金属共晶相图

5.3.2 二元共晶相图①共晶相图：当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。

如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。

Pb-Sn合金相图是典型的二元共晶相图,见图5.26, 下面以它为例进行讲解。

首先分析相图中的点,线和相区。

图5.26 铅锡相图一、相图分析1、点： tA ，tB点分别是纯组元铅与锡的熔点，为327.5o C和231.9o C。

M点：为锡在铅中的最大溶解度点。

N点：为铅在锡中的最大溶解度点。

E点：为共晶点，具有该点成分的合金在恆温183℃时发生共晶转变LE →αM+βN共晶转变：是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。

F点：为室温时锡在铅中的溶解度。

G点：为室温时铅在锡中的溶解度。

2、tA EtB线：为液相线，其中tAE线：为冷却时L→α的开始温度线，EtB线：为冷却时L→β的开始温度线。

tA MENtB线：为固相线，其中tAM线：为冷却时L→α的终止温度线，tBN线：为冷却时L→β的终止温度线。

MEN线：为共晶线，成分在M~N之间的合金在恒温183℃时均发生共晶转变LE→（αM+βN）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体或共晶组织。

MF线：是锡在铅中的溶解度曲线。

NG线：是铅在锡中的溶解度曲线。

3、相区（1）单相区：在tA EtB液相线以上,为单相的液相区用L表示，它是铅与锡组成的合金溶液。

tAMF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。

tBNG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。

（2）两相区：在tA EMtA区为L+α相区，在tBENtB区为L+β相区。

在FMENGF区为α+β相区。

（3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。

由相律可知三相平衡共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。

具有共晶相图的二元系合金，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下几类：①成分对应于共晶点（E）的合金称为共晶合金，如Pb-Sn相图中含Sn61.9%的合金。

②成分位于共晶点（E）以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，如含Sn19%~61.9%的合金都是亚共晶合金。

③成分位于共晶点（E）以右，N点以左的合金称为过共晶合金。

如含Sn61.9%~97.5%的合金都是过共晶合金。

④成分位于M点以左，N点以右的合金称为端部固溶体合金。

如含Sn小于19%和大于97.5%的合金都是端部固溶体合金。

二.共晶系典型合金的平衡凝固过程分析1.端部固溶体合金（10%Sn-Pb合金）由图5.26可以看出，合金①冷却到t1温度时开始发生匀晶转变从L→α。

随着温度的降低α量不断增加，L量不断减少，并且α相的成分沿固相线tAM变，L相的成分沿液相线tA E变。

当冷却到t2温度时L全部转变成α相，继续降低温度α相自然冷却不发生成分和相的变化。

当冷却到t3温度时，Sn在α固溶体中达到饱和状态，因此随着温度的降低，它处于过饱和状态，多余的Sn以β固溶体的形式从α固溶体中析出，这时α固溶体的平衡成分沿MF线变化，相对量逐渐减少，而析出的β固溶体的平衡成分沿NG线变化，相对量逐渐增加。

通常将固溶体中析出另一种固相的过程称为脱溶转变，脱溶转变的产物一般称为次生相或二次相。

次生相β固溶体用βⅡ表示，以区别从液相中直接凝固出的β固溶体。

由于次生相是从固相中析出的，而原子在固相中的扩散速度慢，所以次生相一般都较细小，并分布在晶界上或固溶体的晶粒内部。

由上述分析可知该合金在室温时的组织为α+βⅡ，见图5.27。

图中黑色基体为α相，白色颗粒为βⅡ相。

图5.28为该合金的平衡凝固过程示意图。

图5.27 10%Sn-Pb 合金显微组织 500×图5.28 10%Sn-Pb 合金凝固过程示意图由相图可以看出F点以左，G点以右的合金凝固过程与匀晶合金完全相同，而成分位于F点和M点之间的所有合金的平衡凝固过程都与上述合金相同,显微组织都为α+βⅡ,只是α和βⅡ的相对量不同。

合金成分越接近M点，其含βⅡ越多，而越接近F点，其含βⅡ越少。

另外由相图还可以看出，成分位于N点和G点之间的所有合金的平衡凝固过程与上述合金相似，所不同的是它从L→β，从β→αⅡ。

由于某些固溶体合金的溶解度随温度的降低而降低，因此可以通过热处理来控制次生相的析出量和大小，从而达到改善合金性能的目的。

所以，由相图不仅可以判断合金的特性，还可以指导热处理生产。

2．共晶合金（61.9%Sn-Pb）由相图可以看出共晶合金②从液态缓慢冷却到tE温度时, 在恒温下从液相中同时结晶出两个成分不同的固相,即发生共晶转变LE →αM+βN(L61.9%→α19%+β97.5%)由于发生共晶转变时是三相平衡,所以可以用相律证明它是在恒温下进行的。

共晶转变在恒温下一直进到液相完全消失,继续冷却αM 和βN分别析出次生相βⅡ和αⅡ,成分分别沿着MF和NG线变化。

由于析出的αⅡ和βⅡ与共晶体中的α和β常常混合在一起,所以在显微镜下很难分辨。

因此该合金在室温时的组织一般认为是由(α+β) 共晶体组成。

图5.29 铅锡共晶合金的显微组织 200×见图5.29, 它是由黑色的α相和白色的β相呈层片状交替分布。

图5.30为该合金平衡凝固的示意图。

图5.30 共晶合金凝固过程示意图合金的显微组织： 是指在金相显微镜下能够观察到的组成部分。

共晶合金的显微组织是由α和β两相组成,所以它的相组成物为α和β两相。

相组成物：是指组成合金显微组织的基本相。

组织组成物： 是指合金在结晶过程中,形成的具有特定形态特征的独立组成部分。

如共晶合金的组织组成物为100%的（α+β）共晶体。

而相组成物的相对量可用杠杆定律计算，如在t E 温度时的相对量为97.561.9%100%100%45.4%97.519M EN MN α-=⨯=⨯=-%6.54%%100%=-=M N αβ或61.919%100%100%45.6%97.519N ME MN β-=⨯=⨯=-，而在室温时的相对量为%,100'%⨯=FG G E F α%100'%⨯=FG FE G β。

