铅锡共晶相图分析(图文借鉴)
铅锡金属相图实验报告
铅锡金属相图实验报告
实验目的：掌握铅锡合金的制备及相图的绘制方法，探究铅锡合金的相变规律。
实验原理：铅锡合金为二元系合金，其相图是描述该合金在不同温度下各组元素所处状态的图表。
通常情况下，铅锡合金中的铅和锡的质量比例越靠近100:0或0:100，合金的熔点会极低或极高。
铅锡合金相图的绘制可以通过测定不同成分的合金相变温度和比重来得出。
实验步骤：
1.准备材料和设备，将精确量取的铅和锡粉按不同的比例混合制备成不同成分的合金样品，将样品置于电炉中进行加热。
2.记录不同成分合金的熔点温度和比重，并将实验结果整理成铅锡合金相图。
实验结果：
实验中我们制备了6份铅锡合金样品，分别为：Pb100，
Pb90Sn10，Pb75Sn25，Pb50Sn50，Pb25Sn75，Sn100。
经过测量
发现，Pb100和Sn100分别在177℃和231℃处熔化，熔点极高；Pb50Sn50的熔点较低，为182℃，而Pb75Sn25的熔点则较高，为221℃。
通过测量每份样品的比重，我们得到了铅锡合金相图如下
图所示：
（插入相图，图中分别标出了不同成分合金的熔点和比重数据）实验结论：
从铅锡合金相图中我们可以看出，当铅和锡的比例为50:50时，合金的熔点最低，这也与工业生产中使用较为普遍的63/37配比相符合。
另外，当合金成分接近两种单质时，熔点也会较低或较高。
铅锡合金相图的制备过程中需要一定的实验技巧和认真的测量，
但通过此实验我们更深入地了解了铅锡合金的相变规律，对于工
业应用也有一定的参考价值。
第3章 二元相图(匀晶,共晶)
固溶体平衡凝固的三个过程 （1）液体内的扩散过程 （2）固相的继续长大 （3）固相内的扩散过程
固溶体的平衡冷却结晶过程：冷却时遇到液相线开始结 晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均匀固溶体。在结晶 过程中每一温度，其液相、固相成分和相对量可由该温度 下作水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出。随 温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变 化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕。
合金品种
金属材料合金品种非常多
80种元素配制合金，任取三种元素组成的三元合金系 有80×79×78/3×2=82160种 每一合金系中还可以改变各组元的相对含量，形成许 多合金品种
2.1 相图的表示和测定方法 2.2 相图热力学基本要点 2.3 二元相图分析
2.1
相图的表示和测定方法
一、 二元合金中存在的相 二、二元相图的表示、含义和杠杆定律 三、用实验方法测绘二元相图
x合金凝固过程及组织 冷至T1时
开始凝固出α1成分的固相 α1中的含Ni量比x合金高， α1旁的液体中含Ni量降 低，扩散平衡后液体成分 为L1
二）固溶体的平衡凝固 温度降至T2温度
凝固出的固相成分沿固相线 变至α2 ，与之平衡的液相 成分则沿液相线变至L2 液固两相共存；两相的含量 分别为
2 L2 % 100% L2 2
二、 多相平衡的公切线原理
相平衡条件 相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。 A = A =…… 在自由能—成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。
二元合金系中当两相平衡时，两组元分别在两相中化 学势相等。两相平衡时的成分由两相自由能—成分曲线的 公切线所确定，两相曲线的切线斜率相等，即它们的公切 线 。
L2 2 % 100% L2 2
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
共晶包晶共析
共晶包晶共析
⑴ 相图分析 ① 相：相图中有L、、 A
三种相, 是溶质Sn在
B
Pb中的固溶体， 是溶 质Pb在Sn中的固溶体。
② 相区：相图中有三个 单相区： L、、；三 个两相区： L+、L+、 + ；一个三相区：即 水平线CED。
③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B 分别为Pb、Sn的熔点。
Pb-Sn共晶组织
共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，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
A
合金。 凡具有共晶线
成分的合金液
L+
B
C
D
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程
①共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时， Pb和Sn同时达到饱和, 发
相区进入相数 少的相区曲线 向左拐。 ③ 发生三等温 转变时，冷却 曲线呈一水平 台阶。
⑵ 分析合金结晶过程 ① 画出组织转变示意图。 ② 计算各相、
各组织组成物相 对重量百分比：
a. 在单相区，合 金由单相组成， 相的成分、重量 即合金的成分、 重量。
b. 在两相区，两相的成分随 温度沿各自的相线变化，各 相和各组织组成物的相对重 量可由杠杆定律求出。
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
。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
铅锡合金金属相图
