共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
共晶相图2011
T（℃）
TA
L
L＋
M
183℃
L＋ TS
E
N
＋
F
G
Pb
Sn
2
一、相图分析
1． 区域划分
单相区：三个
L、 、
双相区：三个
T（℃）
区： L＋ 、 L＋ 、
TA
L
＋
三相区：一个（水平线）
L＋ ＋
L＋
M
183℃
＋
L＋ TS
E
N
F
G
Pb
Sn
3
共晶线：
M-E-N
液相线：
线： TA——E——TS
T（℃） TA
M
L 50%Sn
L＋
L＋ TS
E
N
＋
相组成： ＋
F
G
Pb
Sn
组织组成：初 ＋ （＋）共＋ II ＋II
忽略 19
50pb-50sn
20
（2）杠杆定律计算
—— 计算共晶反应刚刚结 束时，相和组织的相 对含量
T（℃） TA
相含量：
以合金平均成分点为支点 以两相成分点为端点
M
F Pb
L 50%Sn
L＋
L＋ TS
E
N
＋
G
c
Sn
%
CN MN
100%
97.5 50 100% 60.5% 97.5 19
%
MC
100%
50 19 100% 39.5%
MN
97.5 19
21
组织相对含量： 计算共晶转变刚刚结束 时组织 初、(＋)共的含量
由结晶过程知，（＋）共的含量为即将开始共晶转变时L
材料科学基础I 5-4 二元共晶合金相图
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：
1、共晶合金的冷却过程
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：
L61.9 183C 19.2 97.5
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。
3、区
单相区
L 液相区 α α固溶体区 β β固溶体区
两相区
L +α 液、固二相区，与匀晶相图的二相区相同，可以将 L +β 它们看作匀晶相图的一部分。
α+β 固态二相区
三相区 L+α+β
C E D水平线 (一个特殊的相区)
三、典型合金的冷却过程分析
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) Sn < 19.2 %和Sn > 97.5 %的合金可以看作是匀晶合金
第四章 二元合金相图与合金凝固参考答案
第四章二元合金相图与合金凝固一、本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图二、1.填空1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶__。
最全二元相图及其合金凝固知识点总结
最全二元相图及其合金凝固知识点总结匀晶相图与固溶体凝固匀晶相图两组元在液态、固态均能无限互溶的二元系所组成的相图称为匀晶相图。
匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
匀晶转变是变温转变。
以w(N i)为30%C u-N i二元合金相图为例说明匀晶相图。
点：T C u、T N i分别为C u、N i熔点。
线：TCuBTNi 为液相线。
TCuCTNi 为固相线。
区： L、L+α、α固溶体的平衡凝固平衡结晶：在极缓慢冷却条件下进行的结晶。
以w(N i)为30%C u-N i二元合金为例分析结晶过程：t1温度以上为L；t1温度时，L→α，成分为：B、C。
固溶体平衡冷却结晶过程归纳总结：冷却时遇到液相线开始结晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均匀固溶体。
在结晶过程中每一温度，其液相、固相成分和相对量可由该温度下做水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出随温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕。
固溶体合金的结晶特点：1.异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同。
2.结晶需要一定的温度范围。
固溶体非平衡凝固非平衡凝固：偏离平衡条件的结晶。
在实际生产中，由于冷却速度较快，内部原子的扩散过程落后于结晶过程，使合金的成分均匀化来不及进行，使凝固偏离了平衡条件，这称为非平衡凝固。
非平衡凝固导致先结晶部分与后结晶部分成分不同，这种一个晶粒内部或者一个枝晶间的化学成分不同的现象，叫做枝晶偏析或晶内偏析。
各个晶粒之间化学成分不均匀的现象叫做晶间偏析。
枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，可以通过均匀化退火消除。
