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

TiAl3对α相起非均匀形核作用，α相依附于TiAl3上形核 并长大。由于从液体中结晶出的TiAl3细小而弥散，其非均 匀形核作用的效果很好，细化晶粒作用显著.
4、包晶转变的实际应用
同样，在铜及铜合金中加入少量的 铁与镁。 在镁合金中加入少量的锆或锆的盐 类，均因在包晶转变前形成大量细小的 化合物，起非均匀形核作用，从而具有 良好的细化晶粒效果。
7.3.3 二元包晶相图
包晶相图概述 有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出 来的一定成分的固相与剩余液相(有确定成 分)发生反应生成另一种固相的恒温转变过 程称为包晶转变（peritectic reaction）。 两组元在液态下无限互溶，固态下只能部 分互溶并具有包晶转变的相图称为二元包 晶相图（the peritectic phase diagram）。 具有包晶转变的二元合金有：Cu－Sn、Fe －C、Cu－Zn、Ag－Sn、Ag－Pt 。
两平衡相的重量分别为：
wL
w
DG DC
GC DC
100 %
100 %
DP DC
PC DC
100 % 57 . 3 %
100 % 42 . 7 %
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。
7.3.4

溶混间隙相图与调幅分解
溶混间隙（miscibility gap）是两种液相或 两种固溶体不相混溶的现象。它可以出现在单相 的液相中，也可以出现在单一固溶体区内。 L→L1+L2 α→α1 +α2 转变方式有二种： (1) 形核长大方式，需要克服形核能垒， (2) 没有形核阶段的不稳定分解，称为调幅 分解。
1 L＋ D P 2

42.4
L＋
在0~1点温度范围，合金为液相。 在1点温度，合金开始结晶出固相α。 在1~2点温度范围，合金发生匀晶 转变，L→α。 在略高于2点温度，合金处于液相 和α相的两相平衡，液相的平衡成分 为C点成分，α相的成分为D点成分。
两平衡相的重量分别为：
wL 100 % 100 % 57 .3 % DC 66 .3 10 .5 w 100 % 100 % 42 .7 % DC 66 .3 10 .5 PC 66 .3 42 .4 DP 42 .4 10 .5
如图是Sn-Sb（Sb<20%）合金的平衡组 织。图中的白色块状组织是初生β相，β 相是以Sn-Sb化合物为基的固溶体。 基体组织是α+βⅡ 。
其中，α相呈黑色， 是包晶反应的产物。 βⅡ呈白色的点状， 由α相产生
Sn-Sb轴承合金平衡组织
4、包晶转变的实际应用
(2). 包晶转变的细化晶粒作用
在铝及铝合金中添加少量的钛，可获得显著 的细化晶粒效果。 当含钛量超过0.15% 以后，合金首先从液体 中结晶出初晶TiAl3，然后在665℃发生包晶转 变：L+TiAl3→α。TiAl3对α相起非均匀形核作 用，α相依附于TiAl3上形核并长大。由于从液 体中结晶出的TiAl3细小而弥散，其非均匀形 核作用的效果很好，细化晶粒作用显著。
4、包晶转变的实际应用
这些硬质点一般是金属化合物，所 占的重量为5%~50%。 软的基体使轴承具有良好的磨合性 ，不会因受冲击而开裂。 硬的质点使轴承具有小的摩擦系数 和抗咬合性能。
百度文库 4、包晶转变的实际应用

4、包晶转变的实际应用
这些合金先结晶出硬的化合物β，然 后通过包晶反应形成软的固溶体α，并把 硬的化合物质点包围起来，从而得到在 软的基体上分布着硬的化合物质点的组 织。 在轴运转时，软的基体很快被磨损 而凹下去，贮存润滑油，硬的质点比较 抗磨便凸起来，支承轴所施加的压力， 这样就可保证了理想的磨擦条件和极低 的磨擦系数。 Sn-Sb系轴承合金就属此例。
包晶点(P)合金的平衡凝固
发生包晶反应：LC+αD
反应 结晶过程： L→L+α→β→αⅡ+β 匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变 室温组织：αⅡ+ β
=βP 为恒温
包晶点(P)合金的室温组织

（2） 包晶点(P)以右合金I的平衡凝固
1 L＋ D 1
P 2
42.4
G2 3 4
L＋
在0~1点温度范围，合金为液相。 在1点温度时，合金开始结晶，从 液相中结晶出固相α。 在1~2点温度范围，发生匀晶转变， 合金处于固液两相平衡。 在略高于包晶转变温度时，合金处 于α和液相两相平衡。
1 L＋ D
P 2
42.4
1 L＋ 2 3
1 2
室温组织为：单相组织
（5） 包晶点(P)以左合金I的平衡凝固
1 1 L＋ D
P 2 2 H 42.4
L＋
液态合金冷却到1－2点时，发生匀 晶转变，液相中先结晶出初晶α相。 α相成分沿AD变化，液相成分沿 AC变化。 当温度达到2点时，液相成分相当 于C点成分， α相成分相当于D点成 分，合金处于LC+αD两相平衡状态。
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。
L＋ D P
42.4
L＋
Pt-Ag包晶相图
1. 包晶相图分析
相区： 三个单相区：L相区、α相区和β相区； 三个双相区：L+α相区、L+β相区、α+β相 区； 一个三相区：三相共存于DPC线 L+α+β
线：固相线、液相线、水平线(DPC)为包 晶转变线， 包晶转变线上的合金在该温度下发生包 晶转变： LC+αD =βP
7.3.5. 其他类型的二元相图
1. 2. 3. 4. 5. 具有化合物的二元相图 具有偏晶转变的相图 具有合晶转变的相图 具有熔晶转变的相图 具有固态转变的二元相图
1. 具有化合物的二元相图
在某些二元系中，可形成一个或多个化合物，化合物一 般处于相图的中间位置，又称为中间相（intermediate phase）。根据两组元间形成化合物的稳定性，可分为 稳定化合物和不稳定化合物。 (1). 形成稳定化合物的相图 稳定化合物是指具有固定的熔点，且在熔点以下保持 固有结构而不发生分解的化合物。 相图特征：a.没有溶解度的化合物在相图上表现为一 条垂线，可以把它作为一个独立的组元而把相图分为两 部分，该类化合物成分是固定的。b.有一定的溶解度， 化合物有一定的成分范围 形成稳定化合物的二元相图有：Mg－Si、Cu－Ti、Fe － P 、 Mg － Cu 、 Ag － Sr 、 Na2SiO3 － SiO2 、 BeO － Al2O3、SiO2－MgO
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＋
（6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固
在1~2点温度范围，发生匀晶转变， 合金处于固液两相平衡。
温度达到2点，液相全部转变为相， 此时的组织为 单相组织。
2－3点范围内合金不发生任何组织 转变，仍为单相组织。 当温度达到3点时，由相开始脱溶 出αⅡ相 因此，室温组织为： αⅡ ＋
（4）包晶点(P)以右合金III的平衡凝固

