位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
3. 面缺陷
面缺陷的存在使金属的强度提高
金属的结晶
一.结晶的概念 二.理论结晶温度 与实际结晶 温度：过冷 度ΔT 三.金属结晶的必 要条件：一 定的过冷度
工业纯铁
含碳量：C%<0.02% 结晶过程分析：
γ→α＋γ→α→α＋Fe3C
室温平衡组织：
α＋Fe3C
共析钢
含碳量： C%=0.77% 结晶过程分析：L→L+γ→ γ→(α＋
Fe3C)
室温平衡组织：P
亚共析钢
含碳量： 0.02% <C % <0.77% 结晶过程分析：γ→ γ+ α →α＋P 室温平衡组织： α +P
按溶质原子在基体金属晶格所占据位 置的不同分：
置换固溶体 间隙固溶体
按溶解度分：
有限固溶体 无限固溶体
置换固溶体
பைடு நூலகம்
置换固溶体有可能形成无限固溶体
影响置换固溶体溶解度的因素
晶格类型 原子直径的相对大小； 电负性的差别； 电子浓度。
间隙固溶体
由H、O、C、N、 B溶入过渡族金 属而形成； 溶解度很小； 强化效果优于置 换固溶体。
浇注时加快冷速和进行搅拌。 不能用热处理来消除。
共晶相图及其合金凝固
7.3.2 共晶相图及其合金凝固1．共晶相图组成共晶相图的两组元，在液态可无限互溶，而固态只能部分互溶，甚至完全不溶。
两组元的混合使合金的熔点比各组元低，因此，液相线从两端纯组元向中间凹下，两条液相线的交点所对应的温度称为共晶温度。
在该温度下，液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这样两相的混合物称为共晶组织或共晶体。
图7.6 Pb-Sn 相图图7.6所示的Pb-Sn相图是一个典型的二元共晶相图。
具有该类相图的合金还有Al-Si，Ph-Sb，Ph-Sn，Ag-Cu等。
共晶合金在铸造工业中是非常重要的，其原因在于它有一些特殊的性质：①比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作；②共晶合金比纯金属有更好的流动性，其在凝固之中防止了阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善铸造性能；③恒温转变（无凝固温度范围）减少了铸造缺陷，例如偏聚和缩孔；④共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织可能成为优异性能的原位复合材料（in－situ composite）。
根据相律，在二元系中，三相共存时，自由度为零，共晶转变是恒温转变，故是一条水平线。
图中MF和NG线分别为α固溶体和β固溶体的饱和溶解度曲线，它们分别表示α和β固溶体的溶解度随温度降低而减少的变化。
在图7.6中，相平衡线把相图划分为3个单相区：L，α，β；3个两相区：L+α，L+β，α+β；而L相区在共晶线上部的中间，α相区和β相区分别位于共晶线的两端。
2．共晶合全的平衡凝固及其组织现以Ph-Sn合金为例，分别讨论各种典型成分合金的平衡凝固及其显微组织。
图7.7w(Sn)=10％Pb-Sn合金平衡凝固示意图a. w(Sn)＜19％的合金图7．7为w(Sn)=10％的Pb-Sn合金平衡凝固过程示意图。
所有成分位于M和F点之间的合金，平衡凝固过程却与上述合金相似，凝固至室温后的平衡组织均为β＋αII，只是两相的相对量不同而已。
而成分位于N和G点之间的合金，平衡凝固过程与上述合金基本相似，但凝固后的平衡组织为β＋αII。
2.2 合金的结晶
两条曲线： 液相线、固相线 三个区：L、L+α、α
L为液相，是Cu和 Ni形成的液溶体 α为固相，是 Cu和 Ni组成的 无限固溶体。 双相区: L +α相区
相图中aa1c 线为液相线，该线以上合金处于液相；ac1c 为固相线，该线以下 合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终 点以及加热时熔化的终点和始点。
共晶反应元在液态下 完全互溶，在固态 下有限互溶，并发 生共晶反应时所构 成的相图称作共晶 相图。 • 以 Pb-Sn 相图为例 进行分析。 Pb-Sn合金相图
• ⑴ 相图分析 • ① 相：相图中有L、、 三种相， 是溶质Sn 在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
共晶体长 大示意图
Pb-Sn共晶组织
• 具有共晶成分的合金称共晶合金。共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于 共晶点以右的 合金称过共晶 合金。
A
L+
C
61.9%
B D
凡具有共晶线 成分的合金液 体冷却到共晶 温度时都将发 生共晶反应。
⑴ 相图分析 单相区：L、、β 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L++ （水平线 PDC）
L+
L
L+ +
