材料科学基础I5-4二元共晶合金相图ppt课件

1、 二元共晶相图二元共晶相图(Eutectic phase diagrams)(Eutectic phase diagrams)有两种根本方式：有两种根本方式： 在固态时二组元完全不相互溶解在固态时二组元完全不相互溶解 在固态二组元有限溶解在固态二组元有限溶解 后一种方式是常见的共晶相图。金属资料中具有共晶相图的后一种方式是常见的共晶相图。金属资料中具有共晶相图的合金系有合金系有Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si, Al-Sn, Pb-Bi, Fe-C Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si, Al-Sn, Pb-Bi, Fe-C 等。等。 共晶成分共晶成分(E)(E)的液一样时转变成为二种

2、固相。由相律计算可以的液一样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在度数为知道，二元合金三相平衡共存时系统的自在度数为0 0。也就是说，。也就是说，共晶反响是在恒定的温度下进展的，是恒温转变共晶反响是在恒定的温度下进展的，是恒温转变(Isothermal (Isothermal transform)transform)；三相平衡共存时，每一相的成分都是固定的。；三相平衡共存时，每一相的成分都是固定的。 一、共晶反响一、共晶反响(Eutectic reaction)DCTEEL共晶反响的普通表达式为：共晶反响的普通表达式为： 对于固态完全不溶的共晶反响，其生成物仍

3、为对于固态完全不溶的共晶反响，其生成物仍为A A、B B两个组元，两个组元，只是机械地混合在一同而已。只是机械地混合在一同而已。 以以Pb-SnPb-Sn合金共晶相图为例，合金共晶相图为例，对共晶相图的根本构造对共晶相图的根本构造: : 点、点、线、区分别进展引见，线、区分别进展引见， 二、相图分析二、相图分析共晶反响：共晶反响： 5 .972 .191839 .61 CL1、点、点TPb纯纯Pb的熔点的熔点(327.5 C)TSn纯纯Sn的熔点的熔点(231.9 C)E共晶点共晶点(61.9%Sn, 183C)CSn在在Pb中的最大溶解度中的最大溶解度(19.2%Sn, 183C) DPb在

4、在Sn中的最大溶解度中的最大溶解度(2.5%Pb, 183C) 2、线、线TPb E TSn液相线液相线TPb C E D TSn固相线固相线C ED共晶线共晶线(水平线水平线)CFSn在在Pb()中的溶解度曲线，随温度变化中的溶解度曲线，随温度变化DGPb在在Sn()中的溶解度曲线，随温度变化中的溶解度曲线，随温度变化L液相区液相区固溶体区固溶体区固溶体区固溶体区3、区、区单相区单相区两相区两相区L +液、固二相区，液、固二相区，与匀晶相图的二相区相同，可以将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。它们看作匀晶相图的一部分。L + +固态二相区固态二相区三相区三相区L+C E

5、 D程度线程度线 (一个特殊的相区一个特殊的相区)三、典型合金的冷却过程分析三、典型合金的冷却过程分析 1、共晶合金的冷却过程、共晶合金的冷却过程 共晶系合金普通以共晶点为界进展分类，可以分为：共晶系合金普通以共晶点为界进展分类，可以分为：共晶合金共晶合金: 61.9 %Sn图图5.3-4中合金中合金I亚共晶合金亚共晶合金: 19.2% 61.9 %Sn (如合金如合金II)过共晶合金过共晶合金: 61.9% 97.5 %Sn (如合金如合金III)Sn 97.5 %的合金可以看作是匀晶合金的合金可以看作是匀晶合金 共晶合金共晶合金(61.9 %Sn)(61.9 %Sn)的熔点最的熔点最低，它

6、的液相线与固相线重合低，它的液相线与固相线重合( (温温度一样度一样) )。缓慢冷却过程中，共晶。缓慢冷却过程中，共晶合金在合金在TETE温度发生共晶转变：温度发生共晶转变：5 .972 .191839 .61 CL 这是一个恒温转变，在这是一个恒温转变，在183183C C液相全部转变成由固相液相全部转变成由固相和和组组成的共晶组织。当温度低于成的共晶组织。当温度低于183183C C时，随着温度的降低，时，随着温度的降低，SnSn在在中的溶解度降低中的溶解度降低( (沿溶解度曲线沿溶解度曲线CFCF变化变化) )，相中析出相中析出IIII相；相；同理，同理，PbPb在在中的溶解度也降低中的

