共晶相图及其合金的结晶

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共晶相图(东南大学材料科学基础)

➢以合金平均成分点为支点 F
Pb
➢以两相成分点为端点
L
L＋
L＋ TS
E
N
＋
G Sn
W FC W CG
W FC W CG
%
对面力臂长杠杆总长
100%
CG FG
100%
%
对面力臂长杠杆总长
100%
FC FG
100%
T（℃） TA 10%Sn
1 2
3M
%
100 10 100 2
100%
液相线：
线： TA——E——TS
固相线：
TA—M—E—N—TS
固溶度曲线：
MF、NG
T（℃）
TA
L
L＋
M
183℃
L＋ TS
E
N
＋
F
G
Pb
Sn
共晶点：
E
点：
最大溶解度点：
M、N
2．相变反应
匀晶反应：
Lᅳ→ Lᅳ→
共晶反应：
L ᅳ →（＋）共
脱溶转变：
ᅳ → II ᅳ → II
T（℃）
TA
L
T（℃） TA
M
L
61.9%Sn
L＋
L＋ TS
E
N
＋
以合金平均成分点为支点
F
G
以两相成分点为端点
Pb
Sn
W MC W CN
%
EN MN
100%
%
ME
100%
MN
97.5 61.9 100% 45.4% 97.5 19
61.9 19 100% 54.6% 97.5 19
3．亚共晶合金

6.2.2二元相图-共晶

初 %
61.9 50 50 19 27.7%, （） % 72.3% 61.9 19 61.9 19
L L多
匀晶转变
脱溶转变
( )
共晶转变
II ( )
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
（5）组织组成物与组织图
• 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,可以清晰分辨的独立组成部分。
α
19
61.9
β 97.5
97.5 61.9 M % 100% 45.4% 97.5 19
（4）亚共晶合金与过共晶合金
① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
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(3)离异共晶
• 当合金中初生固溶体的数量很多而共晶量很少时，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
图可能产生离异共晶示意图

匀晶、共晶、包晶

反 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
应
T,C
要
点
L
L+
L+
183 c
d
e
+
Pb f
g Sn
L
X1合金结晶过程分析
T,C
T,C
1
L
2
L
L+
L
L+
L+
183 c
d
e
{
3
f4
Pb X1
+
g
Sn
+ Ⅱ
冷却曲线 t Ⅱ
X1L合金结晶特点
1.没有共晶反应过程，
T,C
而是经过匀晶反应形成
有一个三相共存的水平线dec。在该线上进行包晶反应。
包晶转变： Ld + c e
T,C
L+
c e
L
d L+
T,C
L
L+ L+
+
f
Pt
Ag%
铂-银合金包晶相图
+ Ⅱ
g
Ag
t
4、具有共析反应的相图
自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程称为共析反应。
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
简化的Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
912℃ A
G 共析相图
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )

--合金的晶体结构及结晶

定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异的现象。
影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性能都不利。
影响因素：
(1)冷却速度 (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）
解决措施：把合金加热到高温（低于固相线100℃左右，并进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的固溶体——扩散退火
具体方法：（1）确定两平衡相的成分（浓度）做通过某点温度的水平线，与液相线交点即为L相成分；与固相线交点即为α相成分。（2）确定两平衡相相对含量
T,C
1500
1400
1300
1200
1100 1000
a
Cu
（2）
QL
X1
X
20 b 40 60
Ni%
1455
c
Qα
（1）
T1
X2
Ni 80 100
凝固过程：
水（液相）
水+冰（双相）
冰（固相）
铁素体（ F ）白色
Fe3 C
Fe-C合金中的相— —F+Fe3 C
组织—— 相的形状、分布、组合状态。
双相组织（F+ Fe3 C）
单相组织（F）
合金中两类基本相：
固溶体 —— 合金在固态下由组元间相互溶解而形成的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为溶质。
பைடு நூலகம்
eg. 求某含 Ni的量为 X%铜镍合金，在 T1温度下液相的重量为QL 与 α相的重量为Q α。
（1）做T1温度的水平线，则其与液相线的交点

第四-五节--二元共晶包晶相图剖析

1
2
α
β
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶
伪共晶区具有不同的形状（对称或偏移）（下图）。
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶
伪共晶区的形状与共晶两相的结晶速度有关。二相结晶速度接近，同时结晶形成伪共晶组织，伪共晶区具有对称形态；二相结晶速度相差较大，则结晶较快的相成为先共晶的初生相，使伪共晶区向结晶速度慢的一侧偏移。二相结晶速度取决于二相成分与液相成分的差异。与液相成分接近的相具有较大的结晶速度，易形成先共晶的初生相。在共晶两相中，低熔点相易先结晶。
2 平衡凝固过程及组织包晶反应时原子迁移示意图
2 平衡凝固过程及组织（2）成分在d-p之间合金的结晶室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。
2
包晶转变前： α相含量: Wα =2b/db > pb/db
3 共晶组织及其形成机理（2）粗糙－平滑界面：金属-非金属型具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理（2）平滑－平滑界面：非金属-非金属型一般认为具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理（4）初生晶的形态：金属固溶体：粗糙界面－树枝状；非金属相：平滑界面－规则多面体。
第五节二元包晶相图
包晶转变：由已结晶出来的一定成分的固相和剩余液相（确定成分）反应生成另一个一定成分固相的转变。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。特点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生包晶反应。包晶组织：包晶转变产物。
M
2
E
剩余液相:WL=M2/ME =(30-19)/(61.9-19)=25.7%
1
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶

第三章共晶相图及其结晶 (2)

LwB=0.75==αwB=0.15 +β wB=0.95
求(1)wB=0.50的合金凝固后， α初与共晶体(α+ β)的相对量；
α相与 β相的相对量。 (2)若共晶反应后β初和(α+ β)共晶各占一半，问合金成分如何。
例题4.3.3:WB=40%的合金定向凝固，液-固界面平直，液相成分始终保持均匀，固相中扩散忽略。 (1)求凝固后金属棒中共晶体的相对量。 (2)求平衡凝固后共晶体的相对量
铁碳相图
(2)偏晶相图 • 偏晶转变：一定温度下从一定成的一种液相中分解出一个固相与另一种成份的液相，且固相的相对量总是偏多的转变。反应式：L1 L2+α
图形特点： α
L1 L2
• 相图实例：Cu-Pb，Cu-O，Mn-Pb，Cu-S
Cu-Pb二元相图
(3)熔晶相图 • 熔晶转变：一定温度时，从一个固相分解成一个液相和另一个固相的反应。反应式：δ γ+L 图形特点： γ δ
kR
1 2
• 形态：取决于两相的体积分数和相界面的比界面能。一相的体积分数小于30%，且比界面能较高时，易形成棒状共晶。一相的体积分数在30%~50%时，利于形成层片状。
第三节二元共晶相图
（二）粗糙-平滑界面（金属-非金属型）共晶 • 特点：形态不规则
（三）平滑-平滑界面共晶特点：形态很不规则
四、共晶系合金的非平衡凝固和组织
（一）伪共晶组织 • 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 • 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。 • 伪共晶区的位置：与共晶两相的结晶速度有关。偏向晶体结构复杂及具有平滑界面的相的一边。

第三章共晶相图及其结晶

(35)
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4 四、具有同素异晶转变的相图
(36)
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4
(37)
例4.5.1 分析WSn=0.2 的合金的平衡结晶
过程，说明室温相
组成物及组织。
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4
第八节二元相图的分析和使用
(38)
• 二元相图中的几何规律
(19)
• 包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成分的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。
• 包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具有包晶转变的相图。
• 图形特点：
L
α
β Lp+αc = βD
一、相图分析
点：线：区：
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4 二、包晶合金的平衡凝固和组织
(41)
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4
二相图与合金性能之间的关系
（一）机械性能和物理性能
固溶体强硬度较纯金属高
共晶成分附近性能突变
(42)
线性
纯金属导电性较固溶体高
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4
(43)
（二）根据相图判断合金的铸造性能
铸造性能：根据液固相线之间的距离X
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4 二、共晶系合金的平衡凝固和组织
(3)
（一）端部固溶体合金
结晶过程：
L α(匀晶)
α
βⅡ(脱溶)
室温组织：
α +βⅡ
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第三章5 共晶相图

wSn=10%合金的显微组织
H
6
合金Ⅰ的平衡结晶过程示意图
H
7
成分位于F和M之间的合金, 平衡结晶过程均与以上相似, 显微组织为α+ Ⅱ,只是两相相对含量不同.
α、β两相的含量可用杠杆定律求出,如合金Ⅰ的α、Ⅱ相的含量分别为：
F4 w FG 100 %
w
4G FG
100 %
H
Pb-Sn合金相图
wM E2E 10% 0661.1.99159010% 027.8% wLM M2E 10% 0651.90119910% 072.2%
H
16
亚共晶合金的显微组织
图中,暗黑色树枝状晶部分是先共晶α相,其中的白色颗粒是βⅡ,黑白相间分布的是共晶组织.
其中, 先共晶相的形态:
如果是固溶体,一般呈树枝状; 如果是亚金属和非金属或化合物,则一般具有规则外形.
H
12
共晶组织的形态
按两相的分布形态，可分为：层片状、棒状（条状或纤维状）、球状（短棒状）、针片状、螺旋状等。
原因:共晶组织中两个组成相的本质决定了其形态.
H
13
H
14
3 合金Ⅲ的结晶过程(亚共晶合金 19<wSn<61.9% ）
1-2点,匀晶转变,结晶出α固溶体；
温度降到2点,α相和剩余液相成分分别达到M点和E点,在共晶温度tE发生共晶转变:
W M 2P E 1E % 0 6 6 0 ..9 9 1 1 1 3 1 9 0% 0 7 0 .4 % 4
W ( ) P 2M M 1 E % 0 6 3 0 .9 1 1 0 1 9 1 9% 0 2 0 .6 % 5
H
23
相组成物α和β相的含量分别为：

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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）。