第三章 共晶相图及其结晶

(41)
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二 相图与合金 性能之间的关系
（一）机械性能和 物理性能
固溶体强硬度较 纯金属高
共晶成分附近 性能突变
(42)
线性
纯金属导电性较 固溶体高
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(43)
（二）根据相图判断合金的 铸造性能
铸造性能：根据液固相线 之间的距离X
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4 （四） 过共晶合金
(8)
结晶过程：
L
β初
L
α+β
α βⅡ
β
αⅡ
室温组织：
β初+(α+β)共+ α Ⅱ
过共晶成分： E~D 过共晶转变式： βD + (αC +βD)
先共晶相 共晶组织
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4 （五） 合金的组织构成
A
成分在F~G之间的合
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4 一、 相图分析步骤
(40)
• 相图分析步骤 ① 以稳定的化合物分割相图；
② 确定各点、线、区的意义；
③ 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。
注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学 转变线、有序－无序转变线。
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4 （一） 复杂二元相图的分析方法
(2)共晶体中随后析出的二次相多依附于原共 晶体生长，故往往观察不到。
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β
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4 （三） 亚共晶合金
(7)
结晶过程：
L
α初
L
α+β
α βⅡ
β
αⅡ
室温组织：
α初+(α+β)共+β Ⅱ
亚共晶成分： C~E 亚共晶转变式： L → αc + (αC +βD)
先共晶相 共晶体(组织)
总体：
单相固溶体不宜制作铸件而适于承受压力 加工；铸造材料应当选用共晶体尽可能多的合 金
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(45)
塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。
热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金
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第三章 相图 总结
(46)
1. 相、相律（f=c-p+1）、杠杆定律
X越大，成分偏析越严重 （因为液固相成分差别大）；
X越大，流动性越差（因为 枝晶发达）；
X越大，热裂倾向越大（因 为液固两相共存的温区大）。
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(44)
（三） 锻造、压力加工及切削加工性能
单相固溶体的锻造与压力加工性能较佳， 但切削加工性能不好；
合金为两相混合物时，切削加工性能较好， 但锻造与压力加工性能较差。
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(5)
共晶成分
A
Ⅰ
B
C
E
D
F
G
E : 共晶点(包含共晶的成分与温度) 共晶转变式：LE → αC+ βD
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实际转变过程复杂：
(6)
L
A C
Ⅰ
LE
E
B D
αC +
βD
αC→αF+βG
βD→βG+αF
F
G
αF +
βG
注意：
(1) 共晶转变产物(α+β) 多相邻间隔协同长大， 称为共晶体或共晶组织；
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(33)
(2)合晶相图
• 合晶转变：一定温度下，两个液相相互作用形成一个 固相的转变。
反应式：L1+L2
β
图形特点： L1
L2
β
• 相图实例：Na-Zn
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4 三、 具有无序-有序转变相图
2. 二元匀晶相图分析及平衡凝固、非平衡凝固（微 观偏析,宏观偏析），成分过冷及对固溶体生长 形态的影响
3. 二元共晶相图分析及平衡凝固，共晶组织、伪 共晶、离异共晶
4. 二元包晶相图分析及平衡凝固，包晶反应机理。
5. 二元相图类型及分析方法
6. 铁碳相图分析，铁碳合金组织及性能
7、铸锭的组织、偏析
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金均由 α+β相构成；
但不同合金中两相的形
C
成过程与形貌各不相同。
(9)
E
B D
F
G
亚共晶合金： α (α先共晶和α共晶)
+
β
(βⅡ和β共晶)
共晶合金与过共晶合金呢？
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(10)
各成分合金的组织构成
A
B
C
E
D
αⅠ
F
αⅠ+βⅡ
α先共晶+βⅡ
+(α+β)共晶
(α+β)共晶
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4 二、 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图
(26)
具有三相平衡恒温转变的其他二元相图
恒温反应类型：分解型，合成型
（一）分解型恒温转变相图
(1)具有共析转变的相图
• 共析转变：由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。
反应式：γ α+β
γ
图形特点： α
β
• 共析组织：共析转变产物，为两相交替排列的混合物， 比共晶组织细密。 • 相图实例：铁碳相图
(18)
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
Cs k c (1 z / L)k01 00
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第六节 包晶相图及其合金的结晶
(2)各区域的组织 组成物。
(3)合金Ⅰ、Ⅱ的 冷却过程
(4)合金Ⅰ、Ⅱ室 温时组织组成 物的相对质量 表达式。
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第七节 其他类型的二元合金相图
(25)
一、形成化合物的二元相图
• 稳定化合物：有固定的熔点，熔点以下保持固有的结 构而不发生分解。
• 不稳定化合物：加热至一定温度时发生分解。
(19)
• 包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成 分的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。
• 包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具 有包晶转变的相图。
• 图形特点：
L
α
β Lp+αc = βD
一、相图分析
点： 线： 区：
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Hale Waihona Puke Baidu
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4 二、包晶合金的平衡凝固和组织
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铁碳相图
(27)
