7.3 二元相图分析(1)

第七章 二元系相图及其合金凝固
7.3.2 共晶相图及合金凝固
组成共晶相图（the eutectic phase diagram）的两组元的相互作用的特 点是:液态下两组元能无限互溶，固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化 合物)，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变(the eutectic reaction)。 共晶转变是在一定条件下(温度、成分不变)，由均匀液体中同时结晶出两 种不同固相的转变。即：L→α+β 具有共晶转变的相图称为共晶相图。 所得到两固相的混合物称为共晶组织(eutectic structure)，其特点是两 相交替细弥混合，其形态与合金的特性及冷却速度有关，通常呈片层状。
过共晶合金的平衡结晶的显微组织
第七章 二元系相图及其合金凝固
共晶系合金的平衡凝固小结
• 共晶系合金的平衡凝固分为两类：固溶体合金和共晶型合金。前者的结 晶的组织为初生固溶体和次生组织；后者的结晶的组织为初生固溶体、共晶 体和次生组织。在室温时合金是由α和β两个基本相构成。 • 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，如上 述组织中α、αⅡ、β、βⅡ、(α +β)都是组织组成物。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，上述各 类合金在室温的相组成物都是α相和β相。 • 不同成分范围的合金，室温的相组成除固溶体区外其余都是α+β，而 组织组成不相同 。图中6个组织区分别为： Ⅰ区：α单相组织； Ⅱ区： α+βⅡ ；Ⅲ区：α+βⅡ+(α+β) 共 ；Ⅳ区：(α+β) 共 ；Ⅴ区：β+αⅡ+ (α+β)共；Ⅵ区：β+αⅡ
Pb－Sn共晶合金（Ⅱ）的平衡结晶的显微组织
第七章 二元系相图及其合金凝固
（3）亚共晶合金的平衡结晶 • 冷却曲线： • 其组织变化示意图： • 结 晶 和 组 织 转 变 过 程 ： L→L+α→L+α+(α+β) 共 → α+ (α+β)共→α+βⅡ+(α+β)共 匀晶反应＋共晶反应＋脱溶转变 室温组织：α+βⅡ+(α+β)共
第七章 二元系相图及其合金凝固
3.共晶系合金的非平衡凝固
(1) 伪共晶(链接) 伪共晶(pseudo-eutectic)：由于快速冷却，非共晶成分合金所 得到的共晶组织。 原因：不平衡结晶；合金成分位于共晶点附近。 不平衡组织：由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织；共 晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。(伪共晶区偏移)
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7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固
由液相直接结晶出单相固溶体（solid solution），的过程 称为匀晶相变。 匀晶相图： 匀晶相图的特点：两组元在液态和固态都能无限相互溶解。 当两个金属组元之间形成无限固溶体时，其条件为：两者的 晶体结构相同，原子尺寸接近，△r<15%，两者具有相同的原子 价的电负性。
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第七章 二元系相图及其合金凝固
固溶体的凝固过程也是一个形核和长大的过程。 固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点： ⑴.固溶体合金凝固时结晶出来的 固相成分与原液相成分不同。固溶体 凝固为异分结晶(选择结晶)；纯金属 凝固结晶为同分结晶 ⑵.固溶体凝固需要一定的温度范 围，即为一个变温结晶过程。固溶体 结晶过程中的自由度数为1，在此温度 范围内，只能结晶出一定数量的固相。 固溶体平衡凝固过程分为三个过 程：①液相内的扩散过程。②固相的 继续长大。③固相内的扩散过程。
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端部固溶体合金室温组织：α+βⅡ • 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%
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第七章 二元系相图及其合金凝固
第七章 二元系相图及其合金凝固
1.匀晶相图的分析
两点：端点分别为纯Cu、Ni的熔点。 两线：相图由一条液相线和一条固相线组成。 三区：液相区(用L表示)、固溶体区(用α表示)、结 晶区间 (用L+α表示)。当系统处于两相平衡时f=1。
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有些合金的匀晶相图还 有极点： • 在Au-Cu、Fe-Co、Ti-Zr 合金的相图上有极小点； • 在Pb-Tl、Al-Mn合金的相 图上有极大点。 • 在分析此类匀晶相图时， 把极小点和极大点的合金看 作一个组元，该点的合金结 晶是在恒温下进行的。
(2) 共晶合金的平衡结晶 • 该合金发生共晶反应： LE→ αM +βN, 恒温进行，形成共 晶体(α+β)。两个相的相对量：αM=EN/MN βN= ME/MN • 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
第七章 二元系相图及其合金凝固 • • 室温组织：(α+β)共 。 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 则求出 。 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) Wβ= (0.619-0.02)/(1.0-0.02)
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3. 固溶体的不平衡结晶(链接)
非平衡凝固(结晶) （non-equilibrium solidification）: 不平衡组织（non－equilibrium microstructure）: 原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。
对非平衡凝固结论如下： • (1) 固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同， 有一定的偏离，其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大， 其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于 平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。 • (2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分 含有较多的低熔点组元(Cu)。 • (3) 非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时 的终止温度。结晶的温度范围增大。