1.液相线与固相线间的水平距离(成分间距)↑，先后结晶的成分差别↑，偏析严重。
2.溶质原子的扩散能力↑，偏析↓。
3.冷却速度↑，偏析↑。
共晶相图与合金凝固共晶相图组成共晶的两组元液态时无限互溶，固态时有限固溶或完全不溶，且发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。
第四章 二元合金相图与合金凝固答案
第四章二元合金相图与合金凝固一、本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图二、1.填空1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。
第三章 共晶相图及其结晶 (2)
LwB=0.75==αwB=0.15 +β wB=0.95
求(1)wB=0.50的合金凝固后， α初与共晶体(α+ β)的相对量；
α相与 β相的相对量。 (2)若共晶反应后β初和(α+ β)共晶各占一半，问合金成分 如何。
例题4.3.3:WB=40%的合金定向凝 固，液-固界面平直，液相成分始 终保持均匀，固相中扩散忽略。 (1)求凝固后金属棒中共晶体的相 对量。 (2)求平衡凝固后共晶体的相对量
铁碳相图
(2)偏晶相图 • 偏晶转变：一定温度下从一定成的一种液相中分解 出一个固相与另一种成份的液相，且固相的相对量 总是偏多的转变。 反应式：L1 L2+α
图形特点： α
L1 L2
• 相图实例：Cu-Pb，Cu-O，Mn-Pb，Cu-S
Cu-Pb二元相图
(3)熔晶相图 • 熔晶转变：一定温度时，从一个固相分解成一个 液相和另一个固相的反应。 反应式：δ γ+L 图形特点： γ δ
kR
1 2
• 形态：取决于两相的体积分 数和相界面的比界面能。 一相的体积分数小于30%，且比界面能较高时，易 形成棒状共晶。 一相的体积分数在30%~50%时，利于形成层片状。
第 三 节 二 元 共 晶 相 图
（二） 粗糙-平滑界面（金属-非金属型）共晶 • 特点：形态不规则
（三） 平滑-平滑界面共晶 特点：形态很不规则
四、 共晶系合金的非平衡凝固和组织
（一） 伪共晶组织 • 伪共晶：由非共晶成分的合金所 得到的完全共晶组织。 • 形成原因：不平衡结晶；成分位 于共晶点附近。 • 伪共晶区的位置：与共晶两相的 结晶速度有关。偏向晶体结构复 杂及具有平滑界面的相的一边。
第三章3 共晶相图
共晶合金的平衡结晶的室温组织： α ＋β；
共晶合金的显微组织为α和β呈层片状交替分 布，其中黑色的为α相，白色的为β相。
共晶组织的形 状很多，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，如 图所示。
αc和βe相的含量可用杠杆定律求出：
室温组织为： α+βⅡ。
黑色基体为 α相，白色 颗粒为βⅡ， βⅡ分布在α 的晶界上， 或在α晶粒 内析出。
计算它们的相对含量：
4 g 100 10 w 90% fg 100
W βⅡ=1-W α=1-90%=10%
2.2共晶合金（合金Ⅱ）：含Sn量为wSn＝61.9％， 它的结晶过程如图所示；
1、相图分析
1.1相图中的点： a点：Ｐｂ的熔点；b点：Ｓｎ的熔点； d点：共晶点； 1.2相图中的线： •液相线：ad、bd线； •固相线：acdeb线； •cf线：Ｓｎ溶于Ｐｂ中的溶解度曲线； •eg线：Ｐｂ溶于Ｓｎ中的溶解度曲线； •cde线：共晶线； 1.3相图中的相区： •3个单相区：Ｌ相、固溶体α相、固溶体β相； α相：Ｓｎ溶于Ｐｂ中的固溶体； β相：Ｐｂ溶于Ｓｎ中的固溶体； •3个两相区：Ｌ＋ α ；Ｌ＋ β ；α＋ β； •1个三相区：Ｌ＋ α ＋β；
所以，亚共晶合金的室温组织为： α先+（αM+ βN）+ βⅡ
其中，黑色树 枝晶为先共晶 相α先，之中 的白色颗粒为 βⅡ，黑白相 间分布的是共 晶组织。
计算温度降到2点，未发生共晶反应时两相的相 对含量：
2d 61.9 50 w 100% 100% 27.8% cd 61.9 19 c2 50 19 wL 100% 100% 72.2% cd 61.9 19
金属共晶相图
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, 下⾯以它为例进⾏讲解。
⾸先分析相图中的点,线和相区。
图铅锡相图⼀、相图分析1、点：t A，t B点分别是纯组元铅与锡的熔点，为和。
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L E→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、t A Et B线：为液相线，其中t A E线：为冷却时L→α的开始温度线，Et B线：为冷却时L→β的开始温度线。
