材料科学基础 二元系相图及其合金凝固1.3 二元包晶相图

1、7.3.3 二元包晶相图,包晶相图概述 有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相(有确定成分)发生反应生成另一种固相的恒温转变过程称为包晶转变（peritectic reaction）。 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变的相图称为二元包晶相图（the peritectic phase diagram）。 具有包晶转变的二元合金有：CuSn、FeC、CuZn、AgSn、AgPt,Pt-Ag包晶相图,1. 包晶相图分析,相区： 三个单相区：L相区、相区和相区； 三个双相区：L+相区、L+相区、+相区； 一个三相区：三相共存于DPC线 L+ 线：固相线

2、、液相线、水平线(DPC)为包晶转变线， 包晶转变线上的合金在该温度下发生包晶转变： LC+D =P,P点为包晶反应点，在P点成分的合金，可全部发生包晶反应，由液、固两相形成相单相。 所有的成分在DC范围内的合金在此温度都将发生三相平衡的包晶转变。 除P点以外，在水平线上其他成分的合金包晶反应不完全，除生成相以外，P点以右合金有液相过剩，P点以左合金有相过剩,2.包晶系合金的平衡凝固（1） 包晶点(P)合金,在01点温度范围，合金为液相。 在1点温度，合金开始结晶出固相。 在12点温度范围，合金发生匀晶转变，L。 在略高于2点温度，合金处于液相和相的两相平衡，液相的平衡成分为C点成分，相的成分

3、为D点成分,两平衡相的重量分别为,在2点温度时，合金发生包晶转变，LC+DP，处于三相平衡,当温度略低于2点时，结晶终了。液相和固相全部消失，合金处于单相状态。 包晶转变时，相一般是在相上形成一层外壳，把相包围起来，与L相隔绝，然后通过原子向两边扩散，消耗相和L相而长大,在低于2点温度，从相中将析出次生相，。合金处于和两相平衡。随着温度下降，相成分沿PF线变化，相成分沿DE线变化。两平衡相的重量也随之而变,发生包晶反应：LC+D =P为恒温反应 结晶过程： LL+ 匀晶反应包晶反应脱溶转变 室温组织：+,包晶点(P)合金的平衡凝固,包晶点(P)合金的室温组织,2） 包晶点(P)以右合金I的平衡

4、凝固,在01点温度范围，合金为液相。 在1点温度时，合金开始结晶，从液相中结晶出固相。 在12点温度范围，发生匀晶转变，合金处于固液两相平衡。 在略高于包晶转变温度时，合金处于和液相两相平衡,两平衡相的重量分别为,显然，包晶反应中液相的相对量超出包晶反应所需比例，包晶反应后有液相剩余,因此，包晶转变后，合金处于L和两相平衡。 继续冷却，在23点温度范围，从液相中结晶出相，发生匀晶转变，直至3点温度时，液相全部消失。此时，合金处于单相状态,以后，随着温度继续下降，在4点以下温度范围，从相中析出次生相，。此时，合金处于和两相平衡，直至室温。 合金在室温处于和两相平衡，室温组织为,3） 包晶点(P)

5、以右合金II的平衡凝固,在01点温度范围，合金为液相。 在1点温度时，合金开始结晶，从液相中结晶出固相。 在12点温度范围，发生匀晶转变，合金处于固液两相平衡。 温度达到2点，液相全部转变为相，此时的组织为 单相组织,23点范围内合金不发生任何组织转变，仍为单相组织。 当温度达到3点时，由相开始脱溶出相 因此，室温组织为：,4）包晶点(P)以右合金III的平衡凝固,室温组织为：单相组织,5） 包晶点(P)以左合金I的平衡凝固,液态合金冷却到12点时，发生匀晶转变，液相中先结晶出初晶相。 相成分沿AD变化，液相成分沿AC变化。 当温度达到2点时，液相成分相当于C点成分， 相成分相当于D点成分，合

6、金处于LC+D两相平衡状态,两平衡相的重量分别为,显然，包晶反应中相的相对量超出包晶反应所需比例，包晶反应后有相剩余,因此，包晶转变后，合金处于和两相平衡。 温度低于2点时，开始分别从、两相中脱溶出 和 结晶过程： LL+L+ 匀晶反应包晶反应脱溶转变 室温组织： + +,6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固,6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固,在包晶转变过程中，相是包围在相的外面，通过消耗液相和相而生长。在这过程中，液相和相的原子是不能直接交换的，而必须通过在相中的扩散来传递。 原子在固相中的扩散速度是很慢的，所以，只有在平衡冷却条件下，也就是冷却速度很慢的情况下，包晶转变才能充分进行

