材料科学基础二元系相图及其合金凝固1.3二元包晶相图市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

7.3.3二元包晶相图第1页包晶相图概述

有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来一定成份固相与剩下液相(有确定成份)发生反应生成另一个固相恒温转变过程称为包晶转变（peritecticreaction）。

两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并含有包晶转变相图称为二元包晶相图（theperitecticphasediagram）。

含有包晶转变二元合金有：Cu－Sn、Fe－C、Cu－Zn、Ag－Sn、Ag－Pt。第2页Pt-Ag包晶相图L＋

L＋

DP42.4

第3页1.包晶相图分析

相区：三个单相区：L相区、α相区和β相区；三个双相区：L+α相区、L+β相区、α+β相区；一个三相区：三相共存于DPC线L+α+β线：固相线、液相线、水平线(DPC)为包晶转变线，

包晶转变线上合金在该温度下发生包晶转变：

LC+αD=βP第4页P点为包晶反应点，在P点成份合金，可全部发生包晶反应，由液、固两相形成β相单相。全部成份在DC范围内合金在此温度都将发生三相平衡包晶转变。

除P点以外，在水平线上其它成份合金包晶反应不完全，除生成β相以外，P点以右合金有液相过剩，P点以左合金有α相过剩。

第5页L＋

L＋

DP1242.42.包晶系合金平衡凝固－（1）

包晶点(P)合金

第6页在0~1点温度范围，合金为液相。在1点温度，合金开始结晶出固相α。在1~2点温度范围，合金发生匀晶转变，L→α。在略高于2点温度，合金处于液相和α相两相平衡，液相平衡成份为C点成份，α相成份为D点成份。

第7页两平衡相重量分别为：在2点温度时，合金发生包晶转变，LC+αD→βP，处于三相平衡。第8页当温度略低于2点时，结晶终了。液相和固相α全部消失，合金处于单相β状态。

包晶转变时，β相普通是在α相上形成一层外壳，把α相包围起来，与L相隔绝，然后经过原子向两边扩散，消耗α相和L相而长大。第9页第10页在低于2点温度，从β相中将析出次生相α，β→αⅡ。合金处于α和β两相平衡。伴随温度下降，β相成份沿PF线改变，α相成份沿DE线改变。两平衡相重量也随之而变。

第11页发生包晶反应：LC+αD=βP为恒温反应结晶过程：

L→L+α→β→αⅡ+β

匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变室温组织：αⅡ+β包晶点(P)合金平衡凝固第12页包晶点(P)合金室温组织

第13页（2）

包晶点(P)以右合金I平衡凝固L＋

L＋

DP12G123442.4第14页在0~1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α。在1~2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α和液相两相平衡。第15页两平衡相重量分别为：

显然，包晶反应中液相相对量超出包晶反应所需百分比，包晶反应后有液相剩下。第16页

所以，包晶转变后，合金处于L和β两相平衡。继续冷却，在2~3点温度范围，从液相中结晶出β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β状态。

第17页以后，伴随温度继续下降，在4点以下温度范围，从β相中析出次生相α，β→αⅡ。此时，合金处于α和β两相平衡，直至室温。合金在室温处于α和β两相平衡，室温组织为β+αⅡ。

第18页（3）

包晶点(P)以右合金II平衡凝固L＋

L＋

DP1212342.4第19页在0~1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1~2点温度范围，发生匀晶转变，合金处于固液两相平衡。温度到达2点，液相全部转变为

相，此时组织为

单相组织。第20页2－3点范围内合金不发生任何组织转变，仍为

单相组织。当温度到达3点时，由

相开始脱溶出αⅡ相所以，室温组织为：αⅡ＋

第21页（4）包晶点(P)以右合金III平衡凝固L＋

L＋

DP121231242.4第22页室温组织为：

单相组织第23页（5）

包晶点(P)以左合金I平衡凝固L＋

L＋

DP1212H42.4第24页液态合金冷却到1－2点时，发生匀晶转变，液相中先结晶出初晶α相。α相成份沿AD改变，液相成份沿AC改变。当温度到达2点时，液相成份相当于C点成份，α相成份相当于D点成份，合金处于LC+αD两相平衡状态。第25页两平衡相重量分别为：

显然，包晶反应中α相相对量超出包晶反应所需百分比，包晶反应后有α相剩下。第26页所以，包晶转变后，合金处于α和β两相平衡。温度低于2点时，开始分别从α、β两相中脱溶出βⅡ

