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1、,4.3 二元共晶相图 大多数二元合金在固态并不能完全相熔，只能部分互熔，形成有限固熔体，并具有共晶转变特性。如：Pb-Sn; Al-Si; Al-Cu; Mg-Si; Al-Mg等合金。 4.3.1 相图分析：一般的二元相图中有三个基本相：液相L；固相和固相。相为成分B熔于成分A中形成的固熔体；相为成分A熔入成分B中形成的固熔体。,我们以Pb-Sn相图为例讨论二元相图。,图中有三个单相区：L；。三个两相区：L+；L+；+。一个三相区(线段MEN)：L+。 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点成分的相和N点成分的相。其共晶反应式为： LE tE

2、 M+N 发生共晶转变的温度称为共晶温度。,凡成分在MN范围之内的合金，冷却到温度tE时都会发生共晶反应，称MN线为共晶线。E点称为共晶点或共晶成分。,Pb-Sn合金的二元共晶组织显微像片,共晶反应的产物是两个固相的混合物，称为共晶体或共晶组织。 成分对应于共晶点的合金叫共晶合金；B成分低于E的合金叫亚共晶合金；B成分高于E的合金叫过共晶合金；成分位于M点以左和N点以右的合金叫端部固熔体合金。 相图中的M点和N点分别表示相和相的最大溶解度极限。随着温度的降低，相和相的溶解度将分别沿着曲线MF和NG变化，故称此两条线为固熔线。,4.3.2 共晶系合金的平衡凝固组织 按相变特点和组织特征，共晶系合

3、金的平衡凝固组织分为：端部固熔体，亚共晶合金，共晶合金和过共晶合金四类。 4.3.2.1 端部固熔体合金：以Pb-Sn合金(wC=0.1)为例。先画出该合金的冷却曲线。从降温过程可以看出：在温度t1时开始结晶出固熔体；在t2时结晶完毕，为单相固熔体晶粒；在t2到t3之间无相变，也无组织变化。,冷却到t3遇到固熔线以后，Sn在中的熔解度将不断减少，多余的Sn就以固熔体的形式从中析出。在从t3冷至t4时，和相的平均成分分别沿着MF线和NG线变化。这种由过饱和固熔体分离出另一种相的过程称为脱熔转变。脱熔相一般称为次生相，本例的次生相为相，用表示。,本例合金的室温组织为+。 一般分布在原相晶粒的晶界上

4、，有时也在晶内析出。 次生相从固相中析出，相界圆滑，呈小颗粒状(见图4-20)。 第二相的出现会影响合金性能。若第二相硬度较高并呈弥散状分布，则会使合金强化；若第二相沿晶界呈网状分布则会降低合金塑性。 第二相的形态和分布可通过热处理控制。,4.3.2.2 共晶合金(wSn=0.619)：该成分合金从熔体冷却到共晶温度时，发生共晶转变： L0.619 183C 0.19+0.975 熔体全部凝固成共晶组织，也称共晶体，用(+)共表示。 共晶体中两个相的相对含量可由杠杆定律计算： M=EN/MN100%=45.4% N=ME/MN100%=54.6%,共晶转变完成后继续冷却时，共晶体中的与相都要发

5、生脱熔转变，分别析出 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 色部分为相，白色 部分为相，两相呈 片状交替分布。,4.3.2.3 亚共晶合金(wSn=0.5)：成分位于ME之间的Pb-Sn合金都属于亚共晶合金。凝固过程和组织都极为相似。,当合金从液态冷却到t1时，结晶出相，随温度降低，相增多，L和的成分分别沿tAE和tAM线变化。降温至t2时，相的成分变至M点，L相的成分变至E点。此时剩余的液相发生共晶转变，并在冷却曲线上形成平台，直至液相全部消失为止。 凝固后的组织为初+(+)共(初指从液相中直接