7、,3. 包晶系合金的非平衡凝固,在实际生产的条件下，由于冷却速度较快，包晶转变不能充分进行，因而通常达不到平衡状态。 对于成分为PC范围的合金，在平衡冷却条件下，包晶转变产物中不存在相。 但是，在非平衡冷却条件下，由于包晶转变不完全，使得包围在相中的相在包晶转变后仍有残留，通常把这种组织称为核心（或包心）组织,另外，在含Ag低于D点的合金，在平衡冷却条件下不发生包晶转变。 但在非平衡条件下，由于扩散受抑制，初晶相出现枝晶偏析，固相线平均成分发生偏移（如图中的虚线所示）。 这样，在包晶转变温度时，仍有液相存在，从而发生包晶转变，形成相。 包晶转变产生的非平衡组织可以通过扩散退火来消除,4、包晶转

8、变的实际应用,包晶转变有两个显著特点： 一是包晶转变的形成相依附在初晶相上形成； 二是包晶转变的不完全性。 根据这两个特点，在工业上可有下述应用。 (1). 在轴承合金中的应用 (2). 包晶转变的细化晶粒作用,4、包晶转变的实际应用,1). 在轴承合金中的应用,滑动轴承是一种重要的机器零件。由于价格昂贵，更换困难，所以希望轴在工作中所受的磨损最小。 为此，希望轴承材料的组织由具有足够塑性和韧性的基体及均匀分布的硬质点所组成,4、包晶转变的实际应用,这些硬质点一般是金属化合物，所占的重量为5%50%。 软的基体使轴承具有良好的磨合性，不会因受冲击而开裂。 硬的质点使轴承具有小的摩擦系数和抗咬合

9、性能,4、包晶转变的实际应用,4、包晶转变的实际应用,这些合金先结晶出硬的化合物，然后通过包晶反应形成软的固溶体，并把硬的化合物质点包围起来，从而得到在软的基体上分布着硬的化合物质点的组织。 在轴运转时，软的基体很快被磨损而凹下去，贮存润滑油，硬的质点比较抗磨便凸起来，支承轴所施加的压力，这样就可保证了理想的磨擦条件和极低的磨擦系数。 Sn-Sb系轴承合金就属此例,Sn-Sb轴承合金平衡组织,其中，相呈黑色，是包晶反应的产物。呈白色的点状，由相产生,如图是Sn-Sb（Sb20%）合金的平衡组织。图中的白色块状组织是初生相，相是以Sn-Sb化合物为基的固溶体。 基体组织是+,2). 包晶转变的细

10、化晶粒作用,4、包晶转变的实际应用,在铝及铝合金中添加少量的钛，可获得显著的细化晶粒效果。 当含钛量超过0.15% 以后，合金首先从液体中结晶出初晶TiAl3，然后在665发生包晶转变：L+TiAl3。TiAl3对相起非均匀形核作用，相依附于TiAl3上形核并长大。由于从液体中结晶出的TiAl3细小而弥散，其非均匀形核作用的效果很好，细化晶粒作用显著,TiAl3对相起非均匀形核作用，相依附于TiAl3上形核并长大。由于从液体中结晶出的TiAl3细小而弥散，其非均匀形核作用的效果很好，细化晶粒作用显著,同样，在铜及铜合金中加入少量的铁与镁。 在镁合金中加入少量的锆或锆的盐类，均因在包晶转变前形成

11、大量细小的化合物，起非均匀形核作用，从而具有良好的细化晶粒效果,4、包晶转变的实际应用,7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解,溶混间隙（miscibility gap）是两种液相或两种固溶体不相混溶的现象。它可以出现在单相的液相中，也可以出现在单一固溶体区内。 LL1+L2 1 +2 转变方式有二种： (1) 形核长大方式，需要克服形核能垒， (2) 没有形核阶段的不稳定分解，称为调幅分解,7.3.5. 其他类型的二元相图,1. 具有化合物的二元相图 2. 具有偏晶转变的相图 3. 具有合晶转变的相图 4. 具有熔晶转变的相图 5. 具有固态转变的二元相图,1. 具有化合物的二元相图,在某些二元

12、系中，可形成一个或多个化合物，化合物一般处于相图的中间位置，又称为中间相（intermediate phase）。根据两组元间形成化合物的稳定性，可分为稳定化合物和不稳定化合物。 (1). 形成稳定化合物的相图 稳定化合物是指具有固定的熔点，且在熔点以下保持固有结构而不发生分解的化合物。 相图特征：a.没有溶解度的化合物在相图上表现为一条垂线，可以把它作为一个独立的组元而把相图分为两部分，该类化合物成分是固定的。b.有一定的溶解度，化合物有一定的成分范围 形成稳定化合物的二元相图有：MgSi、CuTi、FeP、MgCu、AgSr、Na2SiO3SiO2、BeOAl2O3、SiO2MgO,形成稳

