二元共晶包晶相图剖析
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机械工程材料-二元共晶相图
§3-4 二元包晶相图 一、包晶相图分析
液相线
T/C
1772
固相线
A L+
P
1186
D
L C L+
66.3
固溶线
固溶线
961.9 B
10.5 42.4
+
F Ag%
包晶点 包晶线
Pt
E Pt-Ag合金相图
Ag
包晶反应：LC+ P D
§3-4 二元包晶相图
二、典型合金的平衡结晶过程
L
200
M
61.9 E
L t2 L t2( ' )
L
( +) + Ⅱ α
100
( +)
Ⅱ
+
Ⅱ+(
+)
Pb
10 20 30 40 50 60 70 WSn(%)
t/s
亚共晶组织（ 50% Sn 的Pb-Sn合金）
§4-3 二元共晶相图 共晶()
初生 Ⅱ
A
M
பைடு நூலகம்
E
N
+Ⅱ+(+)
30
(+)
100
B
40
50
60
70
80
100%
Ⅱ
61.9 c 19 2 100 % 61.9 2 100 2
WSn(%)
100 c 100 % 100 2
( )
c 19 100 % 61.9 19
E
100
+
G
0
0
第四节 二元包晶相图
0E
20
F 100
Pt P57图3-20
Ag%
Ag
Pt-Ag合金相图
单相区L、 、 双相区L 、 L + 、 +
二、包晶合金的平衡结晶过程与室温组织
L L
1800
A
T/ ℃
1600
1
L
1
1400
1200 温 度 1000
C
1186
D
P
10.5
42.4
66.3
B
D
D'
+ Ⅱ
β
1200
1100
1000
1000
800
β
0
B
900
600
800
Ni
W Cu (%)
Cu
A
B%
B
400
E
20
40
60
80
F 100
Ag%
L α β α
L
β
四、相图的应用
1、识别分析相图要领 基本反应，三种线，水平线是关键； 相区有一有二没有三，三相共存水平线；
杠杆定律别小看，能定成分能把量来算。
2、分析合金结晶
本章知识回顾
一、基本概念
1、固态合金的相结构
纯 金 属 合 金 三元 合金 固溶体 二元 合金 金属间化合物 多元 合金 置换固溶体 正常价化合物
金 属 材 料
间隙固溶体
非正常价化合物
2、相图
（二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图）
3、几种转变
（匀晶转变、共晶反应、包晶反应）
4、平衡结晶、非平衡结晶、晶内偏析、扩散退火
6.2.3二元相图-包晶及其他二元相图
溶度曲线，DF线为Pt在Ag中的固溶度曲线 • 相区 • 单相区 • 两相区 • 三相线
2.平衡结晶过程及其组织
（1）含42.4%Ag的Pt-Ag合金
图 合金Ⅰ的平衡结晶过程
L 匀晶转变 L多 包晶转变 脱溶转变 II
（2）42.4%<Ag<66.8%的Pt-Ag合金
图 合金Ⅱ的平衡结晶过程
L 匀晶 L多 包晶 L多 匀晶 脱溶 II
（3）10.5%<Ag<42.4%的Pt-Ag合金
图 合金Ⅲ的平衡结晶过程
L 匀晶 L多 包晶 多 脱溶 II II
3.不平衡结晶及其组织
L36 9550 C L87 Cu
图 Cu-Pb相图
（4）共析转变的相图 由一个一定成分的固相,在 恒温下同时转变成另外两个 一定成分的固相的过程，称 为共析转变。
Ti 5900 C (Ti)
图 Fe-Ti相图
（5）包析转变的相图 由两个一定成分的固相，在 恒温下转变成另一个一定成 分的固相的过程，称为包析 转变。
• 由于包晶转变时，L和α相中的A、B组元的扩散都必须通 过β相进行，而原子在固相中的扩散速度很慢，因此包晶 转变的速度也相当慢，所以在实际生产条件下，由于冷却 速度较快，原子不能进行充分扩散，因此包晶转变也不能 充分进行。
图 包晶反应时原子迁移示意图
异常α 相：导致包晶偏析〔包晶转变要经β 扩散。包晶偏析：因包晶 转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。〕
6.2.3 包晶相图
• １.相图分析 • 由一个液相与一个固相在
恒温下生成另一个固相的 转变称为包晶转变。 • 两组元在液态无限溶解， 在固态有限固溶，并且发 生包晶反应的相图，称为 包晶相图。
2.平衡结晶过程及其组织
（1）含42.4%Ag的Pt-Ag合金
图 合金Ⅰ的平衡结晶过程
L 匀晶转变 L多 包晶转变 脱溶转变 II
（2）42.4%<Ag<66.8%的Pt-Ag合金
图 合金Ⅱ的平衡结晶过程
