共晶包晶相图

1、17.3.2共晶相图及其合金的凝固27.3二元相图分析二元相图分析1.匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固 2.2.共晶相图及合金凝固共晶相图及合金凝固 3.3.包晶相图及合金凝固包晶相图及合金凝固4.4.溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙相图与调幅分解5.5.二元合金相图分析实例二元合金相图分析实例31.1.匀晶相变：匀晶相变： 特点：液固两组元无限互溶！特点：液固两组元无限互溶！2.2.固溶体平衡凝固三个过程：固溶体平衡凝固三个过程： 液相内扩散过程液相内扩散过程 固相的继续长大，固相的继续长大， 固相内的扩散过程固相内的扩散过程 3.3.固溶体非平衡凝固分析固溶体非平衡凝固分析; ;(1

2、) (1) 固相、液相的平均成分线随冷却速度发生变固相、液相的平均成分线随冷却速度发生变 化，液相线的偏离程度化，液相线的偏离程度固相线。固相线。 (2) (2) 先结晶部分富含高熔点组元，后结晶部分富低先结晶部分富含高熔点组元，后结晶部分富低 熔点组元。熔点组元。(3) (3) 非平衡凝固的终结非平衡凝固的终结t t低于平衡凝固时的终止低于平衡凝固时的终止t t。 匀晶相图复习匀晶相图复习由液相直接结晶出单相固溶体的过程由液相直接结晶出单相固溶体的过程47.3.2 7.3.2 共晶相图和固溶体凝固共晶相图和固溶体凝固共晶相图共晶相图共晶合金的平衡凝固共晶合金的平衡凝固共晶合金的非平衡凝固共晶

3、合金的非平衡凝固5pbpbsnsn共晶相图共晶相图共晶转变：共晶转变：l le e m m + +n n6 7.3.2 7.3.2 共晶相图及合金凝固共晶相图及合金凝固 共晶相图的概念共晶相图的概念 组成共晶相图的组成共晶相图的两组元相互作用的特点两组元相互作用的特点：1 1）液态下两组元能无限互溶，）液态下两组元能无限互溶，2 2）固态下只能部分互溶）固态下只能部分互溶( (形成有限固溶体或形成有限固溶体或化合物化合物) )，甚至有时完全不溶，并具有共，甚至有时完全不溶，并具有共晶晶转变转变7 7.3.2 7.3.2 共晶相图及合金凝固共晶相图及合金凝固 所谓共晶转变所谓共晶转变所得到两固相

4、的混合物称为所得到两固相的混合物称为共晶组织共晶组织( (体体) )。具有共晶转变的相图称为具有共晶转变的相图称为共晶相图。共晶相图。 属于二元共晶相图的合金有：属于二元共晶相图的合金有：pbpbsnsn、pbpbsbsb、alalsisi、agagcucu等。等。 共晶转变：共晶转变：l le e m m + +n n8 共晶合金在铸造工业中是非常重要的，比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造操作比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造操作共晶合金比纯金属有更好的流动性，无枝晶形成，共晶合金比纯金属有更好的流动性，无枝晶形成，从而改善铸造性能从而改善铸造性能; ;恒温转变减少了铸造缺陷，例如偏聚和缩孔恒温

5、转变减少了铸造缺陷，例如偏聚和缩孔; ;共晶凝固可获得多种形态的显微组织，可能成为共晶凝固可获得多种形态的显微组织，可能成为优异性能的原位复合材料优异性能的原位复合材料1.1.共晶相图共晶相图9pbsn相图相图7 7点点7 7线线7 7相相区区01020304050607080901000100200300400500 pbsnwsn(%)t l 183327.5231.9ba1997.5mngfl+ l+ + 61.9e 10112.2.共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织 根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为四类：根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为四类： 1)1)端部

6、固溶体合金端部固溶体合金 2)2)亚共晶合金亚共晶合金 3)3)共晶合金共晶合金 4)4)过共晶合金过共晶合金120102030405060708090 1000100200300400500 pbwsn(%)tl 183327.5a19mfl+ + 61.9e lt/st/端部固溶体合金结晶过程分析端部固溶体合金结晶过程分析l +t2t1t3132.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固1)1) 端部固溶体合金端部固溶体合金t1 t2温度：温度：t3温度以下：温度以下：液态液态 l10液相中析出液相中析出 ，l (脱溶转变脱溶转变)t1温度以上：温度以上：t2 t3温度：温度：固溶体固

