第三章5-共晶相图

§3-5共晶相图及其合金的结晶二元共晶相图:两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。如Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Bi等合金系。共晶转变(共晶反应):在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程.共晶组织:共晶转变的产物(两固相混合物)一、相图分析线（液、固、溶解度）、相区（单、两、三相）、点、反应特点:液相线:AE、BE,固相线:AMNB溶解度曲线:MF、NG三个单相区:L,,三个两相区:L+,L+,+三相共存区:MEN水平线（共晶转变线）在共晶线上发生共晶转变:E为共晶点,tE为共晶温度,成分在共晶点的合金为共晶合金，成分在共晶点以左，M点以右的合金称亚共晶合金，成分位于共晶点以右，N点以左的合金称过共晶合金.NMtEEL二、典型合金的平衡结晶过程1含锡量wSn≤19%的合金Ⅰ（wSn=10%）缓冷到1点时,开始从液相结晶出固溶体.随温度降低,数量不断增多,L相数量不断减少.其成分分别沿固相线AM和液相线AE变化.冷却到2点,结晶完毕,全部变为固溶体,成分与原始液相相同(匀晶转变)2-3点,保持固溶体不变.3点以下,Sn在固溶体中呈过饱和状态,多余Sn以固溶体形式从固溶体中析出.随温度的继续降低,固溶体的溶解度逐渐减少,析出不断进行.相和相的成分分别沿MF和NG线变化.合金结晶结束后室温组织:+Ⅱ如图,黑色基体为α相，白色颗粒为Ⅱ，Ⅱ分布在α的晶界上，或在α晶粒内析出。合金Ⅰ的显微组织wSn=10%合金的显微组织合金Ⅰ的平衡结晶过程示意图α、β两相的含量可用杠杆定律求出,如合金Ⅰ的α、Ⅱ相的含量分别为：%1004%1004FGGwFGFw成分位于F和M之间的合金,平衡结晶过程均与以上相似,显微组织为α+Ⅱ,只是两相相对含量不同.Pb-Sn合金相图缓冷到温度tE=183℃时发生共晶转变：继续冷却,共晶组织中α和相都要发生溶解度变化:α相成分沿MF线变化,相成分沿NG线变化,分别析出次生相Ⅱ和αⅡ结晶结束后组织为:(α+)+Ⅱ+αⅡ(极少,忽略)NMtEEL2含锡量wSn=61.9%的合金Ⅱ(共晶合金)αM和βN相的含量可用杠杆定律求出：%6.54%100195.97199.61%100%4.45%100195.979.615.97%100MNMEwMNENwNM共晶组织中αM和βN相的含量如图,α和β呈层片状交替分布,其中黑色为α相,白色为β相,次生相在显微镜下难以分辨.合金Ⅱ的显微组织共晶合金的平衡结晶过程示意图按两相的分布形态，可分为：层片状、棒状（条状或纤维状）、球状（短棒状）、针片状、螺旋状等。原因:共晶组织中两个组成相的本质决定了其形态.共晶组织的形态3合金Ⅲ的结晶过程(亚共晶合金19wSn61.9%）NMtEEL1-2点,匀晶转变,结晶出α固溶体；温度降到2点,α相和剩余液相成分分别达到M点和E点,在共晶温度tE发生共晶转变:转变结束后组织:先共晶α相和共晶组织(α+β)在2点以下继续冷却,将从α相(先共晶α相和共晶组织中的α相)和β相分别析出次生相βⅡ和αⅡ室温组织:α+βⅡ+(α+β)亚共晶合金:成分位于共晶点E点以左,M点以右%2.72%100199.611950%1002%8.27%100199.61509.61%1002MEMwMEEwL两相的含量可用杠杆定律求出:比如,温度降到2点,α相和剩余液相成分分别达到M点和E点,两相的含量分别为:图中,暗黑色树枝状晶部分是先共晶α相,其中的白色颗粒是βⅡ,黑白相间分布的是共晶组织.其中,先共晶相的形态:如果是固溶体,一般呈树枝状;如果是亚金属和非金属或化合物,则一般具有规则外形.亚共晶合金的显微组织亚共晶合金的平衡结晶过程与亚共晶合金相比较:相同点:两者平衡结晶过程和显微组织相似.