材料科学基础一-Ch05相图3

§5-4二元共晶合金相图二元共晶相图(Eutecticphasediagrams)有两种基本形式：在固态时二组元完全不相互溶解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合金系有Pb-Sn,Cu-Ag,Al-Si,Al-Sn,Pb-Bi,Fe-C等。共晶成分(E)的液相同时转变成为二种固相。由相律计算可以知道，二元合金三相平衡共存时系统的自由度数为0。也就是说，共晶反应是在恒定的温度下进行的，是恒温转变(Isothermaltransform)；三相平衡共存时，每一相的成分都是固定的。一、共晶反应(Eutecticreaction)DCTEEL＋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A、B两个组元，只是机械地混合在一起而已。以Pb-Sn合金共晶相图为例，对共晶相图的基本结构:点、线、区分别进行介绍，二、相图分析共晶反应：5.972.191839.61CL1、点TPb纯Pb的熔点(327.5˚C)TSn纯Sn的熔点(231.9˚C)E共晶点(61.9%Sn,183˚C)CSn在Pb中的最大溶解度(19.2%Sn,183˚C)DPb在Sn中的最大溶解度(2.5%Pb,183˚C)2、线TPbETSn液相线TPbCEDTSn固相线CED共晶线(水平线)CFSn在Pb(α)中的溶解度曲线，随温度变化DGPb在Sn(β)中的溶解度曲线，随温度变化L液相区αα固溶体区ββ固溶体区3、区单相区两相区L+α液、固二相区，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。L+βα+β固态二相区三相区L+α+βCED水平线(一个特殊的相区)三、典型合金的冷却过程分析1、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：共晶合金:61.9%Sn（图5.3-4中合金I）亚共晶合金:19.2%~61.9%Sn(如合金II)过共晶合金:61.9%~97.5%Sn(如合金III)Sn19.2%和Sn97.5%的合金可以看作是匀晶合金共晶合金(61.9%Sn)的熔点最低，它的液相线与固相线重合(温度相同)。缓慢冷却过程中，共晶合金在TE温度发生共晶转变：5.972.191839.61CL这是一个恒温转变，在183˚C液相全部转变成由固相α和β组成的共晶组织。当温度低于183˚C时，随着温度的降低，Sn在α中的溶解度降低(沿溶解度曲线CF变化)，α相中析出βII相；同理，Pb在β中的溶解度也降低(沿溶解度曲线DG变化),β相中析出αII相。由于αII相、βII相的数量少，共晶组织中难以直接区分出来。Pb-Sn共晶过程－Flash说明：α——以Pb为基体，溶解了少量Sn的固溶体；β——以Sn为基体，溶解了少量Pb的固溶体；αII——因溶解度降低，从固溶体β中析出的α，为区别共晶α相而称为αII；βII——因溶解度降低，从固溶体α中析出的β，为区别共晶β相而称为βII。共晶组织中α、β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Pb-Sn共晶合金组织的金相照片。黑色为α相，白色为β相。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：层片状（Al-CuAl2，定向凝固）棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）球状或短棒状（Cu-CuO）针状（Al-Si）螺旋状（Zn-Mg）Fe-C(石墨)的共晶组织2、亚共晶合金的冷却过程成分在共晶点E以左、C点以右(即Sn:19.2~61.9%)的合金称为亚共晶合金(Hypoeutecticalloy)。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，先进行匀晶转变(L→α),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α和共晶组织(α+β)。由于α固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体α中有点状βII析出。下左图是实际亚共晶合金组织的金相照片。Flash－亚共晶Pb-Sn例题含Sn量为40%的Pb-Sn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E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L+α两相区和共晶温度作为计算条件。解：应用杠杆定理%7.48%1002.199.612.1940%%EELQ先共晶α相的相对量：1-48.7%=51.3%此亚共晶合金共晶组织中的α相占全部合金的相对量：%16.22%7.48%5.45%Q3、过共晶合金的冷却过程成分在共晶点E以右、D点以左(即Sn:61.9~97.5%)的合金称为过共晶合金(Hypereutecticalloy)。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的先共晶相是β而不是α相。过共晶合金的室温组织为：β+(α+β)。下左图是过共晶和金的金相组织照片。四、共晶结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形成，称为领先相。对于Pb-Sn合金系α是领先相。α相形成后，其周边液相中Sn浓度升高，为β相的形成创造了成分条件；另外，α相也为β相结晶提供了基底，促进了β相的形成。这样就形成了共晶二相晶核，这种形核方式称为互激形核。共晶的长大采取分枝、搭桥方式。α相通过分枝在上长大，相又分枝在相上长大，最后形成两相交替排列的层状结构。实际合金中，二相核心形成后往往呈辐射状自中心向外生长，长成球团状共晶组织。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。