7、溶解度也降低 ( (沿溶解度曲线沿溶解度曲线DGDG变化变化) , ) , 相中析出相中析出IIII相。由于相。由于IIII相、相、IIII相的数量少，共晶组织中相的数量少，共晶组织中难以直接区分出来。难以直接区分出来。 Pb-Sn共晶过程共晶过程Flash阐明：阐明： 以以Pb为基体，溶解了少量为基体，溶解了少量Sn的固溶体；的固溶体； 以以Sn为基体，溶解了少量为基体，溶解了少量Pb的固溶体；的固溶体；II因溶解度降低，从固溶体因溶解度降低，从固溶体中析出的中析出的，为区别，为区别 共晶共晶相而称为相而称为II；II因溶解度降低，从固溶体因溶解度降低，从固溶体中析出的中析出的，为区别，为区

8、别 共晶共晶相而称为相而称为II 。 共晶组织中共晶组织中、两相的相对量可以运用杠杆定理计算出来：两相的相对量可以运用杠杆定理计算出来： %5 .452 .195 .979 .615 .97%CDEDC%5 .542 .195 .972 .199 .61%CDCED 右图是实践右图是实践Pb-Sn共晶合金组共晶合金组织的金相照片。黑色为织的金相照片。黑色为相，白相，白色为色为相。相。 不同种类的共晶合金普通具有不同的组织形状。不同种类的共晶合金普通具有不同的组织形状。下面是几种典型的共晶组织：下面是几种典型的共晶组织： 层片状层片状Al-CuAl2Al-CuAl2，定向凝固定向凝固 棒状或条状

9、棒状或条状Sb-MnSbSb-MnSb，横截面横截面 球状或短棒状球状或短棒状Cu-Cu-CuOCuO 针状针状Al-Si 螺旋状螺旋状Zn-MgZn-Mg Fe-C(石墨石墨)的共晶组织的共晶组织 2、亚共晶合金的冷却过程、亚共晶合金的冷却过程 成分在共晶点成分在共晶点E E以左、以左、C C点以右点以右( (即即Sn: 19.2 61.9%)Sn: 19.2 61.9%)的合金的合金称为亚共晶合金称为亚共晶合金(Hypoeutectic alloy)(Hypoeutectic alloy)。亚共晶合金与共晶合。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，先金的冷却

10、过程的区别在于，亚共晶合金发生共晶转变之前，先进展匀晶转变进展匀晶转变(L), (L), 匀晶转变剩余的液相再进展共晶转变。匀晶转变剩余的液相再进展共晶转变。 亚共晶合金室温下的组织为：先共晶固溶体亚共晶合金室温下的组织为：先共晶固溶体和共晶组织和共晶组织(+)(+)。由于。由于固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体固溶体中有点状中有点状IIII析出。下左图是实践亚共晶合金组织的析出。下左图是实践亚共晶合金组织的金相照片。金相照片。 Flash 亚共晶亚共晶Pb-Sn 例题例题 含含Sn量为量为40%的的Pb-Sn合金中，共晶组织的相对量是多少？

11、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，计算出共晶点的液相转变而来的，计算出共晶转变开场时液相的相对量即可。因此，选择转变开场时液相的相对量即可。因此，选择L+两相区和共晶温两相区和共晶温度作为计算条件。度作为计算条件。解：运用杠杆定理解：运用杠杆定理 %7 .48%1002 .199 .612 .1940%EELQ 先共晶先共晶相的相对量：相的相对量：1-48.7%=51.3% 此亚共晶合金共晶组织中的此亚共晶合金共晶组织中的相占全部合金的相对量：相占全部合金的相对量：%16.22%7 .48%5 .45%Q3、过共晶合金的冷却

