材料科学基础一Ch05相图3

1、二元共晶相ffl (Eutectic phase diagrams)有两种基本形式：在固态时二组元完全不相互溶解在固态二组元有限溶解后一种形式是常见的共晶相图。金属材料中具有共晶相图的 合金系有Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si, Al-Sn, Pb-Bi, Fe-C 等。、共晶反应(Eutectic reaction)共晶成分0)的液相同时转变成为二种固相。由相律计算可以 知道，二元合金三相平衡共存时系统的自由度数为0。也就是说, 共晶反应是在恒定的温度下进行的，是恒温转变(Isothermal transform)；三相平衡共存时，每一相的成分都是固定的。共晶反应的一般表达式为:Le-

2、+ 0D对于固态完全不溶的共晶反应，其生成物仍为A、B两个组 元，只是机械地混合在一起而已。二、相图分析以Pb-Sn合金共晶相图为例, 对共晶相图的基本结构：点、线、区分别进行介绍,共晶反应:«2040 出) 豹 口期二汽血Sn183°C务9.2+ 097.51、点Tpb纯Pb的熔点(327.5 °C)纯Sn的熔点(231.9 °C)E共晶点(61.9%Sn, 183C)cSn在Pb中的最大溶解度(19.2%Sn, 183C)DPb在Sn中的最大溶解度(2.5%Pb, 183C)2、线Tpb E TSn液相线Tpb CED TSn固相线CED共晶线（水平

3、线）CFSn在Pb）中的溶解度曲线，随温度变化DGPb在Sn（Q中的溶解度曲线，随温度变化3、区单相区L +aL+p a+p液、固二相区，与匀晶相图的二相区相同，可以将它们看作匀晶相图的一部分。固态二相区三相区CED水平线（一个特殊的相区）三、典型合金的冷却过程分析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：61.9 %Sn （图5.3-4中合金7）©亚共晶合金：19.2% 61.9 %Sn （如合金）过共晶合金：61.9% 97.5 %Sn （如合金Sn v 19.2 %和$11 > 97.5 %的合金可以看作是匀晶合金1、共晶合金的冷却过程共晶合金（619 %

4、Sn）的熔点最低，它的液相线与固相线重合（温度相同）。缓慢冷却过程中，共晶合金在乙温度发生共晶转变:100%P生mi %Sn乙61.9183°C6Z9.2+ 097.5III这是一个恒温转变，在183。（2液相全部转变成由固相么和组 成的共晶组织。当温度低于1839时，随着温度的降低，Sn在a 中的溶解度降低船溶解度曲线CF变化），°相中析出相；同 理，Pb在中的溶解度也降低（沿溶解度曲线DG变化），相中 析出如相。由于如相、相的数量少，共晶组织中难以直接区 分出来。说明:aPbSn共晶过程一 Flash以Pb为基体，溶解了少量Sn的固溶体；以Sn为基体，溶解了少量Pb的固

5、溶体； «因溶解度降低，从固溶体”中析出的心 为区别共晶m相而称为&；Ar因溶解度降低，从固溶体Q中析出的，为区别 共晶“相而称为“II O共晶组织中处"两相的相对量可以应用杠杆定理计算出来:c CD 97.5-19.2= 45.5%PD% =CE61.9 19.297.5 19.2=54.5%右图是实际PbSn共晶合金组织的金相照片。黑色为久相，白色为0相。不同种类的共晶合金一般具有不同的组织形态。 下面是几种典型的共晶组织：针状(Al-Si)螺旋状（Zn-Mg）FeC（石墨）的共晶组织针状(Al-Si)螺旋状（Zn-Mg）FeC（石墨）的共晶组织层片状（AhCu

6、AJ球状或短棒状（CuCuO）棒状或条状（SbMnSb, 横截面）定向凝固）针状(Al-Si)螺旋状（Zn-Mg）FeC（石墨）的共晶组织2、亚共晶合金的冷却过程Flash 亚共晶PbSn成分在共晶点E以左、C点以右(gpSn: 19.2 - 61.9%)的合金称 为亚共晶合金(Hypoeutectic alloy)0亚共晶合金与共晶合金的冷 却过程的区别在于，亚共晶合金发生共晶转变之前，先进行匀 晶转变(£->«),匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。亚共晶合金室温下的组织为：先共晶固溶体。和共晶组织III(«+/?) O由于疣固溶体的溶解度随温度变化较大，

7、所以先共晶固溶体疚中有点状“II析出。下左图是实际亚共晶合金组织的金相020 4U 60 U0 100%IOO*iPbW/USn例题含Sn量为40%的Pb-Sn合金中，共晶组织的相对量是多少?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。因此，选择L+疚两相区和共晶温度作为计算条件。解：应用杠杆定理40 19 2Qf% = Lf% = x 100% = 48-7%e 已 61.9-19.2先共晶久相的相对量：1-48.7%=51.3%此亚共晶合金共晶组织中的久相占全部合金的相对量:Qa% = 45.5%x 48.7% = 22.16%3、过共晶合金的冷却过

