金属学与热处理-3.3共晶相图

可能产生离异共晶示意图
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离异共晶（ 合金） 离异共晶（Al-50%Sn合金） 合金
共晶组织中的Al已并入先共晶 相 只有Sn被留在晶界处 被留在晶界处。 共晶组织中的 已并入先共晶Al相，只有 被留在晶界处。 已并入先共晶
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本节要点
概念：共晶转变、亚共晶、过共晶、 概念：共晶转变、亚共晶、过共晶、伪共 晶、离异共晶 共晶合金的平衡凝固 理解伪共晶和离异共晶的形成
下节内容：包晶相图 下节内容
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思考题
1. 在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能发生共 在共晶合金系中， 晶转变。 晶转变。 A是 B否 答案： 答案：B 成分在共晶线宽度范围内的合金冷却到共晶温度时， 成分在共晶线宽度范围内的合金冷却到共晶温度时，未 凝固的液相成分沿液相线变化到共晶点， 凝固的液相成分沿液相线变化到共晶点，而进行共晶转 变。因此，并不是只有共晶合金才发生共晶反应。 因此，并不是只有共晶合金才发生共晶反应。
4
答案： 答案： 根据杠杆定律，固相的相对量计算如下： 根据杠杆定律，固相的相对量计算如下：
液相的相对量则为， 液相的相对量则为，
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3.5 共晶相图
由液相同时结晶出两个固相的过程称为共晶转变。 由液相同时结晶出两个固相的过程称为共晶转变。 共晶转变
L ⇔α + β
两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶， 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发 生共晶反应的相图，称为共晶相图 共晶相图。 生共晶反应的相图，称为共晶相图。
前沿液相中原子扩散示意图
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共晶生长的搭桥机制
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当两个固相都是金属性较强相时， 当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一般生长 金属性较强相时 层片状。当两相的相对数量比相差悬殊时， 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， 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 纤维状， 时为纤维状，甚至为点(球)状。 当有一相或两相都具有较强的非金属性时 当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表 非金属性 现出较强的各向异性，不同方向的生长速度不同， 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， 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， 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， 定了两相的分布，共晶体的形态也具有独特性，这时 针状、 常见的形态有针状 骨肋状、蜘蛛网状、螺旋状等 常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺旋状等。
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端部固溶体合金（10%Sn-Pb合金 合金） 端部固溶体合金（10%Sn-Pb合金）
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1 2
3
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10%Sn-Pb 合金凝固过程示意图
L →α →α →α + βII
匀 转 晶 变 脱 转 溶 变
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10%Sn-Pb 合金显微组织
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共晶合金（61.9%Sn-Pb） 共晶合金（61.9%Sn-Pb）
上节要点回顾
概念：匀晶转变、平衡凝固、非平衡凝固、 概念：匀晶转变、平衡凝固、非平衡凝固、 成分过冷、 成分过冷、枝间偏析 匀晶相图的分析 固溶体的凝固过程
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思考题
1. 下述哪些下列说法哪些是正确的 下述哪些下列说法哪些是正确的? A 温度高于液相线的合金为液态； 温度高于液相线的合金为液态； B 温度低于液相线的合金为固态； 温度低于液相线的合金为固态； C 温度低于固相线的合金为固态 温度低于固相线的合金为固态; D 温度高于固相线的合金为液态。 温度高于固相线的合金为液态。 答案： 答案：AC
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四种伪共晶区
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不平衡共晶体
合金II在不平衡凝固时 由于固相线偏离平衡位置， 合金II在不平衡凝固时，由于固相线偏离平衡位置， 在不平衡凝固时， 冷到共晶温度以下，还有少量液相残留， 冷到共晶温度以下，还有少量液相残留，最后这些 液相转变为共晶体，形成不平衡共晶组织。 不平衡共晶组织。 液相转变为共晶体，形成不平衡共晶组织
L →α + L多
匀 转 晶 变
脱溶转变
α + (α + β ) α + βII + (α + β )
共晶转变
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50%Sn-Pb 合金显微组织
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相的相对量： 相的相对量：
97.5 − 50 50 −19 = 40% α% = = 60%, β % = 97.5 −19 97.5 −19
成分互惠－ 成分互惠－交替形核
片间搭桥－ 片间搭桥－共同生长
两相交替分布 共晶组织） （共晶组织）