12、过程、过共晶合金的冷却过程 成分在共晶点成分在共晶点E E以右、以右、D D点以左点以左( (即即Sn: 61.9 97.5%)Sn: 61.9 97.5%)的合金称的合金称为过共晶合金为过共晶合金(Hypereutectic alloy)(Hypereutectic alloy)。过共晶合金冷却过程中。过共晶合金冷却过程中的组织转变与亚共晶合金非常类似，它们的区别在于过共晶合的组织转变与亚共晶合金非常类似，它们的区别在于过共晶合金的先共晶相是金的先共晶相是而不是而不是相。相。 过共晶合金的室温组织为：过共晶合金的室温组织为： +(+ ) +(+ )。下左图是过共晶。下左图是过共晶和金的金相组

13、织照片。和金的金相组织照片。 四、共晶结晶机理四、共晶结晶机理 共晶反响时有两一样时结晶出来，结晶刚开场时有一个固相先共晶反响时有两一样时结晶出来，结晶刚开场时有一个固相先构成，称为领先相。对于构成，称为领先相。对于Pb-Sn合金系合金系是领先相。是领先相。相构成后，相构成后，其周边液相中其周边液相中Sn浓度升高，为浓度升高，为相的构成发明了成分条件；另外，相的构成发明了成分条件；另外，相也为相也为相结晶提供了基底，促进了相结晶提供了基底，促进了相的构成。这样就构成了相的构成。这样就构成了共晶二相晶核，这种形核方式称为互激形核。共晶二相晶核，这种形核方式称为互激形核。 共晶的长大采取分枝、搭桥

14、方式。共晶的长大采取分枝、搭桥方式。相经过分枝在上长大，相相经过分枝在上长大，相又分枝在相上长大，最后构成两相交替陈列的层状构造。又分枝在相上长大，最后构成两相交替陈列的层状构造。 实践合金中，二相中心构成实践合金中，二相中心构成后往往呈辐射状自中心向外生后往往呈辐射状自中心向外生长，长成球团状共晶组织。长，长成球团状共晶组织。 共晶长大过程中伴随有液相中两共晶长大过程中伴随有液相中两种原子的短程分散。见右图。种原子的短程分散。见右图。五、非平衡凝固的共晶组织五、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，实践消费

15、中合金冷却的速度是很大的，平衡凝固极缓慢冷却践消费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。衡凝固时相比略有差别。 1、伪共晶、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

16、为伪共晶。的共晶组织称为伪共晶。2、离异共晶、离异共晶 在亚共晶或过共晶合金中，哪些成在亚共晶或过共晶合金中，哪些成分远离共晶点的合金，共晶液相结晶分远离共晶点的合金，共晶液相结晶时，共晶中的时，共晶中的相可以依靠于初生的相可以依靠于初生的相长大，结果使共晶相长大，结果使共晶相孤立存在于相孤立存在于相周围，构成离异共晶。相周围，构成离异共晶。包晶转变包晶转变(Peritectic reaction)(Peritectic reaction)：一个液相：一个液相(L)(L)与一个固相与一个固相()()在恒温在恒温(TD)(TD)下生成另一个固相下生成另一个固相( )( )的转变。表达式如下：的转

17、变。表达式如下：DTECDL 具有包晶转变的二元合金系具有包晶转变的二元合金系有有Pt-AgPt-Ag、Sn-SbSn-Sb、Cu-SnCu-Sn、Cu-Cu-ZnZn等，等，Fe-CFe-C合金相图中也含有合金相图中也含有包晶转变部分。铂包晶转变部分。铂(Pt)-(Pt)-银银(Ag)(Ag)相图是典型的二元包晶相图，相图是典型的二元包晶相图，下面就以它为例进展分析讨论。下面就以它为例进展分析讨论。Pt-Ag相图相图单相区：单相区：L L、二相区：二相区：L+L+、L+L+、+三相区：三相区：L+ L+ 程度线程度线PDCPDC包晶线包晶线一、相图分析一、相图分析 成分在成分在PCPC两点之

18、间的一切合金在包晶温度都要发生包晶转变。两点之间的一切合金在包晶温度都要发生包晶转变。相图中的相图中的D D点称为包晶点，所对应的温度点称为包晶点，所对应的温度TDTD称为包晶温度。称为包晶温度。二、二、Pt-AgPt-Ag包晶系合金冷却过程分析包晶系合金冷却过程分析1、42.4%Ag合金合金Flash即即D点成分的合金。点成分的合金。1223温温度度时间时间 含含Ag为为42.4% 的的Pt-Ag合金由液态缓慢冷却。当温度到达液相合金由液态缓慢冷却。当温度到达液相线进入线进入L+二相区时，液相中结晶出二相区时，液相中结晶出固溶体。随着温度降低，固溶体。随着温度降低， 固溶体的量不断添加，液相