L 匀晶 L多 包晶 L多 匀晶 脱溶 II
（3）10.5%<Ag<42.4%的Pt-Ag合金
图 合金Ⅲ的平衡结晶过程
L 匀晶 L多 包晶 多 脱溶 II II
3.不平衡结晶及其组织
L36 9550 C L87 Cu
图 Cu-Pb相图
（4）共析转变的相图 由一个一定成分的固相,在 恒温下同时转变成另外两个 一定成分的固相的过程，称 为共析转变。
Ti 5900 C (Ti)
图 Fe-Ti相图
（5）包析转变的相图 由两个一定成分的固相，在 恒温下转变成另一个一定成 分的固相的过程，称为包析 转变。
• 由于包晶转变时，L和α相中的A、B组元的扩散都必须通 过β相进行，而原子在固相中的扩散速度很慢，因此包晶 转变的速度也相当慢，所以在实际生产条件下，由于冷却 速度较快，原子不能进行充分扩散，因此包晶转变也不能 充分进行。
图 包晶反应时原子迁移示意图
异常α 相：导致包晶偏析〔包晶转变要经β 扩散。包晶偏析：因包晶 转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。〕
6.2.3 包晶相图
• １.相图分析 • 由一个液相与一个固相在
恒温下生成另一个固相的 转变称为包晶转变。 • 两组元在液态无限溶解， 在固态有限固溶，并且发 生包晶反应的相图，称为 包晶相图。
第四章-二元合金相图
Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
二元共晶相图
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
+
( + )
Pb
Sn X2
( + )
冷却曲线 t
（共晶合金） T,C
L
T,C
L
( + )
L
183
L+
M
L
E
L+
N
L(+ ) 共晶体
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
• Te温度时，成分为m的 相和成分为n的 相的相对量可由杠杆定律算出：
温度继续降低时，共晶组织中的 相及 相将分别 析出次生相II和II，由于此种次生相常依附于同类 相上形核、长大，在显微镜下难以区分，故一般不 ne 97.5 61.9 m % 100% 100% 45.4% 予考虑。
{
f 4
举例
• 利用杠杆定律可以算出wSn = 10%的合金中 和 II 相的相对量。如取室温时 相及相 的固溶度分别为图中的f点及g点，则有：
w % wg 10 wg f 100%
10 w f w II % 100% wg w f
(3)X2合金结晶过程分析
• • • • 共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
第三章 二元合金的相结构与结晶(包晶相图)4(16)-10-2剖析
α
包晶偏析：因包晶转变 不能充分进行而导致的 成分不均匀现象。
四、包晶转变的实际应用
包晶转变特点：
包晶转变的形成相依附在初生相上形成； 包晶转变的不完全性。（不彻底性）
组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 首先形成硬质点，包晶反应形成软固溶体包于其外层
晶粒细化。 包晶反应生成细小化合物，异质形核。
包晶反应的推广
包晶反应（Peritectic） L + 包析反应（Peritectoid） + 合晶反应（Syntectic） L1 + L2
第三章 二元合金的相结构与结晶
§3-1 合金中的相 §3-2 合金的相结构 §3-3 二元合金相图的建立 §3-4 匀晶相图及固溶体的结晶 §3-5 共晶相图及其合金的结晶 §3-6 包晶相图及其合金的结晶 §3-7 其它类型的合金相图 §3-8 二元相图的分析及使用
§3-6 包晶相图及其合金的结晶
室温组织组成：β+αⅡ
室温相组成： α+β
三、不平衡结晶及其组织
原因 新生β相依附于α相生核长大， β相将α相包围
液体和α相反应形成β相，须 通过β相层进行扩散
原子在固体中的扩散低于液体， 包晶转变缓慢
冷却速度快．包晶转变被抑制 不能完全进行
剩余的液体在低于包晶转变温 度直接转变为β
保留下来的α，以及形成的β 相成分都不均匀。
(2) 线：
液相线： ACB，固相线:APDB。 固溶线：PE、DF线分别为中的固溶线（溶解度曲线）。
包晶线：水平线PDC
一、相图分析
(3)相区：
三个单相区： L、、； 三个两相区：L+、L+、+； 一个三相区：即水平线PDC； L + + 。
23.二元合金共晶相图及结晶
A
C L