• 水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该 温度下发生包晶反应：LC+P⇄ β D 。该反应是液 相L包着固相, 新相 β 在L与α的界面上形核，并 向L和两个方向长大。 在一定温度下，由一 个液相包着一个固相 生成另一新固相的反 应称包晶转变或包晶 反应。
23.二元合金共晶相图及结晶
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
1 共晶相图分析
液相线 固相线
AE和BE线 AC和BD
961.9 A L E T/℃ α B 8.8 28.5 C 1084.5
共晶线
CED
D 92
β
三相平衡LE→αC＋βD 自由度为零，温度和相 成分都恒定不变 亦为固相线
固溶度线
A
C L
析出的βⅡ 附着在相邻的β上，看不出形貌改变 同理，β沿着DG变化析出αⅡ β相 析出的αⅡ 也附着在相 邻的α上， 看不出形貌 改变 α β α β α β 这种变化以 后不分析
9
α
T/℃
B
8.8
E
28.5
D
92
β
α α相β
F
Ag
G
Cu
W Cu%
2015-6-14 柏振海 baizhai@
材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
x1合金凝固过程
此时全部保持熔体状态
温度1
961.9 1084.5
A
1
L
C
开始凝固，析出α相
温度2 凝固完毕为单相固 溶体晶粒 温度2-3之间 没有相变发生，组 织不变
F
Ag
2B
T/℃
E
28.5
α
D
92
8.8
β
3
G
99.9
0.35
Cu
W
Cu%
2015-6-14
Ag
对应3 点α析 出的 βⅡ成 分
Cu
F
0.35
4 W Cu%
G PG
α和βⅡ 的体积百分含量
合金的结晶
晶点以右的合金称过共 晶合金。 凡具有共晶线成分的 合金液体冷却到共晶温 度时都将发生共晶反应。
Pb—Sn 合金相图
合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相
⒉ 铁碳合金的相
(1)液相 L
(2)δ相：高温铁素体，在1394℃以上 存在
(3) 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或
铁素 体
表示。
碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃
时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
亚共晶合金 的结晶过程
④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
（三）包晶系合金的结晶
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，
并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。
以Pt-Ag相图为例简要分析 ⑴ 相图分析
单相区：L、、β 二相区：L+、 L+、
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sb饱和, 发生
共
晶反应：Ld ⇄(C+e) 。
共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
粗糙－光滑界面系的歪斜型伪共晶区；
32
2020/9/23
Al-Si系的伪共晶区歪斜于Si的一边，所以一般铸造的 共晶（甚至过共晶）合金获得亚共晶组织，过共晶合金 一定要过冷至伪共晶区才可获得全部共晶组织。
Al-Si系的伪共晶区
(a)Al-Si系等轴成长时的伪共晶区； (b)过共 晶Al-Si合金的显微组织， ×200；
2020/9/23
共晶合金的性能
（1）有良好的流动性，能很好地填充铸模
（2）合金系中共晶的熔点最低，简化熔化和铸造工艺，降 低能源消耗和坩埚腐蚀
（3）利用定向凝固使共晶两相获得细而均匀的定向排列， 制造共晶复合材料
• 利用共晶熔点最低的特性配制各种易熔合金，如焊料、保 险丝材料：铅和锡的共晶熔点为183℃，若制成铅、锡和 铋三元共晶，其熔点降至96℃
α II
组织：β + α II +共晶
15
50 0x
2020/9/23
例题：
1按下列数据，做出A-B二元共晶相图:
(1)TA>TB(TA,TB分别是A，B的熔点)；
(2)
L WB 0.6
WB 0.15
WB 0.95
(3)B在A中的溶解度随温度下降而减少，室温时为WB=0.03 ；A在B中的溶解度不变。
• 所以在同样条件下，共晶凝 固速度比单相溶体要快得多
远处液体浓度
e jk
jk
j
层状2共3 晶成长时界面前沿的横2向02原0/子9/2扩3 散
共晶的形核
• 一个共晶晶粒中的每一单片层并不都需要单独形核，各片 层间多半是通过搭桥连接起来
层片共晶形核和成长
(a)单独的α片；
(b)β相在α片主要原因是由于非金属相晶体结构上的特性不同，使其 成长时具有明显的各向异性