t A MENt B线：为固相线，其中t A M线：为冷却时L→α的终⽌温度线，t B N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L E→（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t A Et B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。
t A MF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。
t B NG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t A EMt A区为L+α相区，在t B ENt B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%的合⾦。
共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
粗糙－光滑界面系的歪斜型伪共晶区；
32
2020/9/23
Al-Si系的伪共晶区歪斜于Si的一边，所以一般铸造的 共晶（甚至过共晶）合金获得亚共晶组织，过共晶合金 一定要过冷至伪共晶区才可获得全部共晶组织。
Al-Si系的伪共晶区
(a)Al-Si系等轴成长时的伪共晶区； (b)过共 晶Al-Si合金的显微组织， ×200；
2020/9/23
共晶合金的性能
（1）有良好的流动性，能很好地填充铸模
（2）合金系中共晶的熔点最低，简化熔化和铸造工艺，降 低能源消耗和坩埚腐蚀
（3）利用定向凝固使共晶两相获得细而均匀的定向排列， 制造共晶复合材料
• 利用共晶熔点最低的特性配制各种易熔合金，如焊料、保 险丝材料：铅和锡的共晶熔点为183℃，若制成铅、锡和 铋三元共晶，其熔点降至96℃
α II
组织：β + α II +共晶
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50 0x
2020/9/23
例题：
1按下列数据，做出A-B二元共晶相图:
(1)TA>TB(TA,TB分别是A，B的熔点)；
(2)
L WB 0.6
WB 0.15
WB 0.95
(3)B在A中的溶解度随温度下降而减少，室温时为WB=0.03 ；A在B中的溶解度不变。
• 所以在同样条件下，共晶凝 固速度比单相溶体要快得多
远处液体浓度
e jk
jk
j
层状2共3 晶成长时界面前沿的横2向02原0/子9/2扩3 散
共晶的形核
• 一个共晶晶粒中的每一单片层并不都需要单独形核，各片 层间多半是通过搭桥连接起来
层片共晶形核和成长
(a)单独的α片；
(b)β相在α片主要原因是由于非金属相晶体结构上的特性不同，使其 成长时具有明显的各向异性
材料学基础课程 第七章 第三部分
2.包晶系合金的平衡凝固 2.包晶系合金的平衡凝固
包晶点（ (1) 包晶点（P）合金 发生包晶反应：Lc+αD =βP为恒温反应 发生包晶反应： • 结晶过程： L→L+α→L+α+β→β→αⅡ+β 结晶过程： 匀晶反应＋包晶反应＋ 匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变 • 室温组织：αⅡ+ β 室温组织：
共晶系合金的平衡凝固总结：
• 通过以上分析共晶系合金的平衡凝固可分为两类 ： 通过以上分析共晶系合金的平衡凝固可分为两类： 固溶体合金和共晶型合金。 固溶体合金和共晶型合金 。 前者的结晶过程主要为 匀晶相变＋ 脱溶转变， 组织为初生固溶体和次生组 匀晶相变 ＋ 脱溶转变 ， 后者的结晶过程主要为匀晶相变、 织 ； 后者的结晶过程主要为匀晶相变 、 共晶相变和 脱溶相变， 组织为初生固溶体、 共晶体和次生组织。 脱溶相变 ， 组织为初生固溶体 、 共晶体和次生组织 。 在室温， FG范围内的合金组织是由 范围内的合金组织是由α 在室温 ， FG 范围内的合金组织是由 α 和 β 两个基本 相构成。 相构成。 • 需要指出的是在分析显微组织时 ， 应注意 组织织成 需要指出的是在分析显微组织时， 应注意组织织成 物和相组成的区别。 物和相组成的区别 。 组织组成物是在结晶过程中形 成的， 有清晰轮廓的独立组成部分， 成的 ， 有清晰轮廓的独立组成部分 ， 如上述组织中 都是组织组成物。 α、αⅡ、β、βⅡ、(α+β)共都是组织组成物。而 相组成物是指组成显微组织的基本相， 相组成物是指组成显微组织的基本相 ， 它有确定的 成分及结构但没有形态上的概念， 成分及结构但没有形态上的概念 ， 上述各类合金在 室温的相组成物都是α 相和β 室温的相组成物都是 α 相和 β 相 。 所以共晶合金都 是 由 α 相 和 β 相 组 成 的 机 械 混 合 物 （ mechanical
