第四节 二元包晶相图
机械工程材料-二元共晶相图
§3-4 二元包晶相图 一、包晶相图分析
液相线
T/C
1772
固相线
A L+
P
1186
D
L C L+
66.3
固溶线
固溶线
961.9 B
10.5 42.4
+
F Ag%
包晶点 包晶线
Pt
E Pt-Ag合金相图
Ag
包晶反应：LC+ P D
§3-4 二元包晶相图
二、典型合金的平衡结晶过程
L
200
M
61.9 E
L t2 L t2( ' )
L
( +) + Ⅱ α
100
( +)
Ⅱ
+
Ⅱ+(
+)
Pb
10 20 30 40 50 60 70 WSn(%)
t/s
亚共晶组织（ 50% Sn 的Pb-Sn合金）
§4-3 二元共晶相图 共晶()
初生 Ⅱ
A
M
பைடு நூலகம்
E
N
+Ⅱ+(+)
30
(+)
100
B
40
50
60
70
80
100%
Ⅱ
61.9 c 19 2 100 % 61.9 2 100 2
WSn(%)
100 c 100 % 100 2
( )
c 19 100 % 61.9 19
E
100
+
G
0
0
二元共晶相图ppt课件
• 两相参差不齐，
• Si相成长时各向
• 异性，产生分枝。
；.
29
• 4.3.3.3 平滑-平滑界面(非金属-非金属型)共 晶：这类共晶体中的两相都是平滑界面。 因为这类材料目前应用较少，研究也就很 少。有人认为其显微组织很不规则。
；.
30
• 4.3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
21
• 4.3.3 共晶组织及形成机理
• 共晶组织的基本特征是两相交替排列。呈 片状，针状，螺旋状和球状等。把共晶体 的形貌和两相的融化熵结合分析，可将共 晶组织分为三类：粗糙-粗糙界面(金属-金 属型)共晶；粗糙-平滑界面(金属-非金属型) 共晶；平滑-平滑界面(非金属-非金属型)共 晶。
；.
22
；.
1
• 我们以Pb-Sn相图为例讨论二元相图。
；.
2
• 图中有三个单相区：L；α；β。三个两相区： L+α；L+β；α+β。一个三相区(线段MEN)： L+α+β。
• 共晶转变指具有E点成分的液相，当冷却至 温度tE时，将同时结晶出两个成分不同的固 相：M点成分的α相和N点成分的β相。其共 晶反应式为：
；.
11
• 共晶转变完成后继续冷却时，共晶体中的α
与β相都要发生脱熔转变，分别析出 αⅡ。
βⅡ和
• 由于共晶体中的次生相常依附于共晶体中
的同类相析出，所以在显微镜下难以识别。
Pb-Sn二元共晶合金在室温下
• 的组织见图4-18，黑
• 色部分为α相，白色
• 部分为β相，两相呈
• 片状交替分布。
；.
12
• 因此同时对α和β饱 • 和，发生共转变， • 形成伪共晶。因为 • 过冷度有限，所以 • 伪共晶区域不大。
第四节 二元包晶相图
0E
20
F 100
Pt P57图3-20
Ag%
Ag
Pt-Ag合金相图
单相区L、 、 双相区L 、 L + 、 +
二、包晶合金的平衡结晶过程与室温组织
L L
1800
A
T/ ℃
1600
1
L
1
1400
1200 温 度 1000
C
1186
D
P
10.5
42.4
66.3
B
D
D'
+ Ⅱ
β
1200
1100
1000
1000
800
β
0
B
900
600
800
Ni
W Cu (%)
Cu
A
B%
B
400
E
20
40
60
80
F 100
Ag%
L α β α
L
β
四、相图的应用
1、识别分析相图要领 基本反应，三种线，水平线是关键； 相区有一有二没有三，三相共存水平线；
杠杆定律别小看，能定成分能把量来算。
2、分析合金结晶
本章知识回顾
一、基本概念
1、固态合金的相结构
纯 金 属 合 金 三元 合金 固溶体 二元 合金 金属间化合物 多元 合金 置换固溶体 正常价化合物
金 属 材 料
间隙固溶体
非正常价化合物
2、相图
（二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图）
3、几种转变
（匀晶转变、共晶反应、包晶反应）
4、平衡结晶、非平衡结晶、晶内偏析、扩散退火
6.2.3二元相图-包晶及其他二元相图
2.平衡结晶过程及其组织
（1）含42.4%Ag的Pt-Ag合金
图 合金Ⅰ的平衡结晶过程
L 匀晶转变 L多 包晶转变 脱溶转变 II
（2）42.4%<Ag<66.8%的Pt-Ag合金
图 合金Ⅱ的平衡结晶过程
L 匀晶 L多 包晶 L多 匀晶 脱溶 II
（3）10.5%<Ag<42.4%的Pt-Ag合金
