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三、二元相图的类型匀晶相图和固溶体凝固包晶相图及其合金凝固共晶相图及合金凝固其他类型的二元相图1.匀晶相图•匀晶相图：两组元在液态和固态都•能无限相互溶解的二元合金系相图。•匀晶转变：由液相直接结晶出单相•固溶体的过程称为匀晶相变（一般•用L→α表示）。•属于二元匀晶相图的二元合金有：Cu－Ni、Au－Ag、Au－Pt、Fe－Cr、Cr－Mo、Fe－Ni、Gd－Mg、Mo－W等；•属于二元匀晶相图的二元陶瓷有：•NiO－CoO、CoO－MgO、NiO－MgO等。•Cu-Ni相图为最典型的二元匀晶相图。•⑴相图分析•A、B点：纯组元Cu，Ni的熔点。•AB凸曲线-液相线：各不同成分的合•金加热到该线以上时全部转变为液•相，而冷却到该线时开始凝固出α•固溶体。AB凹曲线-固相线：各不同成分的合金加热到该线时开始熔化，而冷却到该线时全部转变为α固溶体。凸曲线以上：为液相的单相区，用L表示；凹曲线以下：为固相的单相区，用α表示；α是Cu-Ni互溶形成的置换式无限固溶体。•凸曲线和凹曲线之间：为液、固•两相平衡区，用L+α表示。当系统处于两相平衡时：f=2－2＋1=1这说明在液、固两相区，温度和成分只有一个是独立可变的因素：当温度一定时，液、固两平衡相的成分一定，只有合金的成分是唯一的独立可变因素；当合金的成分一定时，温度成为唯一的独立可变因素,平衡相得成分也随之而变。因此合金的凝固是在一个温度范围内进行，是变温凝固过程。•⑵平衡凝固•平衡凝固：凝固过程是在极其缓慢冷却条件下凝固。•平衡组织：在极其缓慢冷却条件下凝固所得到的组织。因速度十分缓慢，原子能够进行充分扩散，在凝固过程的每一时刻都能达到完全的相平衡。以含Ni=30%的Cu-Ni合金为例，来分析单相固溶体合金的平衡凝固过程。以含Ni=30%的Cu-Ni合金为例：•t1以上：单相的L,冷却时只•是降温不发生状态的变化。•冷到t1：发生匀晶转变，凝固•出固溶体α1（含高熔点组元•Ni较多），而液相的成分为L1•与合金的成分相同。•t1温度下相的相平衡关系为L1→α1。•运用杠杆定律得出的α1量很少，•几乎为另，此时结晶刚刚开始。•冷到t2时：凝固出成分为α2固溶体，•而液相的成分为L2。t2温度下相的•平衡关系为：L2→α2。•为达到这一平衡：在t2温度下继续结•晶出α2；同时原有的α1，必须通过扩散使成分由α1→α2；由于α2含Ni量比液相平均含量高，α2的析出使剩余液相含Ni量减少，从而使液相成分由L1→L2；随着温度的不断下降，固相的成分沿固•相线变化，相对量不断增加，液相的成•分沿液相线变化相对量不断减少。•这些变化过程的原子扩散示意图见图•所示。•上述变化过程的原子扩散示意图见图所示。先凝固出的固相中含Ni%量最高，由里向外向液相中扩散，Ni扩散方向（α1→α2→L2中）。而固相外层的液相中含Cu%量最高,由外向里向α1中扩散，Cu扩散方向（L2→α2→α1中）。由于是平衡凝固，冷却速度很慢一般认为上述扩散过程能充分进行。冷到t3时：合金与固相线相交，液、固两相建立最后的相平衡关系L3→α3；•α2必须通过扩散由α2→α3即合金•成分；液相的成分必须通过扩散由•L2→L3，即最后一滴液相的成•分为L3；•继续冷却，在t3温度以下液相消失•，α固溶体的成分不变，只是进行•单纯的冷却；•最后在室温时得到组织；•等轴状晶粒的单相α固溶体，其成•分为含Ni%=30%。•这就是固溶体的平衡凝固过程及•组织。•由上述讨论可以看出•固溶体平衡凝固时的成分变化：•随着温度的降低，固相的成分沿固相线变•化，相对量不断增加，液相的成分沿液相•线变化相对量不断减少，这是固溶体平衡•凝固的重要规律之一。•固溶体平衡凝固时液、固两相相对量•的变化：可以用杠杆定律确定。固溶体合金平衡凝固示意图⑶有极值的匀晶相图•具有极小点或极大点的匀晶•相图。•对应极点处液固两相的成分•相同，其凝固过程为等温反应。