7、溶体 不变不变室温组织：室温组织： + 14合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程 15合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程 160102030405060708090 1000100200300400500 pbwsn(%)tl 183327.5a19mfl+ + 61.9e lt1t1l + + ( + )t/st/共晶合金结晶过程分析共晶合金结晶过程分析172)共晶平衡结晶过程及室温平衡组织共晶平衡结晶过程及室温平衡组织：共晶温度以上：共晶温度以上：共晶温度：共晶温度：共晶温度以下：共晶温度以下：室温组织：室温组织：液态液态l61.9共晶转变共晶转变 l61.919 97.5二二次结晶次结

8、晶 ， （ + ）共晶共晶 由于由于 和和 常与共晶常与共晶 和和 相连，相连，显微镜下很难分辨，室温组织为：显微镜下很难分辨，室温组织为：（ + ）共晶共晶18pbpbsnsn共晶相图共晶相图19两相相对量计算两相的相对量计算：两相的相对量计算：连接线连接线+ +杠杆定律杠杆定律%4 .45195 .979 .615 .97( )=)=( )=)=%6 .54195 .97199 .6120（pb-sn）共晶组织（层片状）共晶组织（层片状）21共晶合金（共晶合金（ ）的平衡结晶的显微组织）的平衡结晶的显微组织22常见合金的共晶组织常见合金的共晶组织 层片状层片状（al-cualal-cual

9、2 2, ,定向凝固定向凝固） 灰铁灰铁 短棒状或颗粒（短棒状或颗粒（cu-cuocu-cuo）棒状或条状棒状或条状（sb-mnsbsb-mnsb，横截面，横截面） 螺旋状（螺旋状（zn-mgzn-mg）针状（针状（zl102zl102未变质未变质） 23铅铋树枝状共晶组织铅铋树枝状共晶组织cu-cucu-cu3 3p p放射状共晶组织放射状共晶组织铝硅针状共晶组织铝硅针状共晶组织铝钍螺旋状共晶组织铝钍螺旋状共晶组织2401020304050607080901000100200300400500 pbsnwsn(%)tmenbagf3)亚共晶和过共晶平衡结晶过程亚共晶和过共晶平衡结晶过程250

10、1020304050607080901000100200300400500 pbwsn(%)tl 183327.5a19mfl+ + 61.9e t/st/ll 50% sn的亚共晶合金的结晶过程分析的亚共晶合金的结晶过程分析 + （ + )共共 初初+ t1t2t1t2t2 + l + 263)亚共晶合金平衡结晶过程为：亚共晶合金平衡结晶过程为：t1温度以上：温度以上：t1 t2温度：温度：t2温度时发生共晶反应：温度时发生共晶反应：室温组织：室温组织：t2温度以下：温度以下：液态液态 l50液相中析出液相中析出 ，ll61.9 19 97.5 初初 初初 + + （ + ）共晶共晶27pb

11、pbsnsn共晶相图共晶相图( + ) )( ) ) 组织组成组织组成( ) )( ) ) 相组成相组成28组织组成组织组成和和相组成相组成相对量计算相对量计算( + )= (l)=)= (l)=%72199 .611950( )=)=%28199 .61509 .61组组织织组组成成( )=)=( )=)=%5 .60195 .97505 .97%5 .39195 .971950相相组组成成29亚共晶合金的平衡结晶过程亚共晶合金的平衡结晶过程 30亚共晶组织亚共晶组织(50% sn 的的pb-sn合金合金)共晶共晶()初生初生 31wsn(%)g t1t2t/st/t1t2t2l + + s

12、npb01 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 l bamnfl+ l+ + et（ + ）70% sn的过共晶合金的结晶过程分析的过共晶合金的结晶过程分析l l + 324)过共晶合金平衡结晶过程为：过共晶合金平衡结晶过程为：t1温度以上：温度以上：t1 t2温度：温度：t2温度时发生共晶反应：温度时发生共晶反应：室温组织：室温组织：t2温度以下：温度以下：液态液态 l70液相中析出液相中析出 ，l l61.9 19 97.5 初初 初初 + + （ + ）共晶共晶33过共晶平衡组织过共晶平衡组织

13、(70% sn 的的pb-sn合金合金)共晶共晶() 初生初生 34组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注ll+l+初初+(+(+)初初+ +( (+)( (+)+pbsnsn,%温度，温度，1961.997.5351.1.共晶相图共晶相图363.3.共晶系合金的非平衡凝固共晶系合金的非平衡凝固-a-a(1) (1) 伪共晶伪共晶 在非平衡凝固条件下，某些亚共晶和过共晶在非平衡凝固条件下，某些亚共晶和过共晶成分的合金获得了全部的共晶组织。这种由成分的合金获得了全部的共晶组织。这种由非共晶成分合金所得到的共晶组织称为非共晶成分合金所得到的共晶组织称为伪共伪共晶（晶（pseudo-eut