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
第三章3共晶相图
3.1.2伪共晶区的形状有两类：
图中ａ）：随温度降低，伪共晶区对称扩大； 图中ｂ）：随温度降低，伪共晶区歪向一边；
3.2离异共晶：在先共晶相数量较多、共晶组织较 少的情况下，共晶组织中与先共晶相相同的那一 相依附于先共晶相生长，剩余的的共晶称为离异共晶。例如图中的合金Ⅰ；
2、典型合金的平衡结晶及其组织：
2.1含锡量wSn≤19%（c点）的合金（合金Ⅰ）： 合金Ⅰ为：WSn=10%，它的结晶过程如图所 示；
名词： 二次结晶：由固溶体中析出另一个固相的过程， 也称为脱溶过程； 次生相：二次结晶析出的相称为次生相或二次相， 例如βⅡ； 次生相的析出部位：优先从α相的晶界析出，其 次是从晶粒内的缺陷部位析出，一般较为细小。
ed 97 . 5 61 . 9 w 100 % 100 % 45 . 4 % c ce 97 . 5 19 dc 61 . 9 19 w 100 % 100 % 54 . 6 % e ce 97 . 5 19
2.3亚共晶合金（合金Ⅲ）
2.4过共晶合金（合金Ⅳ）：
•其室温的平衡组织： β
先+ （α M+
β N）+ α
Ⅱ
白亮色卵形部分为 先共晶β 固溶体， 其余部分为共晶组 织。
小结： ①结晶后的显微组织：
•组织组成物：在显微组织中能清楚的区分开， 是组成显微组织的独立部分。在金相显微镜下观 察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。 •合金的相组成物：从相的本质看，组成合金的 基本相。合金中结构、成分和性能均匀一致并以 界面相互分开的组成部分。
二元相图
二元相图
1.二元相图的表示、含义及杠杆定律
Bi-cd相图
相组成与组织组成及利用杠杆定律计算2.匀晶相图及固熔体合金的凝固和组织Cu-ni相图
固溶体合金的平衡凝固和组织
固溶体非平衡凝固和组织
晶内偏析（枝晶偏析）及其消除
固溶体合金凝固过程中的溶质分布
成分过冷
固溶体结晶时，在一定的条件下，溶质原子在液固界面前沿液相内的分布会发生变化，液相的熔点也随之改变，并使过冷度伸向液相内部。
这种由于液相成分改变而形成的过冷，称为成分过冷。
成分过冷的控制
溶质原子向前扩散，也向两边凹处扩散
凹处浓度升高，熔点降低，过冷度减小，生长速度变慢，凸起伸向成分过冷区，加速生长
无论正负温度梯度
胞状或树枝状
共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
1.相图分析
2.共晶系合金的平衡组织
以x2合金介绍其组织组成和相组成，相组成物的量变化，组织组成看做不变
共晶组织特点：流动性、熔点低、共晶复合材料及焊料
3.共晶组织及其形成机理
4.共晶系合金的非平衡凝固和组织
平衡凝固与非平衡凝固条件下都可获得。
包晶相图及其合金的凝固和组织
相图分析
Pt-Ag
包晶系合金的平衡凝固和组织
包晶反应慢，p相易将a相包起来
细化晶粒加变质剂，包晶转变功劳。
偏晶相图及其合金的凝固与组织
Cu-pb
区域偏析
比重偏析
形成化合物的二元相图
稳定化合物Mg-si
不稳定化合物Cu-Zn 具有固态转变的二元相图共析转变
包析转变
偏析转变
熔晶转变
无序有序转变
脱熔
磁性
铁碳相图。
23.二元合金共晶相图及结晶
2020/4/9
柏振海 baizhai@
剩余熔体变化到共晶点E 共晶形貌随后保持不变
11
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
树枝状初晶α，白色 次晶βⅡ ，黑色
α
β
T
β
α
Ag
X3 W Cu%
Cu
先析出初晶α（ Primary crystal ）
层片状共晶（α+β），黑白色
初晶α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α成分沿着固相线变化
初晶α成分沿固溶度线变化，从初晶α中析出次晶βⅡ
共晶成分的熔体在共晶温度析出共晶体（α+β）
1
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
共晶相图
二元合金共晶相图及结晶
两组元在固态部分 溶解，形成有限 固溶体α和β，具 有共晶转变
Ag-Cu、 Pb-Sn、 Al-Si、 Al-Sn、 Cd-Sn、
Au-Pt……
Ag-Cu共晶相图
2020/4/9
柏振海 baizhai@
α
β
T
β
α
Ag
W Cu% X2 Cu
先析出初晶β
层片状共晶（α+β），黑白色
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）