图 合金Ⅲ的平衡结晶过程
L 匀晶 L多 包晶 多 脱溶 II II
3.不平衡结晶及其组织
L36 9550 C L87 Cu
图 Cu-Pb相图
（4）共析转变的相图 由一个一定成分的固相,在 恒温下同时转变成另外两个 一定成分的固相的过程，称 为共析转变。
Ti 5900 C (Ti)
图 Fe-Ti相图
（5）包析转变的相图 由两个一定成分的固相，在 恒温下转变成另一个一定成 分的固相的过程，称为包析 转变。
• 由于包晶转变时，L和α相中的A、B组元的扩散都必须通 过β相进行，而原子在固相中的扩散速度很慢，因此包晶 转变的速度也相当慢，所以在实际生产条件下，由于冷却 速度较快，原子不能进行充分扩散，因此包晶转变也不能 充分进行。
图 包晶反应时原子迁移示意图
异常α 相：导致包晶偏析〔包晶转变要经β 扩散。包晶偏析：因包晶 转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。〕
6.2.3 包晶相图
• １.相图分析 • 由一个液相与一个固相在
恒温下生成另一个固相的 转变称为包晶转变。 • 两组元在液态无限溶解， 在固态有限固溶，并且发 生包晶反应的相图，称为 包晶相图。
第四章-二元合金相图
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
材料科学基础-二元系相图及其合金凝固1.3-二元包晶相图
➢以后,随着温度继续下降，在4点以 下温度范围，从β相中析出次生相α， β→αⅡ。此时，合金处于α和β两相平 衡，直至室温。 ➢合金在室温处于α和β两相平衡，室 温组织为β+αⅡ。
18
（3） 包晶点(P)以右合金II的平衡凝固
1
L＋
D
P2
42.4
1 L＋2
3
19
➢在0~1点温度范围,合金为液相。
其中,α相呈黑色， 是包晶反应的产物。 βⅡ呈白色的点状， 由α相产生
Sn-Sb轴承合金平衡组织
40
4、包晶转变的实际应用
(2). 包晶转变的细化晶粒作用
在铝及铝合金中添加少量的钛,可获得显著的 细化晶粒效果。
当含钛量超过0.15% 以后，合金首先从液体 中结晶出初晶TiAl3，然后在665℃发生包晶转 变:L+TiAl3→α。TiAl3对α相起非均匀形核作 用，α相依附于TiAl3上形核并长大。由于从液 体中结晶出的TiAl3细小而弥散，其非均匀形 核作用的效果很好，细化晶粒作用显著。
❖ 其转变：是在一定温度下从一个液相中同 时分解出一个固相和另一成分的液相的过 程，且固相的相对量总是偏多。
即：L1→ A+L2 ❖ 具有偏晶转变的二元系有：Cu－S、Cu－
O、Mn－P
53
具 有 偏 晶 转 变 的 相 图
54
3. 具有合晶转变的相图
❖ 合晶转变（syntectic reaction）相图 特点:二元组在液态下有限溶解,存在不 熔合线，不熔合线以下的两液相L1和 L2。
在包晶转变过程中,β相是包围在α相 的外面，通过消耗液相和α相而生长。在 这过程中，液相和α相的原子是不能直接 交换的，而必须通过在β相中的扩散来传 递。
第四章 二元合金相图与合金凝固参考答案
第四章二元合金相图与合金凝固一、本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图二、1.填空1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶__。
讲座-44-45包晶相图学习文档
由L/界面开始包围着 ，同 时向L、长大，且同时消耗完， 生成
T（℃） A
L 42.4%Ag
L＋
C
D
＋
E Pt
P
L＋
F
相： ＋ 组织： 包 ＋ II
B
Ag
2. CD段合金
T（℃） A
L
L
L→
L＋ →
E
Pt
ᅳ → II ᅳ → II
δ→＋L
2．合成型
（1）包析：
两固相合成一 个新固相
＋ Fe2B ᅳ →
（2）合晶： 两个互不溶液相共同生成一个固相 L1＋ L2 ᅳ →
三、有序无序转变
←→ ←→ ←→
四、同素异晶转变
←→ ←→
五、复杂二元相图特点总结
1. 恒温转变类
共晶转变 L
相： ＋ 组织： 初 ＋ 包＋ II ＋ II
L＋
P
C
D
L＋
B
＋
F Ag
与D点类似，但L相消耗 完时， 还有剩余
3. DP段合金
T（℃） A
L
L
L→
L＋ →
L＋
P
C
D
L＋
B
＋
L→
E
Pt
F Ag
相消耗完时， L还有剩余
ᅳ → II
由杠杆定律求出
三相区： 三相的成分是固定的，反应前后相的相对含量
由杠杆定律求出
2.