不同点:先共晶相为β;室温组织:β+αⅡ+(α+β)4合金Ⅳ的平衡结晶过程(过共晶合金:wSn61.9%）过共晶合金:成分位于共晶点E以右,N点以左过共晶合金的显微组织•白亮色卵形部分为先共晶β固溶体,其余为共晶组织综合以上几种不同成分合金的分析,可以看出:F-M成分范围内,合金组织为α+βⅡ亚共晶合金的组织为:α+βⅡ+共晶组织(α+β)共晶合金完全为:共晶组织(α+β)过共晶合金的组织为:β+αⅡ+共晶组织(α+β)N-G成分范围内,合金组织为β+αⅡ•其中,α、β、αⅡ、βⅡ及(α+β)在显微组织中能清楚区分,是组成显微组织的独立部分,称组织组成物。•从相的本质看，它们都由α和β两相组成，α和β两相是组成合金的基本相，称为合金的相组成物。为分析组织方便,了解合金系中任一合金在任何温度下的组织形态,常把合金平衡结晶后的组织直接填写在合金相图上，如图合金的组织组成物和相组成物的相对含量都可以用杠杆定律计算。例如,WSn=30%的合金共晶转变结束后，α相和（α＋β）共晶组织的含量分别为:%4.74%100199.61309.61%100MEPEW%6.25%100199.611930%100)(MEPMW22相组成物α和β相的含量分别为：%14%100195.971930%100%86%100195.97305.97%100MNMpWMNpNW三、不平衡结晶及组织1伪共晶在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可得到全部共晶组织,这种非共晶成分的合金得到的共晶组织称伪共晶.原因:此时液相对α相和β相都是过饱和的,可以同时结晶出β相和α相.伪共晶区伪共晶区的形状分两类:a)随温度降低,伪共晶区相对共晶点近乎对称地扩大金属与金属b)伪共晶区偏向一边歪斜地扩大.金属与非金属伪共晶区形状形成的原因:取决于共晶中两个相单独生长时的长大速度和过冷度的关系.若两相单独生长时的长大速度与过冷度的关系差别不大,则伪共晶区向共晶点下面两边呈对称性扩大.若两相单独生长时长大速度与过冷度关系相差很大,其中一相的长大速度随过冷度增加下降很快,则该相的生长会受抑制,使伪共晶区歪斜地偏向该相一边.影响相长大速度的因素由各相本身的晶体结构及其固液界面的性质决定.晶体结构复杂并呈光滑界面的相,其长大速度随温度的降低而下降较快,所以伪共晶区向该相区偏斜.举例:Al-Si合金系中，共晶合金在快冷条件下结晶后得到亚共晶组织。原因:图中伪共晶区偏向Si的一侧,这样,共晶成分液相表象点a不会过冷到伪共晶区内,只有先结晶出α相,α相向液体中排出Si溶质原子,液体成分达到b点时,才发生共晶转变.结果,共晶点像向右移动了一样,共晶合金变为亚共晶合金.伪共晶区在相图中的位置可用来解释一些现象2离异共晶先共晶相数量较多、共晶组织较少时，共晶组织依附于先共晶相生长，剩余的另一相单独存在于晶界处，使共晶组织特征消失,这种两相分离的共晶称为离异共晶。Eg.在合金成分偏离共晶点很远的亚共晶中,其转变在存在大量先共晶相的条件下进行.若冷却速度很慢,过冷度小,则共晶中的α相在已有先共晶α上长大,要比重新形核长大容易.这样,α相易于与先共晶α相合为一体,而β相存在于α相晶界处.成分越靠近M点,越易发生离异共晶.四、比重偏析定义:由组成相与溶液之间密度差别引起的一种区域偏析。影响因素:与合金组元的密度差、相图结晶的成分间隔及温度间隔等因素有关。防止方法：⒈增大冷却速度;⒉加入第三种元素;⒊热对流、搅拌。应用：除杂质、提纯贵金属。五、区域偏析⒈正偏析：对于k01的合金，先凝固的外层中溶质元素含量较后凝固的内层低，是正常偏析。原因：溶质原子在固相内基本不扩散。消除：压力加工或热处理,浇注时采取适当措施。⒉反（负）偏析：在k01的合金中，外层的溶质元素含量比内层的溶质元素含量高。原因：液相的内压。