6、结晶出来的固熔体)。,继续冷却，和相都要发生脱熔转变。室温下合金组织为初+(+)共。这里的共晶体中析出的次生相在显微镜下不能分辨。该合金的显微组织如图4-22所示。图中黑色树枝晶为初生固熔体，由于直接从液体中结晶，故比较粗大；分布在树枝间隙中黑白相间的组织为(+)共晶体。从相图上看，该合金室温下仍处于+两相区内，是由和两个相所组成。,图4-22 黑色树枝晶为初生固熔体，由于直接从液体中结晶，故比较粗大；分布在树枝间隙中黑白相间的组织为(+)共晶体,分析显微组织的时候要注意区别组织组成物和相组成物。 组织组成物是在结晶过程中形成的，有清晰轮廓的独立部分。如初， (+)共等都是组织组成物； 相组成

7、物是指组成显微组织的基本相，有确定的成分及结构，但没有形态的概念。如合金中的相和相等等。,合金中组织组成物的相对量可以根据相平衡概念，利用杠杆定律间接计算。以室温下Sn-Pb合金为例(wSn=0.5)： (+)共=Mt2/ME100%=72.26% 此式为t2温度(183C)时的值，忽略次生相的影响，可近似看成是室温下的值。 =(t2E/ME)(FM/FG)100%=4.78% t2E/ME为未析出时(183C)的初相对量。初=(t2E/ME)100%- =22.87%,4.2.3.4 过共晶合金(wSn=0.7)：过共晶合金也是先析出初晶，再结晶出共晶，最后脱熔转变。,过共晶合金的室温组织为

8、 初+(+)共，如图4-24所示。图中初呈白色椭圆形，有树枝晶特点； 数量很少， 呈黑色点状； (+)共黑白 相间，分布于 初之间。,共晶系合金平衡凝固可得到固熔体和共晶型两种合金。 固熔体合金凝固过程主要为匀晶转变+脱熔转变，室温组织为初生固熔体+次生组织。 位于MEN线范围内的合金都属于共晶型合金。凝固时都有共晶转变发生，形成共晶体。 亚共晶和过共晶合金在共晶转变前都有先共晶初生相(初晶)生成。,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

9、-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。,4.3.3.1 粗糙-粗糙界面共晶：包括金属-金属和金属-金属间化合物共晶。往往呈简单规则(层片状，球状)的组织形态。 共晶体形核也需要一 定的过冷度。设液相 过冷到t2，和相同 时饱和，但通常总有 一相先析出，称为领 先相。,假设领先相为，则的成分为h，由于h中含B组元少于原液相L中B组元的含量(whwe)，因此形成h时会排出B组元，使界面附近液相中的B组元增加，变为Lk，这样便增大了相的过饱和度，于是促进相在相表面上非均匀形核并长大。 相的成分为wi，而相界面处液体中的成分变为含A组元更高的wj。含A组元较高的Lj

10、又有利于析出相，因此相又在相表面上非均匀形核并长大。,上述过程互相促进，交替非均匀形核生长，结果便形成了和相间排列的共晶体。,只有两相同时存在，共同生长的过程才叫共晶凝固。共晶凝固所构成的区域叫共晶晶团或共晶晶区。 共晶组织的粗细用其相邻两相单片厚度之和表示，称为片层厚度(=d+d)。 片层厚度与成长速率R的平方成反比： =kR-1/2 (4-14) 成长速率R取决于液固界面处的过冷度。过冷度越大，晶体生长速率越大，共晶体片层越薄。,共晶体究竟呈片状还是呈棒状生长，主要取决于两个因素：两相的体积分数和界面的比界面能。 热力学推导结果为：其中一相的体积分数小于30%时棒状组织界面能较低，利于形成

11、棒状组织；一个相的体积分数在3050%时，有利于形成片状组织。 当共晶体中两相之间的比界面能较低时，尽管一组成相的体积分数小于30%，仍有可能形成片状共晶体。,4.3.3.2 粗糙-平滑界面(金属-非金属型)共晶：这类共晶的组织形状不规则。其主要原因是由于非金属相晶体结构上的特性不同，具有较高的融化熵和长大时明显的各向异性。 如Al-Si系共晶的 两相参差不齐， Si相成长时各向 异性，产生分枝。,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。,4.3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织