第3章 二元相图(匀晶,共晶)
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
1200
T 1200
1100
1000
1000 900
0 20 40 40 60 80 80 100 100
800
800
t
WCu(%)
Cu-Ni合金相图的建立
二、热分析法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ绘二元相图
液相线 液相区
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000
匀晶相图的其它类型
有些合金的匀晶相图还有极点： 在Au-Cu、Fe-Co、Ti-Zr等合金 的相图上有极小点；
在Pb-Tl、Al-Mn等合金的相图上 有极大点。
二）固溶体的平衡凝固
平衡凝固：从液态无限缓慢冷却，在相变过程中充分进行组元间互相 扩散，达到平衡相的均匀成分，这种凝固过程叫平衡凝固。
三、杠杆定律
与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称为杠杆定律
三、杠杆定律
运用：确定两平衡相的成分（浓度）；确定两平衡相的相对量。 注意：只适用于两相区，并且只能在平衡状态下使用； 三点（支点和端点）要选准。
H
Ag-Cu共晶相图及合金的凝固
五、二元相图的几何规律
① 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的 成分，所以相界线是相平衡的体现， 平衡相的成分必须 沿着相界线随温度而变化。 ② 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分 开，而不能以一条线接界(即两个单相区只能交于一点而 不能交于一条线)。两个两相区必须以单相区或三相水平 线分开。即:在二元相图中，相邻相区的相数差为1，这 个规则为相区接触法则。
四、杠杆定律
合金成分为C0，总重量为1, 在T 温度时，由液相和固相组成，液 相的成分为CL，重量为WL，固 相成份为Cα，重量为Wα。
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β (α+β)
23.09.2020
α II
组织：β + α II +共晶
.
500 x
15
例题：
1按下列数据，做出A-B二元共晶相图:
(1)TA>TB(
L W B 0 .6
W B 0 .15 W B 0 .95
(3)B在A中的溶解度随温度下降而减少，室温时为WB=0.03； A在B中的溶解度不变。
个随之就固定不变，如T0温度α和β相的成分分别为k和h 三相区：为一条水平线
23.09.2020
.
3
3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织
C点左边和D点右边的合金属于固溶体合金，与前述的固溶体合金 在固态继续冷却时不同
CD线中间的合金在凝固时均有共晶反应发生，属于共晶型合金 E点合金称为共晶合金，C-E之间的合金称为亚共晶合金，D-E之间
23.09.2020
.
6
T2：共晶→αⅡ+βⅡ ，
β初→αⅡ= β初*（100-92）/100
T3，α和β的成分分别为F和G，相组成物的量发生变化， 但组织组成物的特征保持原样
23.09.2020
初晶β
共晶
.
7
x3亚共晶合金凝固过程及其组织
T1~T2:L→α初 ， T2：L→共晶（α+β）， T2~T3：析出次晶，可忽略不计。
线条
α和β的液相线： AE和BE线 α和β的固相线： AC和BD 共晶线CED：三相平衡LE→αC＋βD， 自由度为零，温度和相成分都恒定 不变 固溶度线CF和DG：α和β固溶体的 溶解度随温度的降低而减少
Ag-Cu共晶相图
23.09.2020
.
2
相区
单相区：自由度ƒ=2 两相区：两相平衡，ƒ=1，温度和两相的成分固定一个参数，其它两
2.一个二元共晶反应如下：
L W B 0 .75 W B 0 .15 W B 0 .95
求（1）WB=0.50的合金凝固后，α初与（α+β）共晶的相对 量；α相与β相的相对量。
（2）若共晶反应后β初和（α+β）共晶各占一半，问该合金 成分如何：
23.09.2020
.
16
3.3 共晶组织及其形成机理
3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
3.1 相图分析 3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织 3.3 共晶组织及其形成机理 3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
23.09.2020
.