19、的量那么逐渐减少，并且，液相的固溶体的量不断添加，液相的量那么逐渐减少，并且，液相的成分沿着液相线下滑，直到成分沿着液相线下滑，直到C点；点； 固溶体的成分沿着固相线下固溶体的成分沿着固相线下滑，直到滑，直到P点。在包晶温度点。在包晶温度(TD)， 与液相与液相L进展包晶转变，生进展包晶转变，生成固溶体成固溶体相。包晶转变终了时，合金为相。包晶转变终了时，合金为100%的的固溶体。温度固溶体。温度继续下降，由于继续下降，由于Pt在在相中的溶解度随温度降低而快速下降，因相中的溶解度随温度降低而快速下降，因此过饱和的此过饱和的相中析出相中析出II。最后，室温下合金的平衡组织为：。最后，室温下合金的

20、平衡组织为： + II。例题：用杠杆定律计算包晶转变刚开场时例题：用杠杆定律计算包晶转变刚开场时相和液相的相对量。相和液相的相对量。解：取两相区：解：取两相区： L，程度线：包晶温度，程度线：包晶温度%66.561%34.434334. 05 .108 .664 .428 .66PCPLPCDC 含含Ag在在10.542.4%之间的之间的Pt-Ag合金，冷却过程中的组织转变合金，冷却过程中的组织转变与与42.4%Ag合金类似，区别在于，后者在包晶反响终了时，先合金类似，区别在于，后者在包晶反响终了时，先结晶出来的结晶出来的相和剩余的液相相和剩余的液相L正好耗费完，全部构成正好耗费完，全部构成相

21、；而前相；而前者在包晶反响终了时，还有者在包晶反响终了时，还有相剩余。因此，相剩余。因此，10.542.4%Ag的的Pt-Ag合金的室温平衡组织为：合金的室温平衡组织为： +II+ + II。2、10.542.4%Ag合金合金Flash例题：用杠杆定律计算例题：用杠杆定律计算25Ag合金在包晶转变刚终了时合金在包晶转变刚终了时相和相和相的相对量。相的相对量。解：取两相区：解：取两相区： ，程度线：包晶温度，程度线：包晶温度%45.455 .104 .425 .1025%55.545 .104 .42254 .42DP3、42.466.8%Ag合金合金 含含AgAg在在42.466.8%42.4

22、66.8%之间的之间的Pt-AgPt-Ag合金，包晶转变终了时合金，包晶转变终了时相耗相耗费终了，还有液相费终了，还有液相L L剩余。剩余的液相逐渐直接转变为剩余。剩余的液相逐渐直接转变为相匀相匀晶转变。此类合金的室温平衡组织为：晶转变。此类合金的室温平衡组织为：+II+II。Flash例题：用杠杆定律计算例题：用杠杆定律计算50Ag合金在包晶转变刚终了时合金在包晶转变刚终了时相和液相和液相的相对量。相的相对量。解：取两相区：解：取两相区： L ，程度线：包晶温度，程度线：包晶温度%15.314 .428 .664 .4250%85.684 .428 .66508 .66CDL三、包晶系合金非

23、平衡凝固分析三、包晶系合金非平衡凝固分析 包晶反响的产物包晶反响的产物相的成分介于反响物相的成分介于反响物相和液相之间，并相和液相之间，并且生成的且生成的相包围着相包围着相，从而将两个反响相隔分开来。这样，相，从而将两个反响相隔分开来。这样，两个反响相两个反响相、L L的原子只需经过的原子只需经过相传送以维持包晶反响的相传送以维持包晶反响的进展。由于原子在固相中分散的速度比在液相中慢得多，所以进展。由于原子在固相中分散的速度比在液相中慢得多，所以包晶转变的速度很慢。包晶转变的速度很慢。 实践消费时，由于冷却速度快，包晶转变不能充分进展。因实践消费时，由于冷却速度快，包晶转变不能充分进展。因此，