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交替形核：在一定的过冷度下， 交替形核：在一定的过冷度下，尽管两固相都可能 从液体中形核，由于两固溶体的成分结构的差别， 从液体中形核，由于两固溶体的成分结构的差别，总 有一个固相先形核，它称为领先相，设领先相为 ， 有一个固相先形核，它称为领先相，设领先相为α， 由于α富 组元 组元， 由于 富A组元，其生长时 附近液体则富B组元 组元， 的 附近液体则富 组元，α的 存在和液体中B的富集，β 存在和液体中 的富集， 的富集 相将附着在α上形核并长 相将附着在 上形核并长 相外将附着α 大，同理在β相外将附着 同理在 相外将附着 的形核长大。 的形核长大。这种方式就 是交替形核。 交替形核。
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思考题
2. 当非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象 当非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象? A 组织、成分均匀化； 组织、成分均匀化； B 成分不均匀，出现树枝状偏析； 成分不均匀，出现树枝状偏析； C 与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。 与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。 答案： 答案：B 匀晶合金非平衡凝固时，由于冷却速度快， 匀晶合金非平衡凝固时，由于冷却速度快，原子来不 及充分扩散，所以最后得到的合金成分不均匀， 及充分扩散，所以最后得到的合金成分不均匀，出现 树枝状偏析。通过均匀化退火可以消除树枝状偏析。 树枝状偏析。通过均匀化退火可以消除树枝状偏析。
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层片状 Al-CuAl2，定向凝固） （Al-CuAl2，定向凝固）
棒状或条状 Sb-MnSb，横截面） （Sb-MnSb，横截面）
球状或短棒状 （Cu-CuO） ）
针状（ 针状（Al-Si） ）
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螺旋状（ 螺旋状（Zn-Mg） ）
Fe-C(石墨 的共晶组织 石墨)的共晶组织 石墨
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（2）共晶合金的不平衡凝固
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相区 单相区 两相区 三相线
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（2）共晶合金的平衡凝固 共晶系合金一般以共晶点为界进行分类，可以分为： 共晶系合金一般以共晶点为界进行分类，可以分为：
共晶合金: 共晶合金: 61.9 %Sn
亚共晶合金: 亚共晶合金: 19.2% ~ 61.9%Sn 过共晶合金: 过共晶合金: 61.9% ~ 97.5%Sn Sn<19.2%和 Sn<19.2%和Sn>97.5% 的合金可以看作是匀晶合金
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思考题
4. 相图中的共晶线 A 是一条水平线直线； 是一条水平线直线； B 是一个三相区（L, α, β）； 是一个三相区（ ）； C 一般是一条斜线，水平线是特殊情况。 一般是一条斜线，水平线是特殊情况。 答案： 答案：A 因为共晶反应是恒温转变， 因为共晶反应是恒温转变，反映在相图上只能是一条水 平线；共晶反应时三相共存， 平线；共晶反应时三相共存，所以共晶线也是一个三相 区。
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（1）相图分析
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点 tA、tB、E M、N、F、G 线 tAEtB线为液相线 tAMENtB线为固相线 MEN线是共晶转变线 MEN线是共晶转变线 MF线为Sn在Pb中的固溶度曲线 MF线为 在Pb中的固溶度曲线 线为Sn NG线为Pb在Sn中的固溶度曲线 NG线为 在Sn中的固溶度曲线 线为Pb
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思考题
2. 发生共晶转变的液相，其成分一定是共晶成分。 发生共晶转变的液相，其成分一定是共晶成分。 A是 B否
答案： 答案：A 能够发生共晶反应的液相成分一定是共晶成分。 能够发生共晶反应的液相成分一定是共晶成分。
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思考题
3. 共晶转变进行时，系统的自由度 共晶转变进行时，系统的自由度F A 为–1 B 为0 C 为1 答案： 答案：B 二元合金发生共晶反应时是三相（ 共存， 二元合金发生共晶反应时是三相（L, a, b）共存，根据 相律计算可以知道系统的自由度为0。 相律计算可以知道系统的自由度为 。任何系统的自由 度最小值是0，不可能为负值。 度最小值是 ，不可能为负值。
L+α两相区和共晶温度作为计算条件。 两相区和共晶温度作为计算条件。
解：应用杠杆定理
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过共晶合金
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L →β + L多
匀 转 晶 变
脱溶转变
β + (α + β ) β +αII + (α + β )
共晶转变
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70%Sn-Pb 合金显微组织
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铅锡合金组织分区图
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共晶体的形成
层片状共晶的形成
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共同生长： 共同生长：两个相长大时都要排放相应的溶质组 排出的溶质将阻碍自身的生长， 元，排出的溶质将阻碍自身的生长，但两相同时生 长时，一相排出的组元正是另一相生长所需要的， 长时，一相排出的组元正是另一相生长所需要的， 所以两相的生长过程将 互相促进， 互相促进，最后是两相 共同携手长大。 共同携手长大。由于两 固相的成分是固定的， 固相的成分是固定的， 综合成分应和液体的成 分相同， 分相同，它们的数量反 映在二者的厚度相对比 例上。 例上。
共晶系合金的不平衡凝固
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离异共晶