14、ecticpseudo-eutectic）。 373.3.共晶系合金的非平衡凝固共晶系合金的非平衡凝固-a-a(1) (1) 伪共晶伪共晶 若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区一若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区一般呈图般呈图7.27中的对称分布中的对称分布; 若合金中两组元熔点相差很大时，伪共晶区将若合金中两组元熔点相差很大时，伪共晶区将偏向高熔点组元一侧，如偏向高熔点组元一侧，如a1-si合金的伪共晶合金的伪共晶区那样。区那样。383940417.3.3 包晶相图及其合金凝固42 7.3.3 7.3.3 包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固 包晶相图概述包晶相图概述 两组元在液态下无

15、限互溶，两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相图称为变的相图称为二元包晶相图二元包晶相图 具有包晶转变的二元合金有：具有包晶转变的二元合金有：cucusnsn、fefec c、cucuznzn、agagsnsn、agagpt pt 43 已结晶的固相与剩余液相反应形成另一个固相的恒温转变。如fe-c、cu-zn、 ag-sn、 ag-sn、ag-pt等。 具有包晶转变的相图。包晶转变包晶转变包晶相图包晶相图7.3.3 包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固44点：点：d区区：单相区单相区l、 、 双相区双相区l 、 l + 、 + 线：线：

16、 液相线液相线apb 固相线固相线acdb 包晶线包晶线cdp l p + c d 固溶度曲线固溶度曲线 ce、df pt-ag合金相图合金相图02040608010040060080010001200140016001800 ag%efc10.51186bap66.31772962温温度度ptag一、相图分析一、相图分析 l l l + + d42.445二、包晶合金平衡结晶过程与室温组织二、包晶合金平衡结晶过程与室温组织t/t/s1ddll l + 包晶合金包晶合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程02040608010040060080010001200140016001800 ag%efc1

17、0.51186bap66.3温温度度d42.4 l1 + 46 只有p点成分的合金才能在包晶反应后得到100的相，p点左侧会有相剩余，p点右侧会有l相剩余。sb（锑）（锑）-16%fe合金包晶组织合金包晶组织 47三、不平衡结晶与包晶偏析l pt原子原子 ag原子原子消除办法：扩散退火消除办法：扩散退火48ptptagag包晶相图包晶相图492.2.包晶合金的凝固及其平衡组织包晶合金的凝固及其平衡组织式中，w(l)和w(a)分别表示液相和固相在包晶反应时的质量分数。包晶转变结束后，液相和a相反应正好全部转变为固溶体a. （ag）为42.4%的pt - ag合金(合金1)%35.57%1005

18、.103 .665 .105 .42%100)(dcdpl%7 .42%1005 .103 .665 .423 .66%100)(dcpc502.2.包晶合金的凝固及其平衡组织包晶合金的凝固及其平衡组织51ptptagag包晶相图包晶相图522.2.包晶合金的凝固及其平衡组织包晶合金的凝固及其平衡组织b. 42.4%(ag)66.3%的pt - ag合金(合金)532.2.包晶合金的凝固及其平衡组织包晶合金的凝固及其平衡组织c. 10.5%(ag)42.4%的pt - ag合金(合金)54l+ l +55567.3.4 7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙相图与调幅分解 溶混间隙溶混间隙

19、: :是两种是两种l l或两种固溶体不相混溶或两种固溶体不相混溶的现象。它可以出现在单相的现象。它可以出现在单相l l中，也可以出现中，也可以出现在单一固溶体区内，在单一固溶体区内，成分不同，结构相同。成分不同，结构相同。 llll1 1+l+l2 2 1 1 + +2 2 转变方式有二种：转变方式有二种： (1) (1) 形核长大方式，需要克服形核能垒，形核长大方式，需要克服形核能垒， (2) (2) 没有形核阶段的不稳定分解，称为没有形核阶段的不稳定分解，称为调调幅分解。幅分解。 577.3.4 7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙相图与调幅分解 从自由能一成分曲线可知，在两个极小值

20、之间为热力学不稳定区，该任一成分的固溶体相都会分解成为两个成分对应于两个极小值的相两个极小值的相，但是在拐点迹线内外的溶混间隙区，分解方式是不同的， 拐点迹线内成为两种成分不同的液相， 拐点迹线外需克服新相形成的能垒，先形核然后长大。5859607.3.5. 7.3.5. 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 1. 1. 具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图 2. 2. 具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图 3. 3. 具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 4. 4. 具有熔晶转变的相图具有熔晶转变的相图 5. 5. 具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图611. 1. 具有化合物的