•应用相律时要予以修正，因为•该处的化学成分不变，所以确•定系统状态的变数就减少一个，•即f＝2－2＝0。•极大点的匀晶相图比较少见。（4）有晶型转变的匀晶相图•常压下，纯物质的晶型•转变是在恒温下进行的；•固溶体的晶型转变：是•在一个温度范围内完成•，固溶体发生晶型转变•的温度随成分的变化而•变化。共晶转变或共晶反应：由一个液相同时结晶出两个不同固相的过程。共晶组织或共晶体：共晶转变的产物是两个固相的混合物。•二元共晶相图：•当两组元在液态能无限互溶，在固态不互溶或只能有限互溶，•并发生共晶转变，形成共晶组织的相图。•如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。2.共晶相图图a是Al2O3和ZrO2构成的二元共晶相图；图b是Pb和Sn构成的二元共晶相图。两图的主要区别:Al2O3和ZrO2固态互不相溶；Pb和Sn固态有限溶解。•固态有限互溶的共晶相图比•较多见。以Pb－Sn为例进行•讲解。⑴相图分析组元Pb和Sn在成分线两端，为独立组成物。•相图中有三个基本相：•液相L－Pb和Sn两组元在液态无限•固溶形成的均匀液相;•α－Sn在Pb中有限固溶体;•β－Pb在Sn中有限固溶体。相图中相界线：•adb-液相线;acdeb-固相线相图中固溶线：cf线－Sn在Pb中饱和溶解度曲线，随温度降低Pb溶Sn的能力减小，Sn以二次相的形式析出，即α→βⅡ。eg线－Pb在Sn中饱和溶解度曲线，同样随温度降低溶Pb的能力减少，β→αⅡ图5－11Pb-Sn共晶相图三个单相区：L相区、α相区和β相区。三个双相区：L+α、L+β、α+β两个单相区间为相应的两相区。三相共存水平线cde线:L+α+βd点成分的L、c点成分的α、e点成分的β三相共存的温度和各相的成分点。图5－11Pb-Sn共晶相图d点：为两条液相线与固相交点，•此时d点成分的液相同时对α和β•饱和。•因此在cde水平线对应的温度下，•d点成分的液相同时结晶出c点成•分的α和e点成分β；•反应式：Ld→αc+βe•即共晶反应（或共晶转变）：•由一定成分的液相同时结晶出两•种不同成分、结构的固相。共晶反应产物：共晶体或共晶组织。•其特点：是两相细小弥散机械混合物。•三相共晶反应图形特征：•反应相为液相，位于水平线之上且在•中间，两个生成的固相分别位于水平•线的两端。图5－11Pb-Sn共晶相图。由相律可知：•三相平衡转变，f＝2－3＋1＝0，•反应是恒温过程，参加反应的三•个相成分恒定。共晶线：cde水平线•共晶温度：发生共晶转变的温度•共晶点d:发生共晶转变的液相•成分点。•当三相平衡时，其中任意两相也•必然相互平衡：即L-α、L-β、•α－β两两平衡，cd、de、ce•分别是它们之间的连接线，此时•可用杠杆定律分别计算各平衡相•的含量。图5－11Pb-Sn共晶相图•d点成分的合金－共晶合金;d点以左的合金－亚共晶合金;•d点以右的合金－过共晶合金C点以左;e点以右的合金-端部固溶体合金⑶平衡凝固及其组织•①合金Ⅰ（＜19％Sn）•1点以上－L相：•缓冷至1点时：开始L→α，随温度•的降低，α相数量不断增加，液相数量不断•减少，同时，液相的成分沿ad线、α相的•成分沿ac线变化。•当冷至2点时：结晶完毕，合金全部凝固•成为单相α固溶体，其成分与原液态合•金相同，这一过程就是固溶体的匀晶转变。继续缓冷2－3点时：α固溶体不发生变化。•温度降至3点以下时：Sn在α固溶体中呈过饱•和状态，多余的Sn就以βⅡ的形式从α固溶•体中析出（脱溶转变），即α→βⅡ。随温•度的降低析出过程进行。•同时α和β相的成分分别沿cf和eg线变化，•直至室温析出过程结束。室温组织：αf＋βⅡg脱溶：从一个固溶体中析出另一个固相。也称过饱和固溶体分解，又称二次结晶。二次析出的相称为次生相或二次相。图5－11Pb-Sn共晶相图•室温组织：(α+βⅡ)•相组成：α＋β•其特征：α固溶体基体上分布细粒状βⅡ。