析出的βⅡ 附着在相邻的β上，看不出形貌改变 同理，β沿着DG变化析出αⅡ β相 析出的αⅡ 也附着在相 邻的α上， 看不出形貌 改变 α β α β α β 这种变化以 后不分析
9
α
T/℃
B
8.8
E
28.5
D
92
β
α α相β
F
Ag
G
Cu
W Cu%
2015-6-14 柏振海 baizhai@
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
过共晶x2合金（ hypoeutectic alloy ） 凝固过程
参照亚共晶 合金X3即可
树枝状初晶β，黑色 次晶αⅡ ，白色
α
T
β
β
α
Ag
W Cu%
X2
Cu
层片状共晶（α+β），黑白色
先析出初晶β 初晶β析出量随温度下降越来越多 析出初晶后的液相成分沿着液相线变化 析出的初晶β成分沿着固相线变化 初晶β成分沿固溶度线变化，从初晶β中析出次晶αⅡ 共晶成分的熔体在共晶温度析出共晶体（α+β）
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
合金x2凝固过程过程的杠杆定律
过共晶合金凝固完毕后相与组织 刚凝固完毕 相组成为α＋β
β相成分在D点 α相成分在C点
%
α
T
2 C E 3 D
β
2D 100 % CD
%
C2 100 % CD
此时组织组成为β初晶＋（α＋β）共晶 β初晶成分在D点 （α＋β）共晶成分在E点
各种典型Pb－Sn合金的冷却曲线
C L
析出的βⅡ 附着在相邻的β上，看不出形貌改变 同理，β沿着DG变化析出αⅡ β相 析出的αⅡ 也附着在相 邻的α上， 看不出形貌 改变 α β α β α β 这种变化以 后不分析
9
α
T/℃
B
8.8
E
28.5
D
92
β
α α相β
F
Ag
G
Cu
W Cu%
2015-6-14 柏振海 baizhai@
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材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
过共晶x2合金（ hypoeutectic alloy ） 凝固过程
参照亚共晶 合金X3即可
树枝状初晶β，黑色 次晶αⅡ ，白色
α
T
β
β
α
Ag
W Cu%
X2
Cu
层片状共晶（α+β），黑白色
先析出初晶β 初晶β析出量随温度下降越来越多 析出初晶后的液相成分沿着液相线变化 析出的初晶β成分沿着固相线变化 初晶β成分沿固溶度线变化，从初晶β中析出次晶αⅡ 共晶成分的熔体在共晶温度析出共晶体（α+β）
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二元合金共晶相图及结晶
合金x2凝固过程过程的杠杆定律
过共晶合金凝固完毕后相与组织 刚凝固完毕 相组成为α＋β
β相成分在D点 α相成分在C点
%
α
T
2 C E 3 D
β
2D 100 % CD
%
C2 100 % CD
此时组织组成为β初晶＋（α＋β）共晶 β初晶成分在D点 （α＋β）共晶成分在E点
各种典型Pb－Sn合金的冷却曲线
4 第四章 相图(二元)
配制合金系中几种不同成分合金 熔化后，测试其冷却曲线 根据曲线上的转折点，确定各合金的凝固温度 将上述数据引入以温度为纵轴，成分为横轴的坐标
平面中 连接意义相同的点，作出相应的曲线 曲线将图面分成若干区域----相区。经过金相组织分 析，测出各相区所含的相，将相的名称标注其中， 相图工作就完成
4，过共晶合金
★ E点以右，D点以左，为过共晶合金，与亚 共晶合金类似，白色卵形为初晶β，黑色为共 晶体（α＋β）。 ★α,β,αⅡ,βⅡ,(α+β)称组织组成物 ★α,αⅡ为一个相。(α+β)两相混合物，称共晶 体。 ★求组织组成物的相对量，同样可用杠杆定理 标明各区的组织---组织分区图
四、共晶组织和初晶形貌 1，共晶组织的形貌
测试时要求合金的成分准确，纯度高，冷却
速度要慢0.5~1.5℃/min
下面是Ni-Cu合金相图，是最简单的相图之一
Ni 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 20% 40% Cu Cu
80% Cu 60% Cu
Cu
Ni 20 40 60 80 Cu Cu%
2.2. 使用二元合金相图的基本方法
2 > 2 ；此时 2 -2 <0
dG＜0
当α相与β相彼此平衡时，在dG=0, 同理 ：------------------------------
= =
1
2
2
1
1.3. 相律
相律是分析和使用相图的重要依据。凝集态