MT4 Phase Diagram of Pb-Sn AlloysName：SHI T ai S tudent Number:528882271.Purposes：1. Define component, phase, diagram phase, and cooling curve.2. Describe the phase change taking place at different point on a cooling curve.3. Construct a diagram from cooling curves.2.Instruments and specimens：CruciblesThermoelectric coupleHeating-furnaceMulti-channel graph recorderStirrer barSpecimens：3.Introduction:A phase diagram is a plot of the equilibrium state of a system. A eutectic system can occur when terminal solid solutions exist on both end of the binary equilibrium phase diagram. In the Pb-Sn alloys system, there are two solid solutions-α and β. T he α phase indicates a solid solution of tin in lead, whereas β presents in the opposite way. The eutectic invariant point appears at 61.9 wt% Sn. The maximum solid-state solubility both occur at 183℃ which is referred to as the eutectictemperature. At this temperature, there exists a point on the phase diagram (a single combination of composition and temperature) where three phases (the two solids and a solid) can exist simultaneously in equilibrium. This combination of temperature and composition is an invariant point on the binary diagram like the freezing point of water on the single component system the eutectic reaction where upon cooling L→α+β represents the isothermal transformation of liquid into two different solids. Depending upon the overall bulk composition of the system, a variety of different equilibrium microstructures are possible. However, as mentioned above, equilibrium requires sufficient time for the system to find the minimum in free energy. In real systems, this is not always possible and non-equilibrium microstructures are common. When this same type of reaction occurs in the solid state where one solid decomposes into two new solid phases isothermally, this is called a eutectoid reaction. γ→α+β.These relationships are determined by these principles of the thermodynamics and have practical applications in many fields of science and engineering.4.Procedure:1.Setting up the apparatus.2.Switch on the bottoms to heat coil until the temperature up to around 400℃.3.Switch on Multi-channel graph recorder and set the chart speed.4.Control the cooling rate under 5℃ per minute.5.Turn off the bottoms when the temperatures of the specimens fall down to 100℃.100020003000400050100 1502002503003504004500 1 2 3 45Amplified Cooling Curves of Pb-Sn AlloysTime(s)5. Results and DiscussionsFigure 1Figure 2Temperature(℃)T able1. The composition of Pb-Sn AlloysT able2. Arrest points of Pb-Sn AlloysFigure 3 The experimental and standard Pb-Sn phase graphAs can be seen from the experimental and standard diagram of Pb-Sn alloys, there are some diversities between them. This experiment studys the binary Pb-Sn system dominated of eutectic alloy system. It is clearly finds the two different elements are absolutely soluble in each other under the liquid condition, while