材料科学基础I-5-4-二元共晶合金相图课件.ppt

1、二元共晶合金相图二元共晶合金相图 二元共晶相图二元共晶相图(Eutectic phase diagrams)有两种基本形式：有两种基本形式：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 后一种形式是常见的共晶相图。金属材料中具有共晶相图的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合金系有Pb-Sn,Cu-Ag,Al-Si,Al-Sn,Pb-Bi,Fe-C 等。等。共晶成分共晶成分(E)的液相同时转变成为二种固相。由相律计算可以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知道，二元合

2、金三相平衡共存时系统的自由度数为0。也就是说，。也就是说，共晶反应是在恒定的温度下进行的，是恒温转变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。；三相平衡共存时，每一相的成分都是固定的。一、共晶反应一、共晶反应(Eutectic reaction)DCTEEL共晶反应的一般表达式为：共晶反应的一般表达式为：对于固态完全不溶的共晶反应，其生成物仍为对于固态完全不溶的共晶反应，其生成物仍为A、B两个组两个组元，只是机械地混合在一起而已。元，只是机械地混合在一起而已。以以Pb-Sn合金共晶相图为例，合金共晶相图为例，

3、对共晶相图的基本结构对共晶相图的基本结构:点、点、线、区线、区分别进行介绍，分别进行介绍，二、相图分析二、相图分析共晶反应共晶反应：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

4、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 D水平线水平线(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 共晶系合金一般以共晶点为界进行分类，可以分为：共晶系合金一般以共晶点为界进行分类，

5、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)的熔点最的熔点最低，它的液相线与固相线重合低，它的液相线与固相线重合(温温度相同度相同)。缓慢冷却过程中，共晶。缓慢冷却过程中，共晶合金在合金在TE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183C液相全部转变成由

6、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183C时，随着温度的降低，时，随着温度的降低，Sn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CF变化变化)，相中析出相中析出II相；同相；同理，理，Pb在在中的溶解度也降低中的溶解度也降低 (沿溶解度曲线沿溶解度曲线DG变化变化),相中析相中析出出II相。由于相。由于II相、相、II相的数量少，共晶组织中难以直接区分相的数量少，共晶组织中难以直接区分出来。出来。Pb-Sn共晶过程共晶过程Flash说明：说明：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

7、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、两相的相对量可以应用杠杆定理计算出来：两相的相对量可以应用杠杆定理计算出来：%5.452.195.979.615.97%CDEDC%5.542.195.972.199.61%CDCED 右图是实际右图是实际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

8、种类的共晶合金一般具有不同的组织形态。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：下面是几种典型的共晶组织：层片状（层片状（Al-CuAl2，定向凝固）定向凝固）棒状或条状（棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）横截面）球状或短棒状（球状或短棒状（Cu-CuO）针状（针状（Al-Si）螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Fe-C(石墨石墨)的共晶组织的共晶组织 2、亚、亚共晶合金的冷却过程共晶合金的冷却过程 成分在共晶点成分在共晶点E以左、以左、C点以右点以右(即即Sn:19.2 61.9%)的合金称的合金称为亚共晶合金为亚共晶合金(Hypoeutectic alloy)。亚共晶

9、合金与共晶合金的冷。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，先进行匀晶转变晶转变(L),匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。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，所以先共晶固固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体溶体中有点状中有点状II析出。下左图是实际亚共晶合金组织的金相照析出。下左图是实际亚共晶合金组织的金相照片。片。Flash 亚共晶亚共晶Pb-Sn 例题例题

10、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？合金中，共晶组织的相对量是多少？分析分析：共晶组织是由成分为：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，计算出共晶转变开始时液相的相对量即可。因此，选择转变开始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：解：应用杠杆定理应用杠杆定理%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

11、.22%7.48%5.45%Q3、过、过共晶合金的冷却过程共晶合金的冷却过程 成分在共晶点成分在共晶点E以右、以右、D点以左点以左(即即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)。过共晶合金冷却过程中的。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：+(+)。下左图是过共晶和金。下左图是过共晶和金的金相组织照片。的金相组织照片。四、共晶结晶机理四、共晶结