受压力影响很小，在恒压下：相平衡条件的 数学表达式：f=c-p+1 (在物理化学中也指出) 式中C为组元数，P为共存的平衡相数，f为自 由度数。 单元系(纯金属) f=1-2+1=0，自由度为1，表 明恒温下平衡熔化或凝固。 二元系C=2，当f=0,p=3,在恒定温度下处于三 相平衡；两相共存时，自由度数目为1，表明 平衡凝固或熔化就在一定温度范围
二元共晶相图
整理版ppt
22
整理版ppt
23
• 4.3.3.1 粗糙-粗糙界面共晶：包括金属-金 属和金属-金属间化合物共晶。往往呈简单 规则(层片状，球状)的组织形态。
• 共晶体形核也需要一 • 定的过冷度。设液相 • 过冷到t2，α和β相同 • 时饱和，但通常总有 • 一相先析出，称为领 • 先相。
整理版ppt
• 实际生产中的冷却速度较快。合金凝固时 的原子扩散不充分，导致凝固过程和显微 组织偏离平衡状态。
• 4.3.4.1 伪共晶组织：在不平衡凝固时，成 分在共晶点附近的合金也可能获得全部共 晶组织，这类共晶组织称为伪共晶组织。
整理版ppt
31
• 伪共晶的形成：见图，位于共晶点附近的I 成分合金，如果快冷到t1温度时才结晶， 则形成α初的过程被抑制。过冷液体既在结 晶出α相的液相线以下，也在结晶出β相的 液相线之下，
整理版ppt
6
整理版ppt
7
• 冷却到t3遇到固熔线以后，Sn在α中的熔解 度将不断减少，多余的Sn就以β固熔体的形
式从α中析出。在从t3冷至t4时，α和β相的 平均成分分别沿着MF线和NG线变化。这种
由过饱和固熔体分离出另一种相的过程称
为脱熔转变。脱熔相一般称为次生相，本
例的次生相为β相，用βⅡ表示。
确定的成分及结构，但没有形态的概念。 如合金中的α相和β相等等。
整理版ppt
17
• 合金中组织组成物的相对量可以根据相平 衡概念，利用杠杆定律间接计算。以室温 下Sn-Pb合金为例(wSn=0.5)：
• (α+β)共=Mt2/ME×100%=72.26% • 此式为t2温度(183ºC)时的值，忽略次生相
• 的组织见图4-18，黑
共晶包晶相图PPT课件
t3温度以下： Ⅱ(脱溶转变)
室温组织： +Ⅱ
.
13
合金Ⅰ的平衡结晶过程
.
14
合金Ⅰ的平衡结晶过程
.
15
400
T
327.5
A L
300
T/℃
Ⅰ
L+
200 M 19
183
61.9 E
t1
t1'
L +
( +)
100
+
+ L
0F
P0b 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
5694从自由能一成分曲线可知在两个极小值之间为热力学不稳定区该任一成分的固溶体相都会分解成为两个成分对应于两个极小值的相但是在拐点迹线内外的溶混间隙区分解方式是不同的拐点迹线内自发地分离自发地分离成为两种成分不同的液相拐点迹线外需克服新相形成的能垒先形核然后长大
7.3.2共晶相图及其合 金的凝固
.
拐点迹线内自发地分离成为两 种成分不同的液相，
拐点迹线外需克服新相形成的 能垒，先形核然后长大。
.
57
.
58
.
59
7.3.5. 其他类型的二元相图
1. 具有化合物的二元相图 2. 具有偏晶转变的相图 3. 具有合晶转变的相图 4. 具有熔晶转变的相图 5. 具有固态转变的二元相图
.
60
1. 具有化合物的二元相图
L
D'
L
L
+ Ⅱ
t/s
45
只有P点成分的合金才能在 包晶反应后得到100％的β相，P 点左侧会有α相剩余，P点右侧 会有L相剩余。
Sb（锑）-16%Fe合金包晶组织
室温组织： +Ⅱ
.
13
合金Ⅰ的平衡结晶过程
.
14
合金Ⅰ的平衡结晶过程
.
15
400
T
327.5
A L
300
T/℃
Ⅰ
L+
200 M 19
183
61.9 E
t1
t1'
L +
( +)
100
+
+ L
0F
P0b 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
5694从自由能一成分曲线可知在两个极小值之间为热力学不稳定区该任一成分的固溶体相都会分解成为两个成分对应于两个极小值的相但是在拐点迹线内外的溶混间隙区分解方式是不同的拐点迹线内自发地分离自发地分离成为两种成分不同的液相拐点迹线外需克服新相形成的能垒先形核然后长大
7.3.2共晶相图及其合 金的凝固
.
拐点迹线内自发地分离成为两 种成分不同的液相，
拐点迹线外需克服新相形成的 能垒，先形核然后长大。
.
57
.
58
.
59
7.3.5. 其他类型的二元相图
1. 具有化合物的二元相图 2. 具有偏晶转变的相图 3. 具有合晶转变的相图 4. 具有熔晶转变的相图 5. 具有固态转变的二元相图
.