only partially soluble in the solid phase. Alloys in which solid-to-solid convention occurred are easily analyzed for phase graph through the cooling curve method of thermal analysis. This is because the solid condition transformation is often sluggish and the thermal exchange is too small that we can hardly discover by cooling curves.6.The answer to the questions1.What is the expected difference in cooling curves for Pb-10 percent Sn and Pb-40 percent Snalloys? Explian.The cooling curve of 10 percent Sn in Pb has a constant melting piont at 303℃, while the curve for Pb-40 percent Sn ranging from 186℃ to 243℃. This is mainly due to the composition of the alloy.2.Discuss the arrest point in Pb-62 percent Sn alloy.The point is the Eutectic point and the transformation through this point is called Eutectic reaction: L→α+β. It is clearly see the arrest temperature of Pb-Sn alloys is about 186℃, which is a bit different from the data shown in the standard Pb-Sn phase graph (183℃). The reasons may be the follow three. First, a member of our group touched the heat-sensitive line during the experiment, which leads to inaccuracy of measurement. Second, the specimens of Pb-Sn alloys have been used for many times so that they may be partly oxidation by the air, that is to say, the samples isimpurity. Third, there are only 6 channels of samples through the whole experiment. It is a little less to describe a complete phase diagram. To accurately identify the phase boundaries requires many samples.3.What types of binary system are represented by the Pb-Sn diagrams?The Pb-Sn system is characteristic of a valley in the middle. Such system is known as the Eutectic system.4.Would you expect a different in the arrest points obtained by heating curves and coolingcurves?Actually, the difference is that the liquid may cool to a temperature below its freezing point before crystallization occurs, this is called supercooling. Once solidification begins, the temperature will rise to the freezing piont and remain there until solidification is complete. Most alloys will solidify from the molten state over a range of temperature. The cooling curves will thus have liquid-solid transition pionts at two different temperatures representing the beginning and end of solidif ication.7.ReferencePhase Diagram Tutorial: /~pasr1/Non-ferrous metal online: 。
共晶、包晶、共析
⑶ 两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相 由两相邻单相区的 相组成。 ⑷ 三相区的确定： 二元相图中的水平 线是三相区，其三
Fe-Fe3C相图
个相由与该三相区
点接触的三个单相
区的相组成。
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 反应式 L⇄ + 说明 恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。 恒温下由一个液相包着 一个固相生成另一个新 的固相。 恒温下由一个固相同时 析出两个成分结构不同 的新固相。
A B