21、二元相图具有化合物的二元相图a.a.形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图 在某些二元系中，可形成一个或几个化合在某些二元系中，可形成一个或几个化合物，位于相图中间，故又称中间相。物，位于相图中间，故又称中间相。稳定化合物稳定化合物：指有确定的熔点，可熔化成指有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分液体那类化合物与固态相同成分液体那类化合物;不稳定化合物不稳定化合物: :不能熔化成与不能熔化成与s相同成分相同成分l，当加热到一定当加热到一定t时会分解，转变为两个相。时会分解，转变为两个相。形成稳定化合物的二元相图有：形成稳定化合物的二元相图有：mgmgsisi、cucu mg mg 、fefep

22、 p、mnmnsi si 、agagsrsr、nana2 2siosio3 3siosio2 2、beobeoalal2 2o o3 3、siosio2 2mgo mgo 62稳定化合物的相图稳定化合物的相图36.6%63稳定化合物的相图稳定化合物的相图64稳定化合物的相图稳定化合物的相图65b.b.形成不稳定化合物的相图形成不稳定化合物的相图 值得注意的是，不稳定化合物无论是处于一条垂线上或存在于具有一定溶解度的相区中，均不能作为组元而将整个相图划分为两部分。 具有不稳定化合物的其他二元合金相图有k-na,al-mn,be -ce,mn -p等，二元陶瓷相图有siq2 -mgo, zro2-

23、cao, ba0 tio2等。1. 1. 具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图66不稳定化合物的相图不稳定化合物的相图54.4%672. 2. 具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图 偏晶转变是由一个液相l1分解为一个固相和另一成分的液相l2的恒温转变。 图7.40是cu-pb二元相图，在955发生偏晶转变: l l36 36 cu+l cu+l8787 具有偏晶转变的二元系有：cus、cuo、mnpb 68具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图693. 3. 具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 具有这类转变的合金很少，如na-zn, k-zn等。在asb温度发生合晶转变: l l1a1a

24、+ l + l2b2b 704. 4. 具有熔晶转变的相图具有熔晶转变的相图 图7.42是具有熔晶转变的fe-b二元相图。含微量硼的fe-b合金在1381时进行即 l+ l+ 这种转变称为熔晶转变。 具有熔晶转变的合金也很少，fe -s, cu -sb等合金系具有熔晶转变。715.5.具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图 当合金中组元具有同素当合金中组元具有同素( (分分) )异构变时，异构变时，则其固溶体会出现三种情况：固溶体的则其固溶体会出现三种情况：固溶体的多晶型转变，多晶型转变，共析转变、包析转变、偏共析转变、包析转变、偏析转变。析转变。a.a.具有固溶体多晶型转变的相图具有固

25、溶体多晶型转变的相图 固溶体的多晶型转变又称为多形性转固溶体的多晶型转变又称为多形性转变。具有这类转变的合金有等，如变。具有这类转变的合金有等，如fefec c、fefetiti合金合金 72固溶体多晶型转变的相图固溶体多晶型转变的相图 73具有共析转变的相图具有共析转变的相图 为为cucu3 3snsn为为cucu3131snsn8 8为为cucu3 3snsn为为cucu2020snsn6 6和和为为cucu6 6snsn5 5+741、分解型、分解型（1）共析转变）共析转变共析线共析线共析点共析点在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同新固相。 1 1+2 275具有

26、三种恒温转变的相图包晶转变包晶转变(hjb水平线水平线)共晶转变共晶转变(ecf水平线水平线)共析转变共析转变(psk水平线水平线)垂直线垂直线(fe3c)fe 06.69 fe3ctemperature ( c)temperature ( c)psk0.77727 cecf4.32.111148 chjbangqd lc, wt%1495 c1538 c1394 c912 c76c.c.具有包析转变的相图具有包析转变的相图 包析转变（包析转变（peritectoid reaction）类似）类似于包晶转变，区别在于包析转变是由两个于包晶转变，区别在于包析转变是由两个固相反应生成另外一个固相。