12、 实际生产中的冷却速度较快。合金凝固时的原子扩散不充分，导致凝固过程和显微组织偏离平衡状态。 4.3.4.1 伪共晶组织：在不平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶组织，这类共晶组织称为伪共晶组织。,伪共晶的形成：见图，位于共晶点附近的I成分合金，如果快冷到t1温度时才结晶， 则形成初的过程被抑制。过冷液体既在结晶出相的液相线以下，也在结晶出相的液相线之下， 因此同时对和饱 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。,伪共晶区不单纯是液相线与过冷温度所围区域，它的位置与共晶两相的结晶速度有关。而结晶速度受相的晶体结构和固液界面的形态影响。 一般说来，具

13、有粗糙界面的金属基相，其生长速率随过冷度增大而明显提高；具有平滑界面的非金属相的生长速率随过冷度的变化较小，于是伪共晶区往往偏向晶体结构复杂及具有平滑界面的非金属相一边。,伪共晶在相图中的位置对说明合金中出现的不平衡组织有一定帮助。如在Al-Si系中，共晶成分的Al-Si合金在铸造状态下的组织为初+(+Si)共，而不是单纯的共晶体。其原因是：由于伪共晶区偏向Si一边，共晶成分的过冷液体不会落在伪共晶区内，因此先析出相而使液相成分右移进入伪共晶区，再发生共晶转变，所以Al-Si共晶合金铸造后得到的是亚共晶组织初+(+Si)共。,4.3.4.2 离异共晶：有些成分远离共晶点的亚共晶或过共晶合金，由

14、于初晶量很多，而共晶体量很少，在共晶转变过程中，与初晶相同的那个相如果依附在初晶上生长，而另一相单独析出于初晶晶粒的晶界处，则共晶组织的特征消失。这种两相分离的共晶称为离异共晶。 钢中常见的Fe-FeS共晶即为离异共晶。 图4-32中的黑色部分即为Cu-Al合金中离异共晶体(+CuAl2)中的CuAl2相。,图4-32 Cu-Al合金(wCu=0.04)的离异共晶组织,离异共晶是在初晶量相对很多的条件下形成的。可以在平衡凝固中得到，也可以在非平衡凝固中得到。 在进行金相分析时，要特别注意离异共晶的组织形态。不要把枝晶间的共晶体误认为是次生相；或者把端部固熔体合金误认为是亚共晶合金。,4.4 二

15、元包晶相图 有些合金凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余的液相(有确定成分)发生反应生成另一种固相，这种转变称为包晶转变。 二组元在液态无限熔解，固态时有限互熔并具有包晶转变的相图称为二元包晶相图。常出现在Cu-Sn, Cu-Zn, Ag-Sn, Fe-C等合晶系中。,4.4.1 相图分析(以Pt-Ag相图为例) 两组元 液态无 限互熔， 固态部 分互熔， 有三相 平衡包 晶转变。,与共晶相图相比，包晶相图中各条相变线的意义类似，只有水平线CDP有差异。CDP温度以上只有一个固相，而在CDP线上，两个固相和都可以分别与液相平衡。凡是位于此线范围的液态合金冷却到此温度时，都会发生包

16、晶反应： LP+C 1186C D CDP线称为包晶线，P点称为包晶点。,包晶线与共晶线的区别： 共晶线为固相线，线上的合金在此温度全部凝固，其组织为两相混合物；而包晶线的CD段为固相线，DP段为非固相线，成分位于CD线内的合金包晶转变后的组织为两相混合物；而成分位于DP段的合金包晶转变后还有液相存在，它将在继续冷却时凝固成单相。,4.4.2 包晶合金的平衡凝固和组织 成分在CDP线上的合金都要发生包晶转变 4.4.2.1 wAg=0.424的Pt-Ag合金：该合金I从液态冷却到t1温度时，开始结晶相，继续冷却则相增多，液相相应减少。 降温到1186C时，相成分到达C点，液相L成分达到P点，此

17、时发生包晶反应：LP+C=D 反应完后液相和相全部转变为固熔体。再冷则析出，室温组织为+。,包晶转变时，相依附于相的表面形核，并消耗L相和相而生长。当相表面形成一层相时，相的成分为C(10.5)，的成分为D(42.4)，液相的成分为P(66.3)。这样，各相界面都存在浓度梯度，于是Ag原子从液相经相向相扩散，而Pt原子从相经相向液相扩散。扩散造成界面浓度变化，而浓度变化引发该处熔点改变，界面随之移动；界面移动又形成浓度梯度所以相的长大是相界扩散移动的过程。,D点(42.4)成分的Pt-Ag合金，包晶转变开始前液相L和固相的平衡相对量为： WL=(0.424-0.105)/(0.663-0.10