分
析
实
L
例
第四章：二元相图
2.杠杆定律： 问题提出： ①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的相对重量是多少？
例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？ ②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？
例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？ 杠杆定律可以解决此类问题。
纯金属结晶：在负的温度梯度下---------树枝晶。 在正的温度梯度下------平滑界面（平面长大）
固溶体合金，即使在正的温度梯度下，也会形成树枝晶-------是由于 成分过冷造成的。 （1）成分过冷概念：固溶体合金结晶时，由于液固界面前沿存在溶质 浓度梯度而改变了过冷情况，称为成分过冷。
（2） 产生原因： 以K0<1为例(图示说明) 过冷度：界面前沿液相实际温度<液相平衡结晶温 度 （3） 产生成分过冷的条件： (讨论成分过冷的影响)
④具有共晶转变的二元合金： Pb-Sn Pb-Sb Fe-C(C>2.11%) Al-Si Al-Cu Ag-Cu
第四章：二元相图
4.2.2共晶相图
1.相图分析
以Pb-Sn二元合金相图为例：
三个单相区：L、α、β α：Sn溶入Pb中固溶体 β: Pb溶入Sn中固溶体
AEB-液相线 E点：共晶合金 AMNB-固相线 ME之间：亚共晶 ; EN之间：过共晶合金 MF-Sn在Pb中溶解度曲线，随T↓,溶解度↓ NG- Pb在Sn中溶解度曲线
第四章：二元相图
4.2.2共晶相图
2．典型合金平衡结晶及组织
（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn) 在183℃，由61.9%Sn的液相，同时结 晶出α（19%Sn）和β（97.5%Sn）两 种固溶体。
第四章 二元合金相图与合金凝固
第四章二元合金相图与合金凝固本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al2O3-SiO2二元系相图相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图1.填空1 相律表达式为_____________________________。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和____________________。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用_________________热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为________________状。
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0E
20
F 100
Pt P57图3-20
Ag%
Ag
Pt-Ag合金相图
单相区L、 、 双相区L 、 L + 、 +
二、包晶合金的平衡结晶过程与室温组织
L L
1800
A
T/ ℃
1600
1
L
1
1400
1200 温 度 1000
C
1186
D
P
10.5
42.4
66.3
B
D
D'
+ Ⅱ
本章知识回顾
一、基本概念
1、固态合金的相结构
纯 金 属 合 金 三元 合金 固溶体 二元 合金 金属间化合物 多元 合金 置换固溶体 正常价化合物
金 属 材 料
间隙固溶体
非正常价化合物
2、相图
（二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图）
3、பைடு நூலகம்种转变
（匀晶转变、共晶反应、包晶反应）
4、平衡结晶、非平衡结晶、晶内偏析、扩散退火
5、相与组织的区别
二、相图的作法
选组元，配合金 熔化测冷却曲线 确定温度 连曲线
合金要纯 无限缓冷 临界温度 意义相同
确定相
三、常用的相图特点及分析
L
1500
L
T
1800
L
A
1600
1400
L α α
0 20 40 60 80 100
L
L α
C P
1300
1400
1200
2、相图分析
1772A
1600 1800
点：D 线：
L
L
1400
温 度
1200
C
10.5
1186 42.4
D
P
66.3 L+ 962
1000
B
800
+
液相线APB 固相线ACDB 包晶线CDP L P + C D 固溶度曲线 CE、DF
600
区：
40 60 80
400
β
1200
1100
1000
1000
800
β
0
B
900
600
800
Ni
W Cu (%)
Cu
A
B%
B
400
E
20
40
60
80
F 100
Ag%
L α β α
L
β
四、相图的应用
1、识别分析相图要领 基本反应，三种线，水平线是关键； 相区有一有二没有三，三相共存水平线；
杠杆定律别小看，能定成分能把量来算。
2、分析合金结晶
室温组织： + Ⅱ
包晶偏析——即包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不 均匀现象。 包晶偏析易在包晶转变温度较低的合金中出现（如下图）。 包晶偏析可采用长时间的扩散退火来减少或消除。
灰色是原始 ε 相
黑色基体是L余相在 227℃形成的共晶体
白色为包晶反应 生成相——η相
• 含65%Sn的Cu-Sn合金的非平衡组织
分析结晶也不难，首先定好合金线；
画曲线，分阶段，各段画出相转变； 引线标相（组织）名，这样做最简便。
结 束
L
800
600
400
+ Ⅱ
0
E
20
40
60
80
F 100
t/s
Ag%
P57图3-20
包晶合金的平衡结晶过程
概括起来，包晶合金平衡结晶过程为： 包晶温度以上： 液态 L42.4 液相线到包晶温度之间： 液态L 包晶转变 L66.3 10.5 42.4 包晶温度（1186℃）： 包晶温度以下： Ⅱ
§2-4 二元包晶相图
一、二元包晶相图分析
1、基本概念
什么叫包晶转变？ 合金在冷却到某一温度时，已结晶出的一定成 分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相发生 反应结晶出另外一种固相，这就是包晶反应。即： L
许多合金系都具有包晶转变，例如Pt-Ag、Sn-Ag、 Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn等。Pt-Ag合金相图是一 种比较简单的包晶相图，下面以此为例进行分析。