3、亚共晶合金（50%Sn-Pb 合金）由图5.26可以看出该合金③在冷却到t 1温度时，开始发生匀晶转变，从L→α，该α称为初生相或初晶固溶体或先共晶相，用α初表示，随着温度的降低，α初的成分沿着固相线t A M 变，相对量不断增加，L 的成分沿着液相线t A E 变，相对量不断减少，当冷却到t 2温度时α初的成分达到M 点的成分，剩余液相的成分达到E 点的成分，它们的相对量可用杠杆定律计算:α初%=%8.27%100199.61509.61%1002=⨯--=⨯ME E t （L%=100%-α初%=72.2%）或 L%=%2.72%100199.611950%1002=⨯--=⨯ME Mt在该温度（略低于t 2）剩余液相发生共晶转变L EN M t βα+−→−2全部转变为共晶体，此时的组织为α初+（α+β），可以看出共晶体的量就等于t 2温度时液相的量。

因此（α+β）%=L%=72.2%，这时它的相组成物为α和β，它们的相对量为α%=%5.60%100195.97505.97%1002=⨯--=⨯MN N t ，β%=100%-α%=39.5%。

继续冷却由于固溶体的溶解度减小，因此它们都要发生脱溶过程，α初和α共的成分沿MF 线变化析出二次相α初→βII ， α共→βII ；β共的成分沿NG 线变化析出二次相β共→αII ，它们析出的二次相αII 和βII 的成分也分别沿着MF 和NG 线变化，相对量逐渐增加。

由于共晶体（α+β）中析出的二次相βII 与共晶体α、β混合在一起，在显微镜下分辨不出，所以该合金的室温组织为α初+βII +（α+β）。

见图5.31暗黑色块状部分为α初，在其上的白色颗粒为βII ，而黑白相间的部分为共晶体（α+β），图5.32为该合金的平衡凝固示意图。

可以看出该合金在室温时的相组成物为α和β两相，它们的相对量为%100%3⨯=FG G t F α，%100%3⨯=FG Ft G β，而组织组成物为α初+βII +（α+β），它们的相对量也可用杠杆定律计算。

由前面计算可知α初%=27.8%,(α+β)%=72.2%,现在要计算从α初中析出的βII 的量，应先计算出βII 的最大析出量（即为100%α初中能析出的βII 的量）βII 最大%=%100'⨯FG FM ，则从α初中析出的βII 量为，βII %=βII 最大%×α初%=%8.27%100'⨯⨯FGFM。

另外由相图可以看出，所有亚共晶合金的凝固过程都与该合金的凝固过程相同，不同的是当合金成分靠近M点时，α初的相对量增加，析出的βII%增加，其（α+β）的相对量减少；而合金的成分靠近E点时，α初的相对量减少，析出的βII%减少，（α+β）相对量增加。

图5.31 50%Sn-Pb 合金显微组织 200×图5.32 亚共晶合金凝固过程示意图4 、过共晶合金（70%Sn-Pb合金）由相图可以看出过共晶合金的凝固过程与亚共晶合金的凝固过程相似，不同的是它的初生相（先共晶相）为β固溶体，因此它在室温时的组织为：β初+αII+（α+β），见图5.33，其中白亮色卵形部分为β初，黑白相间部分为共晶体（α+β），过共晶合金的具体凝固过程请大家课后自己进行分析。

由上述典型合金的平衡凝固过程分析，可以得出二元共晶系合金的组织组成物图（或叫组织分区图）如图5.34。

图5.33 70%Sn-Pb 合金显微组织 200×图5.34 铅锡合金组织分区图三、共晶系合金的不平衡凝固及组织共晶系合金在不平衡凝固时，由于冷却速度快原子扩散不能充分进行，这不仅使固溶体产生枝晶偏析，而且还使共晶体的组织形态和共晶体与初晶的相对量发生变化，共晶系合金的典型不平衡凝固组织主要有伪共晶和离异共晶。

1. 伪共晶由共晶系合金的平衡凝固过程分析可知，只有共晶成分的合金在平衡凝固时，才能得到100%的共晶组织。

但是在不平衡凝固时，成分在共晶点附近的亚共晶和过共晶合金，也能得到100%的共晶组织，这种由非共晶成分的合金经不平衡凝固后，所得到的全部共晶组织称为伪共晶组织。

成分在共晶点附近的亚共晶和过共晶的合金，在不平衡凝固时能够得到全部共晶组织的原因是，在不平衡凝固时由于冷却速度较快，合金液体被过冷到共晶温度以下才凝固，这时液相对α固溶体的饱和极限，沿着α液相线的延长线变化，而液相对β固溶体的饱和极限，沿着β液相线的延长线变化，当合金液体过冷到这两条延长线所包围的区域中时，同时被α和β两相所饱和，发生共晶转变而得到全部的共晶组织，这两条延长线所包围的区域称为伪共晶区，凡是合金被过冷到该区域才凝固，都能得到伪共晶组织。