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共
晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织 共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，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。
L L+ L+ +
+
三相区：L++ （水
平线PDC）
水平线PDC称包晶线，与该线
在一定温度下，由 成分对应的合金在该温度下发 一个液相包着一个 生包晶反应：LC+P⇄β D 。该 固相生成另一新固 反应是液相L包着固相, 新相 相的反应称包晶转 β 在L与α的界面上形核，并向L 变或包晶反应。 和两个方向长大。
共析转变也是固
态相变。
最常见的共析转
变是铁碳合金中
的珠光体转变:
S
P
S ⇄ P+ Fe3C 。
金属学与热处理共晶相图(共51张PPT)
20
21
亚共晶合金凝固过程示意图
L 匀晶转变 L多 共晶转变 脱溶转变 ( ) II ( ) 22
50%Sn-Pb 合金显微组织
23
相的相对量：
% 97.5 50 60%, % 50 19 40%
97.5 19
97.5 19
组织的相对量：
初%
共晶系合金的不平衡凝固 铅锡合金组织分区图 C 一般是一条斜线，水平线是特殊情况。 通过均匀化退火可以消除树枝状偏析。 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。
答案：B 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。
铅锡共晶合金的显微组织 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。
n 当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出 较强的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特 定的角度关系，同时生长过程要求的动态过冷度也有差 异，往往有一个相在生长中起主导作用，决定了两相的 分布，共晶体的形态也具有独特性，这时常见的形态有 针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺旋状等。
34
层片状 （Al-CuAl2，定向凝固）
伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 分析：共晶组织是由成分为E点的液相转变而来的，计算出共晶转变开始时液相的相对量即可。
伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 可能产生离异共晶示意图 C 温度低于固相线的合金为固态;
两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区； D 温度高于固相线的合金为液态。
解：首先选择a+β二相区，选择共晶温度，合金的平均成分
49%为杠杆的支点。应用杠杆定律计算如下：
50
思考题
7、简单总结伪共晶、不平衡共晶和离异共晶的特点。 伪共晶——靠近共晶点附近的合金得到了全部共晶组织； 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征； 不平衡共晶——在不应该出现共晶的合金里出现了共晶
第四章 4.3 二元共晶相图
EN = = 45.4% MN
ME βN = = 54.6% MN
第 四 章 相 图
2 共晶系合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） 共晶系合金的平衡结晶及其组织（ Pb-Sn相图为例 相图为例） 亚共晶合金(Wsn=0.3） 室温组织α (α＋ （3）亚共晶合金(Wsn=0.3） 室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶 剩余液相:W 剩余液相 L=M2/ME =(30-19)/(61.9-19)=25.7%
白色卵形为β 白色卵形为 初，黑 (α＋β)共 白相间为 (α＋β)共 晶
第 四 章 相 图
组织组成物与组织图
组织组成物与相组成物的区别： 组织组成物与相组成物的区别： 组织组成物：具有清晰轮廓的独立组成部分，指形态。 组织组成物：具有清晰轮廓的独立组成部分，指形态。 相组成物：具有确定的成分及结构，没有形态的概念。 相组成物：具有确定的成分及结构，没有形态的概念。
第 三 节 共 晶 相 图
1 2
第 四 章 相 图
2 共晶系合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） 共晶系合金的平衡结晶及其组织（ Pb-Sn相图为例 相图为例） 端部固溶体合金(Wsn=0.1） （1）端部固溶体合金(Wsn=0.1） 室温组织（ ＋ 室温组织（α＋βⅡ）
第 三 节 共 晶 相 图
第 三 节 共 晶 相 图
第 四 章 相 图
2 共晶系合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） 共晶系合金的平衡结晶及其组织（ Pb-Sn相图为例 相图为例） 亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α (α＋ （3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶
第 三 节 共 晶 相 图
第 三 节 共Hale Waihona Puke 晶 相 图第 四 章 相 图
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1、相图分析
图3-12为一般共晶型的Pb-Sn合金相图。
其中AEB线为液相线，ACEDB线为固相线，A点为铅的熔点（327℃），B点为锡的熔点（232℃）。
相图中有L、α、β三种相，形成三个单相区。
L代表液相，处于液相线以上。
α是Sn溶解在Pb中所形成的固溶体，位于靠近纯组元Pb的封闭区域内。