具 有 偏 晶 转 变 的 相 图
3. 具有合晶转变的相图
合晶转变（syntectic reaction）相图 特点：二元组在液态下有限溶解，存 在不熔合线，不熔合线以下的两液相 L1和L2。 其转变：在恒定温度下，两个成分不 同的液相和相互作用形成一个固相的 转变称为合金转变。 即 L1+L2→β 具有偏晶转变的二元系如：Na－Zn

形成稳定化合物的相图

Mg-Si相图
Cd－Sb相图
(2). 形成不稳定化合物的相图 不稳定化合物是指在加热到一定 温度时会发生分解的化合物。 相图特征：化合物线在加热到一 定温度化合物会分解。 包晶反应所形成的中间相均属于 不稳定化合物。它们不能视为独立 组元而把相图划分为简单相图。 例如：K－Na相图
1 L＋ D
P 2
42.4
L＋
另外，在含Ag低于D点的合金，在平衡 冷却条件下不发生包晶转变。 但在非平衡条件下，由于扩散受抑制，初 晶α相出现枝晶偏析，固相线平均成分发生 偏移（如图中的虚线所示）。 这样，在包晶转变温度时，仍有液相存 在，从而发生包晶转变，形成β相。 包晶转变产生的非平衡组织可以通过扩散 退火来消除。
以后，随着温度继续下降，在4点 以下温度范围，从β相中析出次生相 α，β→αⅡ。此时，合金处于α和β两 相平衡，直至室温。 合金在室温处于α和β两相平衡，室 温组织为β+αⅡ。

（3） 包晶点(P)以右合金II的平衡凝固
1 L＋ D
P 2
42.4
1 L＋ 2 3
在0~1点温度范围，合金为液相。 在1点温度时，合金开始结晶，从 液相中结晶出固相。
P点为包晶反应点，在P点成分的合金，
可全部发生包晶反应，由液、固两相 形成β 相单相。 所有的成分在DC范围内的合金在此 温度都将发生三相平衡的包晶转变。 除P点以外，在水平线上其他成分的 合金包晶反应不完全，除生成β 相以 外，P点以右合金有液相过剩，P点以 左合金有α 相过剩。
2.包晶系合金的平衡凝固－（1） 包晶点(P)合金
在2点温度时，合金发生包晶转变， LC+αD→βP，处于三相平衡。
当温度略低于2点时，结晶终了。 液相和固相α全部消失，合金处于单 相β状态。
包晶转变时，β相一般是在α相 上形成一层外壳，把α相包围起来， 与L相隔绝，然后通过原子向两边扩 散，消耗α相和L相而长大。
在低于2点温度，从β相中将析出次 生相α，β→αⅡ。合金处于α和β两相 平衡。随着温度下降，β相成分沿PF 线变化，α相成分沿DE线变化。两平 衡相的重量也随之而变。
两平衡相的重量分别为：
wL w DH DC HC DC 100 % 100 % DP DC PC DC 100 % 42 . 7 % 100 % 57 . 3 %
显然，包晶反应中α相的相对量 超出包晶反应所需比例，包晶反应 后有α相剩余。
因此，包晶转变后，合金处于α和β两相平
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
1 L＋ D
P 2
42.4
L＋
3. 包晶系合金的非平衡凝固
在包晶转变过程中，β相是包围在α 相的外面，通过消耗液相和α相而生长。 在这过程中，液相和α相的原子是不能直 接交换的，而必须通过在β相中的扩散来 传递。 原子在固相中的扩散速度是很慢的， 所以，只有在平衡冷却条件下，也就是 冷却速度很慢的情况下，包晶转变才能 充分进行。
4、包晶转变的实际应用
包晶转变有两个显著特点： 一是包晶转变的形成相依附在初晶 相上形成； 二是包晶转变的不完全性。 根据这两个特点，在工业上可有 下述应用。 (1). 在轴承合金中的应用 (2). 包晶转变的细化晶粒作用
4、包晶转变的实际应用
(1). 在轴承合金中的应用
滑动轴承是一种重要的机器零件。 由于价格昂贵，更换困难，所以希望 轴在工作中所受的磨损最小。 为此，希望轴承材料的组织由具有 足够塑性和韧性的基体及均匀分布的 硬质点所组成。