60
1. 具有化合物的二元相图
L
D'
L
L
+ Ⅱ
t/s
45
只有P点成分的合金才能在 包晶反应后得到100％的β相，P 点左侧会有α相剩余，P点右侧 会有L相剩余。
Sb（锑）-16%Fe合金包晶组织
共晶相图及包晶相图-PPT
几种伪共晶区的形式
（3）离异共晶
① 离异共晶：由于非平衡 共晶体数量较少，通常共晶 体中α相依附于初生α相生 长，将共晶体中另一相β推 到最后凝固的晶界处从而使 共晶体两组成相间的组织特 征消失，这种两相分离的共 晶体称为离异共晶。
② 形成原因：不平衡条 件下，成分位于共晶线上两 端点附近。
平衡条件下，成分位于共 晶线上两端点附近。
• α、β相对量都可通过杠杆法则求出： Wα= (1.0-0.1)/(1.0-0.02)=91.8% Wβ= (0.1-0.02)/(1.0-0.02)=8.2%
含10%Sn量合金的平衡结晶的显微组织 500×
大家有疑问的，可以询问和交流 可以互相讨论下，但要小声点
(2) 共晶合金的平衡结晶
• (α该+β合)。金两发个生相共的晶相反对应量：：LE→αMα=MEN+/βMN,N恒β温N=进M行E，/M形N成共晶体
• 冷却曲线： • 结晶和组织转变过程：L→L+(α+β)→ (α +β)共
共晶反应＋脱溶转变
• 室温组织：(α+β)共 。 • 出组。织特征:片层交替分布，共晶(α+β)共中α、β相对量都可通过杠杆法则求
共晶反应完了时：Wα= EN/MN Wβ=ME/MN 室温时：Wα= (1.0-0.619)/(1.0-0.02)
匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变 • 室温组织：αⅡ+β, αⅡ、β的相对量可通过杠杆法则求出 。
开始包晶反应时: Wα=DC/PC＝57.2％ WL=PD/PC＝42.8％
室温时:WαⅡ=FD/EF Wβ=ED/EF
② 包晶点以右合金的平衡凝固 • 冷却曲线： • 结 晶 和 组 织 转 变 过 程 ： L→L+α→L+α+β
第四章 二元包晶相图
+ L
L+ L+
三个两相区：L+、L+、+ ；
一个三相区：即水平线PDC 。
LC P D
1186C
1、相图分析
(3) 点：A、B分别为Pt、Ag的熔点。 P、D分别为Ag在Pt中和Pt 在Ag 中的最大溶解度点 E、F分别为室温下Ag在Pt中和Pt 在Ag中的溶解度点
L
L+
2
当温度降低到1186℃时，发生包晶反 应前相的相对量计算（L和α） ：
+
L+
3、合金的结晶过程——b
⑵ Ⅱ合金（Ag含量在10.5%-42.4%）
2点以下： → Ⅱ
→ Ⅱ
Ⅱ
1
ⅠⅢ
L
L+
2
L+
室温组织：αⅠ+βII +β+αII
+
3、合金的结晶过程——c
+
3、合金的结晶过程——c
(3) Ⅲ合金（Ag含量在42.4%- 66.3% ） 2-3：剩余L →
Ⅰ
3-4： 3点以下： → Ⅱ
Ⅱ L+ ⅠⅢ
1 2 3
L
4
L+
室温组织：β+αII
+
(3) Ⅲ合金（Ag含量在42.4%- 66.3% ）
1点以上：L 1-2之间：L+ Ⅰ 2点： LC +αP ⇄βD
Ⅱ
L+
反应后L 剩余， 完全消耗掉
ⅠⅢ
1 2 3
L
当温度降低到1186℃时，发生包晶反 应前相的相对量计算（L和α） ：
L+ L+
三个两相区：L+、L+、+ ；
一个三相区：即水平线PDC 。
LC P D
1186C
1、相图分析
(3) 点：A、B分别为Pt、Ag的熔点。 P、D分别为Ag在Pt中和Pt 在Ag 中的最大溶解度点 E、F分别为室温下Ag在Pt中和Pt 在Ag中的溶解度点
L
L+
2
当温度降低到1186℃时，发生包晶反 应前相的相对量计算（L和α） ：
+
L+
3、合金的结晶过程——b
⑵ Ⅱ合金（Ag含量在10.5%-42.4%）
2点以下： → Ⅱ
→ Ⅱ
Ⅱ
1
ⅠⅢ
L
L+
2
L+
室温组织：αⅠ+βII +β+αII
+
3、合金的结晶过程——c
+
3、合金的结晶过程——c
(3) Ⅲ合金（Ag含量在42.4%- 66.3% ） 2-3：剩余L →
Ⅰ
3-4： 3点以下： → Ⅱ
Ⅱ L+ ⅠⅢ
1 2 3
L
4
L+
室温组织：β+αII
+
(3) Ⅲ合金（Ag含量在42.4%- 66.3% ）
1点以上：L 1-2之间：L+ Ⅰ 2点： LC +αP ⇄βD
Ⅱ
L+
反应后L 剩余， 完全消耗掉
ⅠⅢ
1 2 3
L
当温度降低到1186℃时，发生包晶反 应前相的相对量计算（L和α） ：
二元合金相图的基本类型和分析
3）找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡 转变的性质和反应式。 4）在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。 2．相图的应用 ① 相图反映了合金的成分与组成相之间的关系，而组成相的本质 及其相对含量与合金力学性能、物理化学性能密切相关。 ② 相图反映了合金的结晶特性。 ③ 在某种程度上可根据相图来判断合金力学性能、物理化学性能 及合金的铸造性能。如图所示。 ④ 相图也是制定热处理和热变形工艺的重要依据。
2．Cu-Ni合金的平衡结晶过程如b)图所示。 3．杠杆定理 不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 1）确定两平衡相的成分 如图（a）所示，水平线与液相线L的交点 2）确定两平衡相的相对量
x1 即为相的成分。
方法是：
① 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1；
三、二元包晶相图
二组元在液态无限互溶，在固态有限固溶且发生包晶 反应。如Fe-Fe3C合金（Fe3C----渗碳体）。 1．相图分析 包晶相图组成如图所示。 包晶反应过程如图所示。 2．合金结晶过程 Fe-Fe3C合金结晶过程如图所示。
四、形成稳定化合物的二元合金相图