和αⅡ结晶过程：L→L+α→L+α+β→α+β→α+β+αⅡ+βⅡ

匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变

室温组织：α+β+αⅡ+βⅡ

第27页（6）包晶点(P)以左其它合金平衡凝固L＋

L＋

DP1242.4第28页L＋

L＋

DP1242.4（6）包晶点(P)以左其它合金平衡凝固第29页

在包晶转变过程中，β相是包围在α相外面，经过消耗液相和α相而生长。在这过程中，液相和α相原子是不能直接交换，而必须经过在β相中扩散来传递。

原子在固相中扩散速度是很慢，所以，只有在平衡冷却条件下，也就是冷却速度很慢情况下，包晶转变才能充分进行。3.包晶系合金非平衡凝固第30页

在实际生产条件下，因为冷却速度较快，包晶转变不能充分进行，因而通常达不到平衡状态。

对于成份为PC范围合金，在平衡冷却条件下，包晶转变产物中不存在α相。

不过，在非平衡冷却条件下，因为包晶转变不完全，使得包围在β相中α相在包晶转变后仍有残留，通常把这种组织称为关键（或包心）组织。

第31页L＋

L＋

DP1242.4第32页

另外，在含Ag低于D点合金，在平衡冷却条件下不发生包晶转变。

但在非平衡条件下，因为扩散受抑制，初晶α相出现枝晶偏析，固相线平均成份发生偏移（如图中虚线所表示）。

这么，在包晶转变温度时，仍有液相存在，从而发生包晶转变，形成β相。

包晶转变产生非平衡组织能够经过扩散退火来消除。第33页第34页4、包晶转变实际应用

包晶转变有两个显著特点：一是包晶转变形成相依附在初晶相上形成；二是包晶转变不完全性。

依据这两个特点，在工业上可有下述应用。(1).在轴承合金中应用

(2).包晶转变细化晶粒作用

第35页4、包晶转变实际应用

(1).在轴承合金中应用

滑动轴承是一个主要机器零件。因为价格昂贵，更换困难，所以希望轴在工作中所受磨损最小。为此，希望轴承材料组织由含有足够塑性和韧性基体及均匀分布硬质点所组成。第36页4、包晶转变实际应用

这些硬质点普通是金属化合物，所占重量为5%~50%。

软基体使轴承含有良好磨合性，不会因受冲击而开裂。

硬质点使轴承含有小摩擦系数和抗咬合性能。

第37页4、包晶转变实际应用

第38页4、包晶转变实际应用

这些合金先结晶出硬化合物β，然后经过包晶反应形成软固溶体α，并把硬化合物质点包围起来，从而得到在软基体上分布着硬化合物质点组织。

在轴运转时，软基体很快被磨损而凹下去，贮存润滑油，硬质点比较抗磨便凸起来，支承轴所施加压力，这么就可确保了理想磨擦条件和极低磨擦系数。

Sn-Sb系轴承合金就属此例。

第39页Sn-Sb轴承合金平衡组织其中，α相呈黑色，是包晶反应产物。βⅡ呈白色点状，由α相产生如图是Sn-Sb（Sb<20%）合金平衡组织。图中白色块状组织是初生β相，β相是以Sn-Sb化合物为基固溶体。基体组织是α+βⅡ。第40页(2).包晶转变细化晶粒作用4、包晶转变实际应用

在铝及铝合金中添加少许钛，可取得显著细化晶粒效果。当含钛量超出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→α。TiAl3对α相起非均匀形核作用，α相依附于TiAl3上形核并长大。因为从液体中结晶出TiAl3细小而弥散，其非均匀形核作用效果很好，细化晶粒作用显著。第41页TiAl3对α相起非均匀形核作用，α相依附于TiAl3上形核并长大。因为从液体中结晶出TiAl3细小而弥散，其非均匀形核作用效果很好，细化晶粒作用显著.第42页

一样，在铜及铜合金中加入少许铁与镁。

在镁合金中加入少许锆或锆盐类，均因在包晶转变前形成大量细小化合物，起非均匀形核作用，从而含有良好细化晶粒效果。4、包晶转变实际应用

第43页7.3.4溶混间隙相图与调幅分解

溶混间隙（miscibilitygap）是两种液相或两种固溶体不相混溶现象。它能够出现在单相液相中，也能够出现在单一固溶体区内。L→L1+L2α→α1+α2转变方式有二种：(1)形核长大方式，需要克服形核能垒，(2)没有形核阶段不稳定分解，称为调幅分解。

第44页7.3.5.其它类型二元相图1.含有化合物二元相图2.含有偏晶转变相图3.含有合晶转变相图4.含有熔晶转变相图5.含有固态转变二元相图第45页1.含有化合物二元相图在一些二元系中，可形成一个或多个化合物，化合物普通处于相图中间位置，又称为中间相（intermediatephase）。依据两组元间形成化合物稳定性，可分为稳定化合物和不稳定化合物。(1).形成稳定化合物相图

稳定化合物是指含有固定熔点，且在熔点以下保持固有结构而不发生分解化合物。

相图特征：a.没有溶解度化合物在相图上表现为一条垂线，能够把它作为一个独立组元而把相图分为两部分，该类化合物成份是固定。b.有一定溶解度，化合物有一定成份范围

形成稳定化合物二元相图有：Mg－Si、Cu－Ti、Fe－P、Mg－Cu、Ag－Sr、Na2SiO3－SiO2、BeO－Al2O3、SiO2－MgO第46页形成稳定化合物相图