1
3.1共晶相图分析
两组元在固态部分溶解，形成有限的固溶体α和β，具有共晶转变 Ag-Cu、Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Cd-Sn、Au-Pt……
W M M 1 N E % 0 6 9 0 ..9 5 1 7 1 1 .9 9 1% 0 5 0 .6 % 4
23.09.2020
.
13
III合金：亚共晶， Pb－50％Sn，
β II
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组织：α＋共晶＋βII
.
α+β
α
500x
14
VI合金：过共晶合金（ Pb－70％Sn ）
的合金称为过共晶合金
23.09.2020
.
4
x1合金凝固过程（固溶体合金）
T1~T2：L→α 初，
T2~T3：（ α 初）
T3：α初→βⅡ ， 晶界、 缺陷处
T3~T4:α和β分别沿CF 和DG变化。
23.09.2020
最终组织为α初和βⅡ
含量：
α初=4G/FG×100%
βⅡ =F4/FG×100%
.
10
共晶合金的性能
（1）有良好的流动性，能很好地填充铸模 （2）合金系中共晶的熔点最低，简化熔化和铸造工艺，降
低能源消耗和坩埚腐蚀 （3）利用定向凝固使共晶两相获得细而均匀的定向排列，
制造共晶复合材料
利用共晶熔点最低的特性配制各种易熔合金，如焊料、保 险丝材料：铅和锡的共晶熔点为183℃，若制成铅、锡和 铋三元共晶，其熔点降至96℃
工业中最普遍的共晶型合金有铸铁和铝硅系铸造合金，以 及各种焊料合金
23.09.2020
.
11
Pb－Sn共晶系合金平衡凝固
I合金（Pb－10％Sn） 组织：α+βII
23.09.2020
500x
.
12
II合金：全部共晶组织
共晶温度时两相相对含量：
W M E N 1 N % 0 9 9 0 .5 .5 7 7 6 1 .9 1 9 1% 0 4 0 .4 % 5
23.09.2020
初晶α
共晶（α+β）
.
8
x4共晶合金凝固过程及其组织
TE：LE→共晶（αC＋βD） ， TE以下：析出次晶
形核中心
一般铸造的共晶组织
23.09.2020
定向凝固层片状共晶
Ag-Cu共晶： 两相交替排列，组织较细密
.
9
初晶形态:取决于初晶相的固/液界面微观结构
Pb-70Sn的显微组织，500x
.
18
螺旋状(Zn-MgZn2),×500
蛛网状(Al-Si),×100
23.09.2020
骨骼状(Al-Ge),×500
Fe－C（石墨）共晶中的石墨晶体 a.-电子扫描照片，显示石墨晶体互连；b-金相照片 19
共晶组织形态与固/液界面结构有关，按共晶两相 的固/液界面特性分成三类：
（1）粗糙-粗糙界面（即金属-金属型）共晶 （2）粗糙-平滑界面（即金属-非金属型）共晶 （3）平滑-平滑界面（非金属-非金属型）共晶
相含量：？ .
P点：T3时βⅡ成分
5
x2合金凝固过程（过共晶合金）
T1:L→β初， T2共晶反应： LE→αC＋βD ，全部液体凝固完毕
凝固完毕后的组织为： β初晶＋共晶， β初晶＝E2/ED×100% 共晶＝2D/ED×100%
相组成物的百分量： α ＝2D/CD×100% β ＝C2/CD×100%
共晶组织的基本特征：两相交替排列 两相的形态多种多样：层片状、棒状（或带状）、纤维状
（或点状）、针状、螺旋状、蛛网状及骨骼状（枝状）等
层片状(cd-Sn),×250
棒状
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共晶组织形态
纤维状(Al-Ni)(横截面),×150
针状(Al-Si),×100
23.09.2020
过共过晶共Pb晶-SPbb的-S显b的微显组微织组织
1．粗糙界面： 一般呈树枝状，显微组织中表现 为各分枝的截面，呈不连续不规则的椭圆形，试 样表面恰好通过枝晶主轴时，显示出完整的枝晶 形貌，Ag-Cu合金α和β初晶皆呈树枝状
2．光滑界面：一般呈规则 的多边形，如方块、三角形， 针状或条状等
23.09.2020