分析： ① 稳定化合物指熔化前不分解的化合物。
“二元合金相图的基本类型和分析”部分结束！ 请转入：
“铁碳合金相图及应用”
液相线曲线al1b固相线曲线aa4b液相区液相线以上的液相l区域固相区固相线以下的固a相区域液相线与固相线之间为液固两相区laa为cu的熔点1083b为ni的熔点1452
4.2 二元合金相图的基本类型和分析 一、二元匀晶相图
在液态和固态两组元都能无限互溶的相图称为均晶相图。 二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有这类相 图。 1．Cu-Ni相图分析 分析： ① 液相线—曲线Al1B ② 固相线—曲线Aa4B ③ 液相区—液相线以上的液相L区域 ④ 固相区—固相线以下的固a相区域 ⑤ 液相线与固相线之间为液、固两相区（L+a） ⑥ A为Cu的熔点（1083℃），B为Ni的熔点（1452℃）。
13.共晶相图和相图分析
匀晶合金：W Mo Ni Fe Mo Cr Au Ag Ni Cu -----,,,,共晶合金：Si Mg Mg Al Cu Al Si Al Bi Pb Cu Ag Sb Pb Sn Pb --------,,,,,,, 包晶合金：铂银、锡锑、铜锡、铜锌等第五节共晶相图及其合金的结晶共晶相图：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，称为二元共晶相图共晶合金Bi Pb Cu Ag Sb Pb Sn Pb ----,,,等合金系的相图都属于共晶相图，在铁碳、铝镁等相图中，也包含有共晶部分一，Sn Pb -二元共晶相图分析图3-33 四条线：图中AE/BE 为液相线，AMNB 为固相线，MF 为锡在铅中的溶解度曲线，也叫固溶度曲线，NG 为铅在锡中的溶解度曲线。
几个相区：1. 相图中有三个单相区：液相L 、固溶体α相、固溶体β相、α相是锡溶于铅中的固溶体，β相是铅溶于锡中的固溶体2. 各个单相区之间有三个两相区，即βαβα+++,,L L3. 在βαβα+++,,L L 两相区之间的水平线MEN 表示L ++βα三相共存区 共晶转变● 在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E 点的液相E L 同时结晶出与M 点相对应的M α和N 点所对应的N β两个相，形成两个固溶体的混合物。
这种转变的反应式是N M E L βα+↔● 这种在一定的温度下，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，称为共晶转变或共晶反应。
共晶组织共晶转变的产物为两个固相的混合物，称为共品组织。
共晶转变时的相律自由度：根据相律可知，在发生三相平衡转变时，自由度等于零，所以这一转变必然在恒温下进行,而且三个相的成分应为固定值，在相图上的特征是三个单相区与水平线只有一个接触点，其中液体单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。
共晶线共晶点共晶温度：相图中的MEN 水平线称为共晶线，E 点称为共晶点，E 点对应的温度称为共品温度， 成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于共晶点以左M 点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于共晶点以右N 点以左的合金称为过共晶合金。
材料科学基础_二元系相图及其合金凝固1.3_二元包晶相图详解
在实际生产的条件下，由于冷却速 度较快，包晶转变不能充分进行，因而 通常达不到平衡状态。 对于成分为PC范围的合金，在平衡 冷却条件下，包晶转变产物中不存在α 相。 但是，在非平衡冷却条件下，由于 包晶转变不完全，使得包围在β相中的 α相在包晶转变后仍有残留，通常把这 种组织称为核心（或包心）组织。
两平衡相的重量分别为： DG DP wL 100 % 100 % 57.3% DC DC GC PC w 100 % 100 % 42.7% DC DC 显然，包晶反应中液相的相对量 超出包晶反应所需比例，包晶反应 后有液相剩余。
因此，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。
形成不稳定化合物的相图
K-Na相图
2. 具有偏晶转变的相图
偏晶转变相图特点：在一定的成分和温 度范围内，两组元在液态下也只能有限溶 解，存在两种不同浓度的液相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分的液相的过 程，且固相的相对量总是偏多。 即：L1→ A+L2 具有偏晶转变的二元系有：Cu－S、Cu－ O、Mn－P
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
（6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固
1 L＋ D
P 2
42.4
L＋
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简单回顾
二元匀晶相图
二元共晶相图
第四节 二元共晶相图
本节内容及要求： （1）掌握共晶相图的特点及分析方法； （2）掌握共晶系合金的平衡凝固过程及组织； （3）了解共晶系合金的非平衡凝固及组织。
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固 相的转变（Pb-Sn, Al-Si, Al-Cu, Mg-Si, Al-Mg)
（2）共晶合金(Wsn=0.619） 室温组织（α＋β）共晶
（2）共晶合金(Wsn=0.619）
两相的相对含量：
M M
N N
EN MENN MMEN MMNE MN
45.4% 45.4% 54.6% 54.6%