8、程成分在共晶点E以右、D点以左(即Sn: 61997.5%)的合金称为过共晶合金(Hypereutecticalloy)o过共晶合金冷却过程中的组织转变与亚共晶合金十分相似，它们的区别在于过共晶合金的先共晶相是"而不是必相o过共晶合金的室温组织为:P +(«+ P) O下左图是过共晶和金的金相组织照片。共晶反应时有两相同时结晶出来，结晶刚开始时有一个固相先 形成，称为领先相。对于PbSn合金系久是领先相。久相形成后, 其周边液相中Sn浓度升高，为"相的形成创造了成分条件；另外, 疚相也为0相结晶提供了基底，促进了"相的形成。这样就形成了 共晶二相晶核，这

9、种形核方式称为互激形核。共晶的长大釆取分枝、搭桥方式。"相通过分枝在上长大，相 又分枝在相上长大，最后形成两相交替排列的层状结构。实际合金中，二相核心形成后往往呈辐射状自中心向外生长，长成球团状共晶组织。共晶长大过程中伴随有液相中两种原子的短程扩散。见右图。五、非平衡凝固的共晶组织以上讨论的都是共晶系合金平衡凝固时组织转变的情况，实 际生产中合金冷却的速度是很大的，平衡凝固（极缓慢冷却） 难以实现。因此，合金的组织与合金成分之间的对应关系与平 衡凝固时相比略有差别。1、伪共晶平衡凝固时，任何偏离共晶成分的合金都不会得到全部共晶 组织。但是在非平衡凝固时，接近共晶成分的亚共晶或过共晶

10、合金，凝固后可以全部是共晶组织。这种非共晶合金得到完全 的共晶组织称为伪共晶。可能出现的四种伪共晶区2、离异共晶在亚共晶或过共晶合金中，哪些成 分远离共晶点的合金，共晶液相结晶 时，共晶中的疣相可以依附于初生的必 相长大，结果使共晶相孤立存在于Q形成离异共晶。图5-39 AI 4 % Cm铸造合金屮的离灵共 晶帖界匕的相为CiiAl (200X )包晶转变(Peritectic reaction): 一个液相(1)与一个固相依)在恒 温為)下生成另一个固相(")的转变。表达式如下：Lc + 0D具有包晶转变的二元合金系有Pt-Ag SmSb、Cu-Sn> CmZn等，FeC合金

11、相图中也含有包晶转变部分。钳(Pt)银(Ag)相图是典型的二元包晶相图，下面就以它为例进行分析讨论。Pt-Agffl 图III1、42.4 % Ag合金Flash、相图分析单相区：I、CT、0区：L+g > L+p、d+p 三相区：L+a+fi （水平线 PDC包晶线）III成分在PC两点之间的所有合金在包晶温度都要发生包晶转变。 相图中的D点称为包晶点，所对应的温度乙称为包晶温度。二、Pt-Ag包晶系合金冷却过程分析时间即D点成分的合金。含Ag为42.4%的Pt-Ag合金由液态缓慢冷却。当温度到达液相 线进M+g二相区时，液相中结晶出疚固溶体。随着温度降低， Q固溶体的量不断增加，液相

12、的量则逐渐减少，并且，液相的成 分沿着液相线下滑，直到C点；疣固溶体的成分沿着固相线下滑, 直到F点。在包晶温度（TJ，久与液相厶进行包晶转变，生成固溶 体相。包晶转变结束时，合金为100%的0固溶体。温度继续下 降，由于Pt卸相中的溶解度随温度降低而快速下降，因此过饱 和的"相中析出购I。最后，室温下合金的平衡组织为：卩+ %。例题：用杠杆定律计算包晶转变刚开始时Q相和液相的相对量。解：取两相区：«+£,水平线：包晶温度DC66-8 42.4 小 “二=0.4334 =43.34%66.8-10.5Lc = 1 ocp 56.66%2、10.5 42.4 % A

13、g 合金Flash含Ag在10.5-42.4 %之间的PtAg合金，冷却过程中的组织转变 与42.4%Ag合金类似，区别在于，后者在包晶反应结束时，先 结晶出来的仪相和剩余的液相L正好消耗完，全部形翩相；而前 者在包晶反应结束时，还有a相剩余。因此，10542.4%Ag的PtAg合金的室温平衡组织为:a +fln+ p + ano 例题：用杠杆定律计算25%Ag合金在包晶转变刚结束时疣相和" 相的相对量。解：取两相区：久+",水平线：包晶温度42.4-25ap = 42.4-10.5= 54.55%Pd =25-10.542.4-10.5= 45.45%3、42.466.8