27、固相反应生成另外一个固相。 77d.具有脱溶沉淀过程的相图具有脱溶沉淀过程的相图 随着温度降低固溶体中溶解度下降，析出随着温度降低固溶体中溶解度下降，析出第二相的过程，称为第二相的过程，称为脱溶过程。脱溶过程。 78e.具有有序具有有序无序转变的相图无序转变的相图 79f.具有固溶体形成中间相转变的相图具有固溶体形成中间相转变的相图 某些合金的中间相某些合金的中间相不是由两组元直接不是由两组元直接得到，而是由固溶得到，而是由固溶体转变为中间相。体转变为中间相。 当当w(cr)为为46%的的a固溶体将在固溶体将在821发生发生a的转变的转变,则则相是以金属间相是以金属间化合物化合物fecr为基的

28、为基的固溶体固溶体。80g.具有磁性转变的相图具有磁性转变的相图 磁性转变属于磁性转变属于二级相变，固溶体二级相变，固溶体或纯组元在高温时或纯组元在高温时为顺磁性，在为顺磁性，在tctc温温度以下呈铁磁性，度以下呈铁磁性，tctc温度称为居里温温度称为居里温度，在相图上一般度，在相图上一般以虚线表示，如图以虚线表示，如图7.467.46所示。所示。817.3.67.3.6复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法 分析复杂二元相图的步骤和方法如下：分析复杂二元相图的步骤和方法如下： (1) (1) 首先看相图中是否存在稳定化合物，首先看相图中是否存在稳定化合物，如果有如果有则以这些稳定化合物

29、为界，把相图分成几个区域则以这些稳定化合物为界，把相图分成几个区域( (基本相图基本相图) )进行分析。进行分析。 (2) (2) 根据相区接触法则，认清各相区的组成相。根据相区接触法则，认清各相区的组成相。 单相区：单相区：代表一种具有独特结构和性质的相的成分代表一种具有独特结构和性质的相的成分和温度范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分和温度范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。不变。 双相区：双相区：邻区原则是含有邻区原则是含有p p个相的相区的邻区，只个相的相区的邻区，只能含有能含有p+/-1p+/-1个相。违背了这条原则，无法满足相个相。违背了这条原则，无法满足相律的要求。两相

30、区中平衡相之间都有互溶度，只是律的要求。两相区中平衡相之间都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。互溶度大小不同而已。82 (3)(3) 找出所有的三相共存水平线，找出所有的三相共存水平线，分析这些分析这些恒温转变的类型，写出转变式。表恒温转变的类型，写出转变式。表7.17.1列出了列出了二元系各类三相恒温反应二元系各类三相恒温反应( (转变转变) )的类型，可的类型，可借助于分析。借助于分析。 8384 (4)(4) 应用相图分析典型合金的组晶过程和组织应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律。变化规律。 单相区；相成分、质量与原合金相同。单相区；相成分、质量与原合金相同。 双相区；在不同温

31、度下两相成分沿相界线双相区；在不同温度下两相成分沿相界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。 三相共存三相共存( (平衡平衡) )时，三个相的成分固定不时，三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。成的相对量。85 (5)(5) 在应用相图分析实际情况时，切记在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在相图只给出体系在平衡条件下平衡条件下存在的相和存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布；分布； 相图只表示平衡状态的情况，而实际生相图只表示平衡状态

32、的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此要特别产条件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的重视它们的非平衡条件非平衡条件下可能出现的相和下可能出现的相和组织。组织。 86 (6)(6) 相图的正确与否可用相律来判断。相图的正确与否可用相律来判断。 在分析和认识了相图中的相、相区及相在分析和认识了相图中的相、相区及相变线的特点之后，就可分析具体合金随温变线的特点之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。度改变而发生的相变及组织变化。87相图与力学性能的关系相图与力学性能的关系88892.2.判断合金的工艺性能判断合金的工艺性能 (1) (1) 合金铸造性能合金铸造性能：由于

33、共晶合金熔点低，：由于共晶合金熔点低，并且是恒温转变，溶液流动性好，凝固后容并且是恒温转变，溶液流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，合金较为致密。因此铸造易形成集中缩孔，合金较为致密。因此铸造合金宜选择在接近共晶成分的合金。合金宜选择在接近共晶成分的合金。 902.2.判断合金的工艺性能判断合金的工艺性能 ( (2) 2) 合金压力加工性能合金压力加工性能：合金的压力加工：合金的压力加工性能与合金的组织有关。性能与合金的组织有关。 单相固溶体由于其强度低，塑性好，变形单相固溶体由于其强度低，塑性好，变形均匀，压力加工性能较好。所以需压力加工均匀，压力加工性能较好。所以需压力加工的合金通常选择单相固溶体或接近单相固溶的合金通常选择单相固溶体或接近单相固溶体体( (含第二相应