13、定化合物的相图,Mg-Si相图,CdSb相图,2). 形成不稳定化合物的相图 不稳定化合物是指在加热到一定温度时会发生分解的化合物。 相图特征：化合物线在加热到一定温度化合物会分解。 包晶反应所形成的中间相均属于不稳定化合物。它们不能视为独立组元而把相图划分为简单相图。 例如：KNa相图,形成不稳定化合物的相图,K-Na相图,2. 具有偏晶转变的相图,偏晶转变相图特点：在一定的成分和温度范围内，两组元在液态下也只能有限溶解，存在两种不同浓度的液相L1和L2。 其转变：是在一定温度下从一个液相中同时分解出一个固相和另一成分的液相的过程，且固相的相对量总是偏多。 即：L1 A+L2 具有偏晶转变的

14、二元系有：CuS、CuO、MnP,具有偏晶转变的相图,3. 具有合晶转变的相图,合晶转变（syntectic reaction）相图特点：二元组在液态下有限溶解，存在不熔合线，不熔合线以下的两液相L1和L2。 其转变：在恒定温度下，两个成分不同的液相和相互作用形成一个固相的转变称为合金转变。 即 L1+L2 具有偏晶转变的二元系如：NaZn,具有合晶转变的相图,4. 具有熔晶转变的相图,在某些合金结晶过程中，当达到一定温度会从一个固相分解为一个液相和另一个固相，即发生了固相的再熔现象，这种转变称为熔晶转变（metatectic reaction）。即： L+ 具有熔晶转变的合金很少，如FeS、

15、CuSb,具有熔晶转变的相图,5.具有固态转变的二元相图,当合金中组元具有同素(分)异构变时，则其固溶体会出现三种情况：固溶体的多晶型转变，共析转变、包析转变、偏析转变（monotectoid reaction）。 (1) 具有固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变。具有这类转变的合金有等，如FeC、FeTi合金,具有固溶体多晶型转变的相图,2) 具有共析转变的相图 共析转变（eutectoid reaction）是在一定温度下一个固相转变为另两个固相的过程。共析转变与共晶转变相似，区别在于它是由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。共析转变对热处理强化意义很大。钢的热处理是

16、以共析转变为基础的。 共析合金（eutectoid alloy）、亚共析合金（hypoeutectoid alloy）、过共析合金（hypereutectoid alloy,具有共析转变的相图,3)具有包析转变的相图 包析转变（peritectoid reaction）类似于包晶转变，区别在于包析转变是由两个固相反应生成另外一个固相。 (4)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，析出第二相的过程，称为脱溶过程。 (5)具有有序无序转变的相图 (6)具有固溶体形成中间相转变的相图 (7)具有磁性转变的相图,包析转变的相图,具有单析反应的相图,7.3.6复杂二元相图的分析方法,步

17、骤和方法如下： (1) 首先看相图中是否存在化合物，如有稳定化合物，则以这些稳定化合物为界(把化合物视为组元)，把相图分成几个区域(基本相图)进行分析。 (2) 根据相区接触法则，认清各相区的组成相。 单相区和单相区只能有一个点接触，而不应有一条边界线。 相邻相区的相数相差为1(点接触除外)，单相区与两相区相邻，因而邻近的两个单相区被一个两相区隔开，两相区与三相相邻。 一个三相反应的水平线和三个两相区相遇，共有6条边界线。 如两个三相反应中有两个共同的相，则此两个共同的相组成两个三相水平线之间的两相区。 根据热力学，所有两相区的边界线不应延伸到单相区，而应伸向两相区,3)找出所有的三相共存水平

18、线，分析这些恒温转变的类型，写出转变式。表7.1（或讲义P441）列出了二元系各类三相恒温反应(转变)的类型，可借助于分析。 (4)应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律。 单相区；相成分、质量与原合金相同。 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。 三相共存(平衡)时，三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量,5)在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它

19、们的非平衡条件下可能出现的相和组织。 (6)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,7.3.7. 根据相图推测合金的性能,合金的性能取决于合金的组织，而合金组织与相图有关，所以可根据相图预测合金平衡状态下的一些性能。 包括： 使用性能（力学性能、物理性能等） 工艺性能（合金的铸造 、压力加工 、切削加工 、热处理强化性能,1.使用性能(力学、物理性能,一般形成两相机械混合物的合金，其性能是各相性能的平均值，即性能与成分呈线性关系；形成固溶体合金时，其性能与成分呈曲线关系；形成稳定化合物时，其性能在曲线上出现奇点。 固溶体合金中溶质原子溶使使溶剂晶格发生变化(畸变)，使固溶体强度、硬度升高，而塑性降低，这一现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金强度的方法之一，在工业生产上得到广泛应用,共晶相图与硬度和强度的关系,固溶体合金与强度和硬度的关系,相图与使用性能的关系,相图与工艺性能的关系,2.判断合金的工艺性能,合金的工艺性能与相图也有一定的关系。 合金铸造性能：由于共晶合金熔点低，并且是恒温转变，溶液流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，合金较为致密。因