14、% Ag合金Flash含Ag在42.466.8%之间的PtAg合金，包晶转变结束时久相消耗完毕，还有液相L剩余。剩余的液相逐步直接转变为"相（匀 晶转变）o此类合金的室温平衡组织为：P 例题：用杠杆定律计算50%Ag合金在包晶转变刚结束时"相和液 相的相对量。解：取两相区：P+L,水平线：包晶温度66.8-5066.8-42.4= 68.85%50-42.4 66.8-42.4= 31.15%图3-40 Pt Ag相图（C）合金m图3-42包船系三种典型含金平衡凝周示总三、包晶系合金非平衡凝固分析CJ包晶反应的产物"相的成分介于反应物疚相和液相之间，并且 生成的&

15、quot;相包围着m相，从而将两个反应相隔离开来。这样，两 个反应相心厶的原子只有通过相传递以维持包晶反应的进行。 由于原子在固相中扩散的速度比在液相中慢得多，所以包晶转变的速度很慢图5-11包册反应时原子迁移示愆实际生产时，由于冷却速度快，包晶转变不能充分进行。因 此，平衡凝固时本应反应用完的疣相，在不平衡凝固时却会残留 一些在0相中心部位。包晶点左侧的合金，不平衡凝固组织中会 有更多的疣相，而包晶点右侧的合金也会有疚相残留。下面相图 是Al-Zn合金相图，相图中最上面的水平线是包晶线，包晶点右 侧的合金（如73%Zn）的室温组织中仍有残留的cc相。020411 加 船n fa r.Zn除了

16、前面讲到的匀晶、共晶和包晶三种最基本的相图以外，还有一些其它类型的二元相图。相图的类型是按相图中所含的转变 或反应(主要是恒温转变)来划分的。实际上许多二元合金相图 中含有多种转变，有些是恒温转变、有些是非恒温转变。li、有偏晶转变相图偏晶转变(Monotectic reaction)是一 个液相厶1分解出一个固相和另一成分 的液相02的转变。有可能产生偏晶转 变的二元系往往在液态时两组元只能 部分溶解，或几乎不溶解。例如Cu-Pb合金相图在955 °C有偏 晶转变：L2+Cu另外，CuO Ca-Cd, Fe-O, Mn-Pb等二元系中也含有偏晶转变。二、有熔晶转变相图熔晶转变是一个

17、固相转变为另一个固相和一个液相的恒温转 变。之所以称为熔晶转变，是因为固相在温度下降时可以部分 熔化。例如Fe-B相图中就含有熔晶转变：51381°c >y + L另外，Fe-S, Cu-Sb, Cu-Sn等 二元系中也含有熔晶转变O16001.500 严&B0012001100Ft 0.0QI0.01 0J 110B%三、有合晶转变相|III合晶转变是两个成分不同的液相（即在液态下二组元有限溶 解，相图中有不熔合线），在恒温下转变成一个固相。厶 +L2/K-Zn, Na-Zn等二元系中含有合晶转变。含有合晶转变的相图 很少。800600D+乙!557°97.

18、5aNDoo 40200.賈图6-41右合殆反应的相图419.58°、419° A-(Na)(Zn)-、i 一._ _,一 -一 _一 t _ _ 一 , 203Jco%40图5-82 Na-Zn相图四、有共析转变相图KI一定成分的固相在恒温下同时产生出两个不同的固相的转变， 称为共析转变(Eutectoid eaction)o共析转变与共晶转变的相图 特征十分类似，区别仅在于共析转变的反应相是固相而不是液 相。例如Fe-C相图中就含有共析转变：Zo.77723° C五、有包析转变相两个一定成分的固相在恒温下转变为一个新的固相，这种恒温反应称为包晶转变(Perit

19、ectoid reaction)。包析转变与包晶转 变的相图特征类似，只是包析转变中没有液相，只有固相。Fe-B合金的包析转变的反应式为:910° C六、形成化合物相图形成化合物(Compound),根据热稳定性能，化合物可以分为 稳定化合物和不稳定化合物两种。1、形成稳定化合物的相图可以将稳定化合物 看作一个组元，以稳定化合物为界，把相图分成两个部分分别分析。稳定化合物具有一定的熔点，并且在熔点以下不分解。如Ti- Ni合金相图中的TiNi化合物（熔点1310 °C ）和TiNis化合物（熔点1380°C）,都有固定的熔点，熔点以下也不会分解。所 以它们都是稳定化合物o然而化合物TNi则没有固定的熔点， 它是包晶转变的产物，是不稳定化合物。2、形成不稳定化合物的相图不稳定化合物没有固定的熔点,般在冷