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几种伪共晶区的形式
第七章 二元系相图及其合金凝固
（2）不平衡共晶 ① 不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应 而形成的组织。 ②原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附近。
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（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 （divorced eutectic）。 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。 ③ 消除：扩散退火。
2.共晶系合金的平衡凝固
根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为了四类：端部 固溶体合金、亚共晶合金（hypoeutectic alloys）、过共晶 合 金 （ hypereutectic alloys）、 共 晶 合 金 （ eutectic alloy）。
第七章 二元系相图及其合金凝固
(1) 端部固溶体合金（WSn<19%) • 冷却曲线： • 结晶和组织转变过程：L→L+ αⅠ→αⅠ→αⅠ+βⅡ • 匀晶反应＋脱溶转变
第七章 二元系相图及其合金凝固 在共晶转变之前，从液态中先结晶出α相。先结晶出的相叫先共晶相 （pro-eutectic phase）。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出 室温组织中α 、β的相对量，先共晶α相和共晶(α +β)共的相对量都 可通过杠杆法则求出 。 组织组成和相组成的计算: 共晶反应结束时,组织组成: Wα1=(61.9-50)/(61.9-19) W(α +β)共=(50-19)/(61.9-19) 共晶反应结束时, α、β的相对量： Wα2=(97.5-50)/(97.5-19) Wβ=(50-19)/(97.5-19) 室温时,组织组成: Wα3= (100-19)/(100-2)×Wα1 WβⅡ=(50-19)/(100-2)×Wα1 W(α +β)共=(50-19)/(61.9-19) 室温时, α、β的相对量： Wα4=(100-50)/(100-2) Wβ=(50-2)/(100-2)
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7.3 二元相图分析
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主要讨论
• • • • • • • 匀晶相图及固溶体凝固 共晶相图及其合金凝固 包晶相图及其合金凝固 其他类型的二元相图 复杂二元相图的分析方法 根据相图推测合金的性能 二元合金相图分析实例 Fe—C合金的组织和性能 Al2O3—SiO2系的组织性能 Cu—Zn合金 Cu—Sn合金
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2.固溶体的平衡凝固
• • • • • • 平衡凝固（equilibrium solidification）： 平衡组织（equilibrium microstructure）： Cu—Ni合金冷却曲线（cooling curve）：温度－时间曲线 结晶过程：L→L+α→α Cu—Ni合金平衡结晶时的组织变化示意图： 成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。
共晶体的结构
第七章 二元系相图及其合金凝固
共晶相图的建立
第七章 二元系相图及其合金凝固
1.共晶相图分析
• • • 相图中的三个基本相：液相（L）、固相α和β 点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点(eutectic point) 相图中有相线：液相线（AEB）、固相线（AMNB）和共晶转变线（MEN）。 MF和NG则代表两固溶体α和β的溶解度曲线。共晶转变线是一条水平线，是 L、α和β三相共存的温度和各相的成分。成分为E的液相在该温度下发生共 晶反应(eutectic reaction)： LE→ αM +βN • 根据相律，三相平衡时有f=0。因此三个平衡相的成分及反应温度都是确 定的，在冷却曲线中出现一个平台。
第七章 二元系相图及其合金凝固
室温组织：α+βⅡ+(α+β)共
亚共晶合金的平衡结晶的显微组织
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(4) 过共晶合金的平衡凝固
• • • • • • 过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似，只是 初生相(先共晶相)为β固溶体而不是α固溶体。 类合金的冷却曲线类似于亚共晶合金 其结晶过程组织变化类似于亚共晶合金. 结晶过程：L→L+β→L+β+(α+β)共→β+(α+β)共→β+αⅡ +(α+β)共 匀晶反应＋共晶反应＋脱溶转变 室温组织：β+αⅡ+(α+β)共
第七章 二元系相图及其合金凝固
枝晶偏析对合金的力学性能影响较大。枝晶偏析程度大小与 铸造时冷却条件、原子的扩散能力，相图形状有密切关系: • (1)冷却速度：在其它条件不变时，V冷越大，晶内偏析程 度严重，但得到枝晶较小。如果冷速极大，致使偏析来不及发 生，反而又能够得到成分均匀的铸态组织。 • (2)合金的结晶范围：偏析元素在固溶体中扩散能力越小， 相图上液、固相线间距离的间隔愈大，形成树枝晶状偏析的倾 向愈大。 • 要 消 除 枝 晶 偏 析 采 用 均 匀 化 退 火 ( 扩 散 退 火 diffusion annealing)
• • 共晶温度： 共 晶 点 或 共 晶 成 分 (eutectic composition)： • 相图中相区：3个单相区为L相区、 α相区和β相区；3个双相区为 L+α相区、L+β相区、α+β相区； 1 个 三 相 共 存 区 ， MEN 线 ， 为 L+α+β
第七章 二元系相图及其合金凝固
第七章 二元系相图及其合金凝固
•
固溶体非平衡结晶时，一个晶粒内部化学成分不均匀，称为 晶内偏析。先结晶的晶粒与后结晶晶粒的成分是不同的，这种 成分的不均匀称为晶间偏析。 • 由于固溶体一般都以枝晶状方式结晶，先结晶的枝晶轴（干） 含有高熔点组元多，而后结晶的分枝枝晶间含有低熔点的组元 多，导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同。在一个枝晶 范 围 内 成 分 不 均 匀 的 现 象 称 为 枝 晶 偏 析 （ dendritic segregation）。