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，实际生产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衡凝固时相比略有差别。1、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的共晶组织称为伪共晶。2、离异共晶在亚共晶或过共晶合金中，哪些成分远离共晶点的合金，共晶液相结晶时，共晶中的α相可以依附于初生的α相长大，结果使共晶β相孤立存在于α相周围，形成离异共晶。§5-5二元包晶合金相图包晶转变(Peritecticreaction)：一个液相(L)与一个固相(α)在恒温(TD)下生成另一个固相(β)的转变。表达式如下：DTECDL具有包晶转变的二元合金系有Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等，Fe-C合金相图中也含有包晶转变部分。铂(Pt)-银(Ag)相图是典型的二元包晶相图，下面就以它为例进行分析讨论。Pt-Ag相图单相区：L、α、β二相区：L+α、L+β、α+β三相区：L+α+β（水平线PDC——包晶线）一、相图分析成分在PC两点之间的所有合金在包晶温度都要发生包晶转变。相图中的D点称为包晶点，所对应的温度TD称为包晶温度。二、Pt-Ag包晶系合金冷却过程分析1、42.4%Ag合金Flash即D点成分的合金。122’3温度时间含Ag为42.4%的Pt-Ag合金由液态缓慢冷却。当温度到达液相线进入L+α二相区时，液相中结晶出α固溶体。随着温度降低，α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C点；α固溶体的成分沿着固相线下滑，直到P点。在包晶温度(TD)，α与液相L进行包晶转变，生成固溶体β相。包晶转变结束时，合金为100%的β固溶体。温度继续下降，由于Pt在β相中的溶解度随温度降低而快速下降，因此过饱和的β相中析出αII。最后，室温下合金的平衡组织为：β+αII。例题：用杠杆定律计算包晶转变刚开始时α相和液相的相对量。解：取两相区：α＋L，水平线：包晶温度%66.561%34.434334.05.108.664.428.66PCPLPCDC含Ag在10.5~42.4%之间的Pt-Ag合金，冷却过程中的组织转变与42.4%Ag合金类似，区别在于，后者在包晶反应结束时，先结晶出来的α相和剩余的液相L正好消耗完，全部形成β相；而前者在包晶反应结束时，还有α相剩余。因此，10.5~42.4%Ag的Pt-Ag合金的室温平衡组织为：α+βII+β+αII。2、10.5～42.4%Ag合金Flash例题：用杠杆定律计算25％Ag合金在包晶转变刚结束时α相和β相的相对量。解：取两相区：α＋β，水平线：包晶温度%45.455.104.425.1025%55.545.104.42254.42DP3、42.4~66.8%Ag合金含Ag在42.4~66.8%之间的Pt-Ag合金，包晶转变结束时α相消耗完毕，还有液相L剩余。剩余的液相逐步直接转变为β相（匀晶转变）。此类合金的室温平衡组织为：β+αII。Flash例题：用杠杆定律计算50％Ag合金在包晶转变刚结束时β相和液相的相对量。解：取两相区：β＋L，水平线：包晶温度%15.314.428.664.4250%85.684.428.66508.66CDL三、包晶系合金非平衡凝固分析包晶反应的产物β相的成分介于反应物α相和液相之间，并且生成的β相包围着α相，从而将两个反应相隔离开来。这样，两个反应相α、L的原子只有通过β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。因此，平衡凝固时本应反应用完的α相，在不平衡凝固时却会残留一些在β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α相，而包晶点右侧的合金也会有α相残留。下面相图是Al-Zn合金相图，相图中最上面的水平线是包晶线，包晶点右侧的合金（如73%Zn）的室温组织中仍有残留的α相。§5-6其他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(Monotecticreaction)是一个液相L1分解出一个固相和另一成分的液相L2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部分溶解，或几乎不溶解。例如Cu-Pb合金相图在955℃有偏晶转变：L1→L2+Cu一、有偏晶转变相图另外，Cu-O,Ca-Cd,Fe-O,Mn-Pb等二元系中也含有偏晶转变。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Fe-B相图中就含有熔晶转变：LC1381另外，Fe-S,Cu-Sb,Cu-Sn等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很少。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解，相图中有不熔合线），在恒温下转变成一个固相。C21TLLCFe30218.0C72377.0五、有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，这种恒温反应称为包晶转变(Peritectoidreaction)。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。Fe-B合金的包析转变的反应式为：C9102BFe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，称为共析转变(Eutectoideaction)。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相。例如Fe-C相图中就含有共析转变：六、形成化合物相图形成化合物(Compound)，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。1、形成稳定化合物的相图可以将