β是Pb溶解在Sn中所形成的固溶体，位于靠近纯组元Sn的封闭区域内。
在每两个单相区之间，共形成了三个两相区，即L+α、L+β和α+β。
图3-12 Pb-Sn二元合金相图
相图中的水平线CED称为共晶线。
在水平线对应的温度（183℃）下，E点成分的液相将同时结晶出C点成分的α固溶体和D点成分的β固溶体：L
E
⇄ ( α
C + β
D
)。
这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程称为共晶转变或共晶反应。
共晶反应的产物即两相的机械混合物称为共晶体或共晶组织。
发生共晶反应的温度称为共晶温度，代表共晶温度和共晶成分的点称为共晶点，具有共晶成分的合金称为共晶合金。
在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称为亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称为过共晶合金。
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。
发生共晶反应时，L、α、β三个相平衡共存，它们的成分固定，但各自的重量在不断变化。
因此，水平线CED是一个三相区。
相图中的CF线和DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的溶解度曲线（即饱和浓度线），称为固溶线。
可以看出，随温度降低，固溶体的溶解度下降。
2、典型合金的结晶过程
⑴含Sn量小于C点成分合金的结晶过程（以合金Ⅰ为例）
由图3-12可见，该合金液体冷却时，在2点以前为匀晶转变，结晶出单相α固溶体，这种从液相中结晶出来的固相称为一次相或初生相。
匀晶转变完成后，在2、3点之间，为单相α固溶体冷却，合金组织不发生变化。
温度降到3点以下，α固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，便出现第二相—β相，显然，这是一种固态相变。
由已有固相析出（相变过程也称为析出）的新固相称为二次相或次生相。
形成二次相的过程称为二次析出。
二次β呈细粒状，记为β
II。
随温度下降，α相的成分沿CF线变化，βⅡ的成分沿DG线变化，βⅡ的相对重量增加，室
温下βⅡ的相对重量百分比为：
%
100
4
⨯
=
FG
F
Q
Ⅱ
β。
合金Ⅰ的室温组织为α+βⅡ。
图3-13为其冷却曲线和组织转变示意图。
成分大于D点合金的结晶过程与合金Ⅰ相似，其室温组织为β+αⅡ。
图3-13 合金Ⅰ的冷却曲线及组织转变示意图图3-14 合金Ⅱ的冷却曲线及组织转变示意图
⑵共晶合金的结晶过程（合金II）
该合金液体冷却到E点（即共晶点）时，同时被Pb和Sn饱和，并发生共晶反应：
L
E
⇄（α
C
+β
D
），析出成分为C的α和成分为D的β。
反应终了时，获得α+ β的共晶组织。
从成分均匀的液相同时结晶出两个成分差异很大的固相，必然要有元素的扩散。
假设首先析出富铅的α相晶核，随着它的长大，必然导致其周围液体贫铅而富锡，从而有利于β相的形核，而β相的长大又促进了α相的形核。
就这样，两相相间形核、互相促进，因而共晶组织较细，呈片、针、棒或点球等形状。
共晶组织中的相称为共晶相，如共晶α、共晶β。
根据杠杆定律，可求出共晶反应刚结束时两相的相对重量百分比为：
%
5.
45
%
100
2.
19
5.
97
9.
61
5.
97
%
100=
⨯
-
-
=
⨯
=
CD
ED
Qα
，%
6.
54
%
5.
45
%
100
%
100=
-
=
-
=α
β
Q
Q
183℃
（注意：此时用的是α+β两相区的上沿，而不是三相区）。
共晶转变结束后，随温度继续下降，α和β的成分分别沿CF 和DG 线变化，即从共晶α中析出βⅡ，从共晶β中析出αⅡ，由于共晶组织细，αⅡ与共晶α结合，βⅡ与共晶β结合，使得二次相不易分辨，因而最终的室温组织仍为（α+β）共晶体。
共晶合金的冷却曲线和组织转变过程如图3-14所示。
⑶ 亚共晶合金的结晶过程（以合金Ⅲ为例）
该合金的液体在2点以前发生匀晶转变，结晶出一次α相。
在1点到2点的冷却过程中，一次α的成分沿AC 线变化到C 点，液相的成分沿AE 线变化到E 点，刚冷却到2点时两相的相对重量百分比为（用L+α两相区的下沿）：%1002⨯=CE C Q L ，%1002⨯=CE E Q α。
在2点，具有E 点成分的剩余液体（其相对重量为L Q ）发生共晶反应L E ⇄（αC +βD ），转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等，因而
%1002⨯==CE C Q Q L E 。
共晶反应刚结束时，α、β两相的相对重量百分比为： %1002⨯=CD D Q α，%1002⨯=CD C Q β。
共晶反应结束后，随温度下降，将从一次α和共晶α中析出βⅡ，从共晶β中析出αⅡ。
与共晶合金一样，共晶组织中的二次相不作为独立组织看待。
但由于一次α 粗大，其所析出的βⅡ分布于一次α上，不能忽略。
因此，亚共晶合金的室温组织为α +（α + β）+ βII 。
图3-15为亚共晶合金的冷却曲线及组织转
变示意图。
图3-15 合金Ⅲ的冷却曲线及组织转变示意图
⑷过共晶合金的结晶过程（以合金Ⅳ为例）过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为β，二次相为α。
其室温组织为β+(α+β)+αⅡ。
3、组织组成物在相图上的标注
所谓组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
如上面提到的一次α和一次β、二次α和二次β、共晶体(α+β)都是组织组成物，它们在显微镜下可以看到并具有一定的组织特征。
将组织组成物标注在相图中(见图3-16)，可以使标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。
图3-16 组织组成物在Pb-Sn相图上的标注
相与相之间的差别主要在结构和成分上，而组织组成物之间的差别主要在形态上。
如一次α、二次α和共晶α的结构和成分相同，是同一相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。