12、晶机理 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，称为形成，称为领先相领先相。对于。对于Pb-Sn合金系合金系是领先相。是领先相。相形成后，相形成后，其周边液相中其周边液相中Sn浓度升高，为浓度升高，为相的形成创造了成分条件；另外，相的形成创造了成分条件；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，促进了相的形成。这样就形成了相的形成。这样就形成了共晶二相晶核，这种形核方式称为共晶二相晶核，这种形核方式称为互激形核互激形核。共晶的长大采取分枝、搭桥方式。共晶的长大采取分枝、搭桥方式。相通过分枝在上长大，相相

13、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。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，二相核心形成实际合金中，二相核心形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扩散。见右图。种原子的短程扩散。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，实际生产中合金冷却的速度是很大的，平衡凝固（极缓慢冷却）际生产中合金冷却

14、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为的共晶组织称为伪共晶伪共晶。2、离异共晶、离异共晶 在亚

15、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，共晶中的相可以依附于初生的相可以依附于初生的相长大，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，形成离异共晶。相周围，形成离异共晶。二元包晶合金相图二元包晶合金相图包晶转变包晶转变(Peritectic reaction)：一个液相：一个液相(L)与一个固相与一个固相()在恒在恒温温(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-Ag、S

16、n-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等，等，Fe-C合金相图中也合金相图中也含有包晶转变部分。铂含有包晶转变部分。铂(Pt)-银银(Ag)相图是典型的二元包晶相相图是典型的二元包晶相图，下面就以它为例进行分析图，下面就以它为例进行分析讨论。讨论。Pt-Ag相图相图单相区：单相区：L、二相区：二相区：L+、L+、+三相区：三相区：L+（水平线（水平线PDC包晶线）包晶线）一、相图分析一、相图分析 成分在成分在PC两点之间的所有合金在包晶温度都要发生包晶转变。两点之间的所有合金在包晶温度都要发生包晶转变。相图中的相图中的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TD称为包晶温度。称为包晶温

17、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，固溶体的量不断增加，液相的量则逐渐减少，并且，液相的成固溶体的量不断增加，液相的量则逐渐减少，并且，液相的成分沿着液相线下滑，直到分沿着液相线下滑，直到C点；点；固溶体的成分沿着固相线下滑，固溶体的成分沿着固相线下滑，直

18、到直到P点。在包晶温度点。在包晶温度(TD)，与液相与液相L进行包晶转变，生成固溶进行包晶转变，生成固溶体体相。包晶转变结束时，合金为相。包晶转变结束时，合金为100%的的固溶体。温度继续下固溶体。温度继续下降，由于降，由于Pt在在相中的溶解度随温度降低而快速下降，因此过饱相中的溶解度随温度降低而快速下降，因此过饱和的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，室温下合金的平衡组织为：+II。例题例题：用杠杆定律计算包晶转变刚开始时：用杠杆定律计算包晶转变刚开始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，水平线：包晶温度，水平线：包晶温度%66.5

19、61%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，后者在包晶反应结束时，先合金类似，区别在于，后者在包晶反应结束时，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正好消耗完，全部形成正好消耗完，全部形成相；而前相；而前者在包晶反应结束时，还有者在包晶反应结束时，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F

20、lash例题例题：用杠杆定律计算：用杠杆定律计算25Ag合金在包晶转变刚结束时合金在包晶转变刚结束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：，水平线：包晶温度，水平线：包晶温度%45.455.104.425.1025%55.545.104.42254.42DP3、42.466.8%Ag合金合金 含含Ag在在42.466.8%之间的之间的Pt-Ag合金，包晶转变结束时合金，包晶转变结束时相消相消耗完毕，还有液相耗完毕，还有液相L剩余。剩余剩余。剩余的液相逐步直接转变为的液相逐步直接转变为相（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

21、。Flash例题例题：用杠杆定律计算：用杠杆定律计算50Ag合金在包晶转变刚结束时合金在包晶转变刚结束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，水平线：包晶温度，水平线：包晶温度%15.314.428.664.4250%85.684.428.66508.66CDL三、包晶系合金非平衡凝固分析三、包晶系合金非平衡凝固分析 包晶反应的产物包晶反应的产物相的成分介于反应物相的成分介于反应物相和液相之间，并且相和液相之间，并且生成的生成的相包围着相包围着相，从而将两个反应相隔离开来。这样，两相，从而将两个反应相隔离开来。这样，两个反应相个反应相、L的原子只有通过的原子只有通