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(28)
(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
4
(16)
例题4.3.1 按下列数据，作出A-B二元共晶相图。 (1)tA>tB（ tA，tB分别为组元A、B的熔点）
(2)LwB=0.6==αwB=0.10 +β wB=0.95
(3)B在A中的溶解度随温度的下降而减少，温室是为0.03B；A 在B中的溶解度不随温度变化。
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• 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。
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(15)
（二） 离异共晶
• 离异共晶：两相分离 的共晶。
• 条件：成分远离共晶 点，初晶相对量很多。
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(20)
（一） ωAg=0.424的Pt-Ag合金
• 结晶过程： • 包晶转变机理：
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(21)
（二）其他包晶合金的平衡凝固
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4 三、 包晶合金的非平衡凝固和组织
(22)
• 包晶偏析：由于包晶转变不完全性而产生的组织变化 与成分偏析现象。
①相邻相区的相数差1（点接触除外）－相区接触 法则；
②三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相 的成分点。
③若两个三相区中有2个相同的相，则两水平线之 间必是由这两相组成的两相区。
④单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。
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4 共晶、包晶、共析反应图型与反应式比较 (39)
(35)
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4 四、 具有同素异晶转变的相图
(36)
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(37)
例4.5.1 分析WSn=0.2 的合金的平衡结晶
过程，说明室温相
组成物及组织。
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第八节 二元相图的分析和使用
(38)
• 二元相图中的几何规律
G βⅠ+αⅡ
β先共晶+αⅡ +(α+β)共晶
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4 三、 共晶组织及其形成机理
(11)
• 基本特征：两相交替排列 • 分类： 粗糙-粗糙界面（金属-金属型）共晶
粗糙-平滑界面（金属-非金属型）共晶 平滑-平滑界面（非金属-非金属型）共晶
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(31)
Fe-B二元相图
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(32)
（二）合成型恒温转变相图
(1)具有包析转变的相图 • 包析转变：一定温度时，有两个一定成份的固相生成
另一个一定成分的固相的转变。
反应式： β + α γ
图形特点： β
α
γ
• 相图实例：Fe-B，Fe-Sn，U-Si，Al-Cu
• 措施：扩散退火
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例题
(23)
例题1：
一种由 WSiO2=0.90与 WAl2O3=0.10所 组成的物质，从 1800℃以极其缓 慢的速率冷却至 1400 ℃，问在 冷却过程中总共 有哪几种相出现？
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例题
(24)
例题2：
(1)水平线上反应 的性质。
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(29)
Cu-Pb二元相图
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(30)
(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
L
• 相图实例；Fe-B，Fe-S，Cu-Sb
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(13)
第 （二） 粗糙-平滑界面（金属-非金属型）共晶
三 节
• 特点：形态不规则
二 元 共 晶 相 图
（三） 平滑-平滑界面共晶 特点：形态很不规则
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4 四、 共晶系合金的非平衡凝固和组织
(14)
（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。
4
第五节 共晶相图及其合金的结晶 (1)
• 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。 LE==αM+βN
L
• 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 α
β
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。（是两相或多相的机械混合物）
• Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶 相图
4
(12)
（一） 粗糙-粗糙界面（金属-金属型）共晶 • 类型：金属-金属共晶、金属-金属间化合物共晶 • 特点：形态简单规则 • 形成机理：两相交替形核长大
• 片层厚度：相邻两相单片厚度
之和。过冷度大，R大，层片薄。


1
kR 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。
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4 二、 共晶系合金的平衡凝固和组织
(3)
（一） 端部固溶体合金
结晶过程：
L α(匀晶)
α
βⅡ(脱溶)
室温组织：
α +βⅡ
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（二） 共晶合金(ωSn=0.619)
(4)
结晶过程：
L
α+β
α βⅡ
β
αⅡ
室温组织： 共晶体（共晶组 织）：(α+β)共
4
(17)
例题4.3.2 共晶反应如下：
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。
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一、 相图分析
液相线: AEB ； 固相线: ACEDB 固溶体溶解度线：
FC, GD 共晶线：
CED 水平线； 共晶点：E 点
A C
F
(2)
B
E
D
G
相 区： 单相区 ：L、α、β 两相区： L+α、L+β、α+β 三相区： L+α+β
共晶转变式： LE αM + βN
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作
业
• 1、 解释下列名词： 合金 组元 相 组织 • 2、 什么是固溶体？什么是金属间化合物？二者
在结构、性能与应用上各有何不同？
• 3、 什么是固溶强化？该强化方式有何特点？ Mn和C在钢中的强化效果哪个大？为什么？
• 4、为什么铸造合金常选用共晶成分的合金？