•结晶过程：•L→L+α→α→α+βⅡ•匀晶反应＋脱溶转变由于固态下原子扩散能力有限，所以析•出的二次相不易长大一般比较细小。•合金成分越靠近f点，室温下其βⅡ•数量越少，含Sn量小于f点的合金•将无βⅡ析出。图5－11Pb-Sn共晶相图•由杠杆定律可计算出合金Ⅰ室温时α和•βⅡ的相对量：•wα=4g／fg×100％•wβⅡ=f4／fg×100％合金Ⅰ的平衡结晶的显微组织500×②共晶合金.合金Ⅱ（61.9％Sn）•缓冷至1点（td、183℃）温度时：•液相Ld同时为Pb和Sn所饱和，所以从•液相中同时结晶出α和β两种固溶体，•即发生共晶反应，其反应式：•Ld→αc+βe•f＝2－3＋1＝0这一过程在恒温下进行，参与反•应的三个相成分恒定。反应是在•td温度下1时间开始，1’时间结束•，液相完全凝固。图5－11Pb-Sn共晶相图•共晶反应产物（组织）:•叫做共晶体或共晶组织(α+β);•相组成：α＋β组成两相层片相•间的机械混合物；•组织特征：α和β•呈层片状交替分布，•其中黑色为α，白•色为β。由杠杆定律求得共晶•组织中两相的相对含量•wα=de／ce•＝97.5－61.9／97.5－19•＝45.4％图5－11Pb-Sn共晶相图•wβ=cd/ce•＝61.9－19／97.5－19•＝54.6％•继续缓冷：•共晶组织中的α和β相的固溶度都将•随温度的降低而减少。•α相的成分沿cf线变化;•β相的成分沿eg线变化，•α→βⅡ、β→αⅡ•它们与共晶组织的同类相混在一起，•显微镜下难以分辨，一般不做具体区•分。图5－11Pb-Sn共晶相图•结晶过程：L→L+（α+β）→(α+β)•共晶反应＋脱溶转变•室温组织：(α+β)共晶体。③亚共晶合金.合金Ⅲ（50％Sn）缓冷至1点时：开始L→α。1－2：随温度的缓慢下降，α固溶体的数量不断增多，而液相数量逐渐减少，图5－11Pb-Sn共晶相图同时，液相的成分沿ad线、α相的成分沿ac线变化，即发生匀晶转变。温度降至2点时（共晶温度）：α相和剩余的液相的成分分别达到c和d点。•组织的相对量为：•Wαc＝2d／cd=61.9-50／61.9–19•=27.8％•wLd＝c2／cd＝50－19／61.9－19•＝72.2％•此时，在td温度下，成分为d的剩余•液相发生共晶转变•Ld→（αc+βe）图5－11Pb-Sn共晶相图•这一转变一直进行到剩余的液相全部形•成共晶组织为止。•共晶组织相对量：•共晶转变后，共晶组织相对量就是共晶•转变前剩余液相的量。图5－11Pb-Sn共晶相图•初晶或先共晶相（初晶α）：共晶转变前形成的相。初晶在共晶转变•过程中不参与反应。亚共晶合金共晶转变刚刚结束之后：•组织组成：初晶α＋共晶组织(αc+βe)；•相组成：α＋β•2点以下：α→βⅡ（包括α初晶和共晶组•织中的α），β→αⅡ（共晶组织中的）。•忽略从共晶组织（αc+βe）析出的二次相。•冷至室温时，•初晶α的成分为f点，βⅡ的成分为g点。图5－11Pb-Sn共晶相图亚共晶合金室温下：•组织组成α+(α+β)+βⅡ•相组成为α+β图2-15Pb-Sn共晶相图%100%%100%33fgfxfggx室温组织相对量为：•冷却到室温时，初生相α转变两部分：室温•下的初α（成分为f点）和βⅡ（成分为g）。•先计算从初α中析出的βⅡ的量，剩下的就•是室温下的初α量。•应先计算出βⅡ的最大析出量•（即为100%初α中能析出的βⅡ的量）；•βⅡmax%=fc’⁄fg，则从初α中析出•βⅡmax的量为：•βⅡ%=βⅡmax%×初α%•相组成：α+β；相相对量为：亚共晶合金的平衡结晶结晶过程：•L→L+α→L+α+（α+β）•→α+(α+β)→α+βⅡ•+(α+β）•匀晶反应＋共晶反应＋脱溶转变室温组织：α+βⅡ+(α+β）相组成为：α+β黑色树枝初晶α；白色颗粒为βⅡ；黑白相间分布为共晶组织(α+β）④过共晶合金.•合金Ⅳ（成分d－e间的合金）•过共晶合金的平衡结晶过程类似于•亚共晶合金，区别是初晶是β固溶体•而不是α固溶体