22、过相传递以维持包晶反应的进行。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。变的速度很慢。实际生产时，由于冷却速度快，包晶转变不能充分进行。因实际生产时，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此，平衡凝固时本应反应用完的相，在不平衡凝固时却会残留相，在不平衡凝固时却会残留一些在一些在相中心部位。包晶点左侧的合金，不平衡凝固组织中会相中心部位。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。下面相

23、相残留。下面相图图是是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（如侧的合金（如73%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。二元相图二元相图 除了前面讲到的匀晶、共晶和包晶三种最基本的相图以外，还除了前面讲到的匀晶、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、

24、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。有可能产生偏晶转的转变。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。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、有一、有偏晶转变相图偏晶转变相图另外，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

25、。二、有二、有熔晶转变相图熔晶转变相图 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，是因为固相在温度下降时可以部分变。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。例如熔化。例如Fe-B相图中就含有熔晶转变：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、有三、有合晶转变相图合晶转变相图 合晶转变是两

26、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、有五、有包析转变相图包析转变相图 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温反应称为包晶转变(Peritectoid reaction)。包析转变与包晶转。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。变的相图特征类似，只是包析转变中没有液相，只有固相。

27、Fe-Fe-B B合金的包析转变的反应式为：合金的包析转变的反应式为：C9102BFe四、有四、有共析转变相图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十分类似，区别仅在于共析转变的反应相是固相而不是液特征十分类似，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、六、形成化合物相图形成化合物相图 形成化合物形成化合物(Compound)，

28、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稳定化合物和和不稳定化合物不稳定化合物两种。两种。1、形成稳定化合物的相图、形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TiNi3化合物化合物（熔点（熔点1380），都有固定的熔点，熔点以下也不会分解。所），都有固

29、定的熔点，熔点以下也不会分解。所以它们都是稳定化合物。然而化合物以它们都是稳定化合物。然而化合物Ti2Ni则没有固定的熔点，则没有固定的熔点，它是包晶转变的产物，是不稳定化合物。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、形成不稳定化合物的相图 不稳定化合物没有固定的熔点，一般在冷却过程通过包晶反应不稳定化合物没有固定的熔点，一般在冷却过程通过包晶反应形成。不能将相图按不稳定化合物分开来分析。形成。不能将相图按不稳定化合物分开来分析。对于一个复杂的二元相图，首先看是否有稳定的化合物，如对于一个复杂的二元相图，首先看是否有稳定的化合物，如果有则以稳定化合物为界把相图划分成几个

30、简单相图再进行下果有则以稳定化合物为界把相图划分成几个简单相图再进行下一步分析。一步分析。第二步，找出恒温转变的水平线，根据水平线周围相邻的相第二步，找出恒温转变的水平线，根据水平线周围相邻的相区情况确定恒温转变的类型。这是分析相图的关键。区情况确定恒温转变的类型。这是分析相图的关键。表表5.5-1总总结了二元系相图中一些主要的恒温转变。结了二元系相图中一些主要的恒温转变。利用相图分析典型合金的结晶过程，从而判断出在室温下合利用相图分析典型合金的结晶过程，从而判断出在室温下合金的组织组成或相组成。应用杠杆定律计算平衡相（组织）的金的组织组成或相组成。应用杠杆定律计算平衡相（组织）的相对量。注意

31、杠杆定律只能在平衡条件下的二相区使用。相对量。注意杠杆定律只能在平衡条件下的二相区使用。七、复杂二元相图分析方法七、复杂二元相图分析方法 相图只能给出平衡条件下存在的相和相对量，实际生产条件相图只能给出平衡条件下存在的相和相对量，实际生产条件下很难达到平衡状态。因此，在应用相图分析实际问题时，要下很难达到平衡状态。因此，在应用相图分析实际问题时，要注意合金在非平衡条件下可能出现的相和组织。注意合金在非平衡条件下可能出现的相和组织。相区接触法则相区接触法则1、相邻相区的相数之差为、相邻相区的相数之差为1，点接触除外；，点接触除外；2、单相区与单相区只能有一个点接触；、单相区与单相区只能有一个点接触；3、单相区与三相区只能点接触。、单相区与三相区只能点接触。