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3） 室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶
1 2
3
2 共晶系合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （2）共晶合金(Wsn=0.619）
室温组织（α＋β）共晶
E
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
3 共晶组织及其形成机理 （2）粗糙－平滑界面：
金属-非金属型 具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理 （2）平滑－平滑界面：
非金属-非金属型 一般认为具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理 （4）初生晶的形态：
金属固溶体：粗糙界面－树枝状； 非金属相：平滑界面－规则多面体。
1
α
β
2
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶
例如：亚共晶合金(Wsn=0.3） 室温组织:α初, βⅡ, (α＋β)共晶 相组成：α，β
α初晶
(α＋β)共晶
βⅡ
组织组成物与组织图
组织图：用组织组成物填写的相图。
组织组成物与组织图
组织组成物相对量的计算：杠杆定律。 组织组成物的相对含量： （以Wsn=0.5的合金为例） 组织组成物：α初 + βⅡ+(α＋β)共晶
成分互惠－交替形核 片间搭桥－促进生长
两相交替分布 （共晶组织）
3 共晶组织及其形成机理
（2）粗糙－平滑界面：
金属-非金属型
具有不规则或复杂组织形态.
1）由于两相微观结构不同， 所需动态过冷度不同，金属 相任意长大，另一相在其间 隙长大。可得到针状、螺旋 状、树枝状共晶体。
2）由于两相晶体结构不同， 呈非等温界面。
（2）共晶合金(Wsn=0.619） 室温组织（α＋β）共晶
α(黑色) β(白色)
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
共晶相图：具有共晶转变特征的相图； 特 点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且
发生共晶反应。 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物）。
一、 相图分析
以Pb-Sn相图为例： （1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点。 （2）线：结晶开始、结束线；共晶线；溶解度曲线。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
MN
共晶组织及其形成机理
共晶体的形态：两相交替分布。
层片状（a)、棒状(纤维状)(b)、球状（c）、针状（d）、 螺旋状（e）等。
共晶组织及其形成机理 （1）粗糙－粗糙界面：
金属-金属型 金属-金属间化合物型
简单规则形态：
层片状（一般情况）、
棒状(纤维状)、球状（一 相数量明显少于另一相）
3 共晶组织及其形成机理 共晶体的形成(以片状为例）：
(
)共晶
M2 ME
72.26%
ⅡN
2E ME
FM FG
4.87%
初
2E ME
N
22.87%
组织组成物与组织图
相组成物相对量的计算：杠杆定律。 两相组成物的相对含量： （以Wsn=0.5的合金为例） 相组成物：α＋β
2N 60.51%
MN
M 2 39.49%
共晶转变：
tE
LE M N
（4）共晶合金：成分位于共晶点E的合金。 （5）亚共晶合金：成分位于M、E之间的合金。 （6）过共晶合金：成分位于E、N之间的合金。 （7）端部共溶体合金：成分位于M以左、N以右的合金。
二、 共晶系合金的平衡结晶及其组织
以Pb-Sn相图为例： （1）端部固溶体合金(Wsn=0.1）
室温组织（α＋βⅡ）
1 2
3
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
（1）端部固溶体合金(Wsn=0.1） 室温组织（α＋βⅡ）
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶：共晶成分附近的非共晶合金所得到的
完全共晶组织。
（2）离异共晶：成分位于共晶线上两端点附近的合 金形成的两相分离的共晶组织。
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶 ① 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 ② 形成原因：位于共晶点附近的合金成分进行不平衡结晶。
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶
α初晶 (α＋β)共晶
βⅡ
（4）过共晶合金(Wsn=0.7） 室温组织β初＋ αⅡ+(α＋β)共晶
（4）过共晶合金(Wsn=0.7） 室温组织β初＋ αⅡ+(α＋β)共晶
组织组成物与组织图
组织组成物与相组成物的区别： 组织组成物：具有清晰轮廓的独立组成部分，指形态。 相组成物：具有确定的成分及结构，没有形态的概念。
剩余液相:WL=M2/ME =(30-19)/(61.9-19)=25.7%
1
E
M
2
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二元匀晶相图
二元共晶相图
第四节 二元共晶相图
本节内容及要求： （1）掌握共晶相图的特点及分析方法； （2）掌握共晶系合金的平衡凝固过程及组织； （3）了解共晶系合金的非平衡凝固及组织。
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固 相的转变（Pb-Sn, Al-Si, Al-Cu, Mg-Si, Al-Mg)