18、5)=57.2% W=(0.663-0.424)/(0.663-0.105)=42.8% 两相相对量之比为WL/W=1.33。如果包晶转变前两个平衡相的相对量之比不是1.33，则包晶转变后要么L相剩余，要么相剩余。,4.4.2.2 其他包晶合金的平衡凝固： a. 成分在CD线内的Pt-Ag合金，包晶转变后相有剩，室温组织+ 。,b. 成分在DP线内的Pt-Ag合金，包晶转变后有L相剩余，随温度降低将结晶出相。室温组织为+。,4.6 二元相图的分析方法 有些二元相图很复杂，但都是由各类基本相图组合而成的。只要掌握了基本相图的特点和规律，就能化繁为简，对任何复杂相图进行分析和应用。,4.6.1 复

19、杂二元相图的分析方法 1 找出组元(稳定化合物视为组元)，把相图分区。 2 确定单相区(具有独立结构和性质的相的成分和温度范围)。 3 根据邻区原则(含有P个相的相区的邻区，只能含有P1个相)确定两相区。 4 找出所有三相水平线，根据与水平线相连的三个单相区类别和分布特点，确定三相平衡的类型。,4.6.2 二元相图分析实例 铁碳系是碳钢，低合金钢和铸铁的基础。该相图包括了包晶，共晶和共析三种转变。是学习分析二元相图的一个范例。 4.6.2.1 相图中的相：铁碳相图中的主要部分是Fe-Fe3C相图。有以下几个固相： 1 铁素体：即C在-Fe(体心立方)中形成的间隙固熔体，常用或F表示。C熔于-F

20、e的八面体间隙，最大固熔度(体积分数)为0.0218%。,C在-Fe(体心立方)中形成的间隙固熔体称为高温铁素体，用表示。最大固熔度(质量分数)为0.09%。 2 奥氏体：C熔入-Fe(面心立方)的八面体间隙中形成的间隙固熔体，通常用或A表示。最大固熔度(质量分数)为2.11%。 铁素体和奥氏体的力学性能相似，都是软而韧。此外，奥氏体为顺磁相而铁素体为铁磁相，但在居里点(OM，770C)以上仍为顺磁相。,3 渗碳体：Fe3C，一种间隙化合物，正交晶系。点阵常数：a=4.524, b=5.089 , c=6.743 。其晶体结构比较复杂，一个晶胞含12个Fe原子和4个C原子，将相邻6个Fe原子连

21、成三棱柱，中间包含1个C原子，可以看成是Fe3C的结构单元。也可以看成是两个共顶四面体(C为共顶原子)。 理论熔点1227C；A0温度(230C)以下具有铁磁性；性硬而脆，HB800；塑性差，延伸率几乎为零。,渗碳体是一种亚稳相，在高温下长时间加热会发生分解，形成石墨： Fe3C 3Fe+C(石墨) 可见铁碳相图具有双重性，即一个是Fe-Fe3C亚稳系相图，另一个是Fe-C(石墨)稳定系相图，俩相图各有其实用范围。 4.6.2.2 相图中重要的点和线： Fe-Fe3C相图比较复杂，但以三条转变线为中心，掌握相关的点和线的意义后便容易分析了。,(1) 三个主要转变： 1) 包晶转变：HJB为包晶转变线，其反应式为 LB+H 1495C J 凡wC在0.090.53%范围内的合金到此温度都要发生包晶转变，生成奥氏体组织。 2) 共晶转变：ECF线为共晶转变线，其反应式为 LC 1148C E+Fe3C 凡wC在2.116.69%范围内的合金到此温度都要发生共晶转变，生成(+Fe3C),称为莱氏体，用Ld表示，其组织形态见图4-54。,莱氏体冷却到室温后称低温莱氏体，用Ld表示。为Ld中的 在降温到727C时转变成珠光体P，室温组织为P+F