第47页Mg-Si相图第48页Cd－Sb相图第49页(2).形成不稳定化合物相图

不稳定化合物是指在加热到一定温度时会发生分解化合物。

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。

比如：K－Na相图

第50页形成不稳定化合物相图

第51页K-Na相图第52页2.含有偏晶转变相图

偏晶转变相图特点：在一定成份和温度范围内，两组元在液态下也只能有限溶解，存在两种不一样浓度液相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份液相过程，且固相相对量总是偏多。

即：L1→A+L2

含有偏晶转变二元系有：Cu－S、Cu－O、Mn－P第53页含有偏晶转变相图

第54页3.含有合晶转变相图

合晶转变（syntecticreaction）相图特点：二元组在液态下有限溶解，存在不熔合线，不熔合线以下两液相L1和L2。

其转变：在恒定温度下，两个成份不一样液相和相互作用形成一个固相转变称为合金转变。

即L1+L2→β

含有偏晶转变二元系如：Na－Zn第55页含有合晶转变相图

第56页4.含有熔晶转变相图

在一些合金结晶过程中，当到达一定温度会从一个固相分解为一个液相和另一个固相，即发生了固相再熔现象，这种转变称为熔晶转变（metatecticreaction）。即：δ→L+γ

含有熔晶转变合金极少，如Fe－S、Cu－Sb第57页含有熔晶转变相图

第58页5.含有固态转变二元相图

当合金中组元含有同素(分)异构变时，则其固溶体会出现三种情况：固溶体多晶型转变，共析转变、包析转变、偏析转变（monotectoidreaction）。(1)含有固溶体多晶型转变相图

固溶体多晶型转变又称为多形性转变。含有这类转变合金有等，如Fe－C、Fe－Ti合金第59页含有固溶体多晶型转变相图

第60页(2)含有共析转变相图

共析转变（eutectoidreaction）是在一定温度下一个固相转变为另两个固相过程。共析转变与共晶转变相同，区分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。钢热处理是以共析转变为基础。

共析合金（eutectoidalloy）、亚共析合金（hypoeutectoidalloy）、过共析合金（hypereutectoidalloy）第61页含有共析转变相图

第62页(3)含有包析转变相图

包析转变（peritectoidreaction）类似于包晶转变，区分在于包析转变是由两个固相反应生成另外一个固相。(4)含有脱溶沉淀过程相图

伴随温度降低固溶体中溶解度下降，析出第二相过程，称为脱溶过程。(5)含有有序—无序转变相图(6)含有固溶体形成中间相转变相图(7)含有磁性转变相图第63页包析转变相图

第64页含有单析反应相图

第65页7.3.6．复杂二元相图分析方法

步骤和方法以下：

(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)依据相区接触法则，认清各相区组成相。单相区和单相区只能有一个点接触，而不应有一条边界限。相邻相区相数相差为1(点接触除外)，单相区与两相区相邻，因而邻近两个单相区被一个两相区隔开，两相区与三相相邻。一个三相反应水平线和三个两相区相遇，共有6条边界限。

如两个三相反应中有两个共同相，则此两个共同相组成两个三相水平线之间两相区。依据热力学，全部两相区边界限不应延伸到单相区，而应伸向两相区。

第66页

(3)找出全部三相共存水平线，分析这些恒温转变类型，写出转变式。表7.1（或讲义P4－41）列出了二元系各类三相恒温反应(转变)类型，可借助于分析。(4)应用相图分析经典合金组晶过程和组织改变规律。单相区；相成份、质量与原合金相同。双相区；在不一样温度下两相成份沿相界限改变，各相相对量可由杠杆法则求得。三相共存(平衡)时，三个相成份固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成相对量。第67页

(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相和相对量，并不能表示出相形状、大小和分布（这些只取决于相本性及形成条件）；相图只表示平衡状态情况，而实际生产条件下极难到达平衡状态，所以要尤其重视它们非平衡条件下可能出现相和组织。

(6)相图正确是否可用相律来判断。

在分析和认识了相图中相、相区及相变线特点之后，就可分析详细合金随温度改变而发生相变及组织改变。第68页7.3.7.依据相图推测合金性能

合金性能取决于合金组织，而合金组织与相图相关，所以可依据相图预测合金平衡状态下一些性能。

包含：使用性能（力学性能、物理性能等）工艺性能（合金铸造

、压力加工

、切削加工

、热处理强化性能）第69页1.使用性能(力学、物理性能)

普通形成两相机械混合物合金，其性能是各相性能平均值，即性能与成份呈线性关系；形成固溶体合金时，其性能与成份呈曲线关系；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改变(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。固溶强化是提升合金强度方法之一，在工业生产上得到广泛应用。

第70页共晶相图与硬度和强度关系固溶体合金与强度和硬度关系第71页相图与使用性能关系第72页