（2）共晶合金(Wsn=0.619） 室温组织（α＋β）共晶
（2）共晶合金(Wsn=0.619）
两相的相对含量：
M M
N N
EN MENN MMEN MMNE MN
45.4% 45.4% 54.6% 54.6%
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3） 室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶
1 2
3
2 共晶系合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （2）共晶合金(Wsn=0.619）
室温组织（α＋β）共晶
E
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
3 共晶组织及其形成机理 （2）粗糙－平滑界面：
金属-非金属型 具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理 （2）平滑－平滑界面：
非金属-非金属型 一般认为具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理 （4）初生晶的形态：
金属固溶体：粗糙界面－树枝状； 非金属相：平滑界面－规则多面体。
1
α
β
2
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶
例如：亚共晶合金(Wsn=0.3） 室温组织:α初, βⅡ, (α＋β)共晶 相组成：α，β
α初晶
(α＋β)共晶
βⅡ
组织组成物与组织图
组织图：用组织组成物填写的相图。
组织组成物与组织图
组织组成物相对量的计算：杠杆定律。 组织组成物的相对含量： （以Wsn=0.5的合金为例） 组织组成物：α初 + βⅡ+(α＋β)共晶
成分互惠－交替形核 片间搭桥－促进生长
两相交替分布 （共晶组织）
3 共晶组织及其形成机理
（2）粗糙－平滑界面：
金属-非金属型
具有不规则或复杂组织形态.
1）由于两相微观结构不同， 所需动态过冷度不同，金属 相任意长大，另一相在其间 隙长大。可得到针状、螺旋 状、树枝状共晶体。
2）由于两相晶体结构不同， 呈非等温界面。
（2）共晶合金(Wsn=0.619） 室温组织（α＋β）共晶
α(黑色) β(白色)
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
共晶相图：具有共晶转变特征的相图； 特 点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且
发生共晶反应。 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物）。
一、 相图分析
以Pb-Sn相图为例： （1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点。 （2）线：结晶开始、结束线；共晶线；溶解度曲线。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
MN
共晶组织及其形成机理
共晶体的形态：两相交替分布。
层片状（a)、棒状(纤维状)(b)、球状（c）、针状（d）、 螺旋状（e）等。
共晶组织及其形成机理 （1）粗糙－粗糙界面：
金属-金属型 金属-金属间化合物型
简单规则形态：
层片状（一般情况）、
棒状(纤维状)、球状（一 相数量明显少于另一相）
3 共晶组织及其形成机理 共晶体的形成(以片状为例）：
(
)共晶
M2 ME
72.26%
ⅡN
2E ME
FM FG
4.87%
初
2E ME
N
22.87%
组织组成物与组织图
相组成物相对量的计算：杠杆定律。 两相组成物的相对含量： （以Wsn=0.5的合金为例） 相组成物：α＋β
2N 60.51%
MN
M 2 39.49%
共晶转变：
tE
LE M N
（4）共晶合金：成分位于共晶点E的合金。 （5）亚共晶合金：成分位于M、E之间的合金。 （6）过共晶合金：成分位于E、N之间的合金。 （7）端部共溶体合金：成分位于M以左、N以右的合金。
二、 共晶系合金的平衡结晶及其组织
以Pb-Sn相图为例： （1）端部固溶体合金(Wsn=0.1）
室温组织（α＋βⅡ）
1 2
3
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（1）端部固溶体合金(Wsn=0.1） 室温组织（α＋βⅡ）
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶：共晶成分附近的非共晶合金所得到的
完全共晶组织。
（2）离异共晶：成分位于共晶线上两端点附近的合 金形成的两相分离的共晶组织。
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶 ① 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 ② 形成原因：位于共晶点附近的合金成分进行不平衡结晶。
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶
α初晶 (α＋β)共晶
βⅡ
（4）过共晶合金(Wsn=0.7） 室温组织β初＋ αⅡ+(α＋β)共晶
（4）过共晶合金(Wsn=0.7） 室温组织β初＋ αⅡ+(α＋β)共晶
组织组成物与组织图
组织组成物与相组成物的区别： 组织组成物：具有清晰轮廓的独立组成部分，指形态。 相组成物：具有确定的成分及结构，没有形态的概念。
剩余液相:WL=M2/ME =(30-19)/(61.9-19)=25.7%
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