24、平衡凝固时本应反响用完的此，平衡凝固时本应反响用完的相，在不平衡凝固时却会残相，在不平衡凝固时却会残留一些在留一些在相中心部位。包晶点左侧的合金，不平衡凝固组织相中心部位。包晶点左侧的合金，不平衡凝固组织中会有更多的中会有更多的相，而包晶点右侧的合金也会有相，而包晶点右侧的合金也会有相残留。下相残留。下面相图是面相图是Al-ZnAl-Zn合金相图，相图中最上面的程度线是包晶线，包合金相图，相图中最上面的程度线是包晶线，包晶点右侧的合金如晶点右侧的合金如73%Zn73%Zn的室温组织中仍有残留的的室温组织中仍有残留的相。相。 除了前面讲到的匀晶、共晶和包晶三种最根本的相图以外，还除了前面讲到的匀

25、晶、共晶和包晶三种最根本的相图以外，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响主要是恒温转变来划分的。实践上许多二元合金相图或反响主要是恒温转变来划分的。实践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。中含有多种转变，有些是恒温转变、有些是非恒温转变。 偏晶转变偏晶转变(Monotectic reaction)是一是一个液相个液相L1分解出一个固相和另一成分分解出一个固相和另一成分的液相的液相L2的转变。有能够产生偏晶转的转变。有能够产生偏晶转变的二元系往往在液态时两组元只能变的二元系往往在液

26、态时两组元只能部分溶解，或几乎不溶解。部分溶解，或几乎不溶解。 例如例如Cu-Pb合金相图在合金相图在955 有偏有偏晶转变：晶转变： L1 L2+Cu一、有偏晶转变相图一、有偏晶转变相图另外，另外，Cu-O, Ca-Cd, Fe-O, Mn-Pb等二元系中也含有偏晶转变。等二元系中也含有偏晶转变。二、有熔晶转变相图二、有熔晶转变相图 熔晶转变是一个固相转变为另一个固相和一个液相的恒温转熔晶转变是一个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，是由于固相在温度下降时可以部分变。之所以称为熔晶转变，是由于固相在温度下降时可以部分熔化。例如熔化。例如Fe-BFe-B相图中就含有熔

27、晶转变：相图中就含有熔晶转变：L C1381另外，另外，Fe-S, Cu-Sb, Cu-Sn等等二元系中也含有熔晶转变。二元系中也含有熔晶转变。 K-Zn, Na-Zn等二元系中含有合晶转变。含有合晶转变的相图等二元系中含有合晶转变。含有合晶转变的相图很少。很少。三、有合晶转变相图三、有合晶转变相图 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。解，相图中有不熔合线，在恒温下转变成一个固相。C21TLLCFe30218. 0C72377. 0 五、有包析转变相图五、有包析转变相图 两个一定成分的

28、固相在恒温下转变为一个新的固相，这种恒两个一定成分的固相在恒温下转变为一个新的固相，这种恒温反响称为包晶转变温反响称为包晶转变(Peritectoid reaction)(Peritectoid reaction)。包析转变与包。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，只需固相。晶转变的相图特征类似，只是包析转变中没有液相，只需固相。Fe-BFe-B合金的包析转变的反响式为：合金的包析转变的反响式为： C9102BFe四、有共析转变相图四、有共析转变相图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，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，称为共析转变称为

29、共析转变(Eutectoid eaction)。共析转变与共晶转变的相图。共析转变与共晶转变的相图特征非常类似，区别仅在于共析转变的反响相是固相而不是液特征非常类似，区别仅在于共析转变的反响相是固相而不是液相。例如相。例如Fe-C相图中就含有共析转变：相图中就含有共析转变：六、构成化合物相图六、构成化合物相图 构成化合物构成化合物(Compound)(Compound)，根据热稳定性能，化合物可以分为，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。稳定化合物和不稳定化合物两种。1、构成稳定化合物的相图、构成稳定化合物的相图 可以将稳定化合物可以将稳定化合物看作一个组元，以稳看作一个组元，以稳定化合物为界，把相定化合物为界，把相图分成两个部分分别图分成两个部分分别分析。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合金相图中的合金相图中的TiNi化合物熔点化合物熔点1310 和和