共晶相图及其合金的结晶

➢以合金平均成分点为支点 F
Pb
➢以两相成分点为端点
L
L＋
L＋ TS
E
N
＋
G Sn
W FC W CG
W FC W CG
%
对面力臂长 杠杆总长
100%
CG FG
100%
%
对面力臂长 杠杆总长
100%
FC FG
100%
T（℃） TA 10%Sn
1 2
3M
%
100 10 100 2
100%
液相线：
线： TA——E——TS
固相线：
TA—M—E—N—TS
固溶度曲线：
MF、NG
T（℃）
TA
L
L＋
M
183℃
L＋ TS
E
N
＋
F
G
Pb
Sn
共晶点：
E
点：
最大溶解度点：
M、N
2． 相变反应
匀晶反应：
Lᅳ→ Lᅳ→
共晶反应：
L ᅳ →（＋）共
脱溶转变：
ᅳ → II ᅳ → II
T（℃）
TA
L
T（℃） TA
M
L
61.9%Sn
L＋
L＋ TS
E
N
＋
以合金平均成分点为支点
F
G
以两相成分点为端点
Pb
Sn
W MC W CN
%
EN MN
100%
%
ME
100%
MN
97.5 61.9 100% 45.4% 97.5 19
61.9 19 100% 54.6% 97.5 19
3． 亚共晶合金

初 %
61.9 50 50 19 27.7%, （ ） % 72.3% 61.9 19 61.9 19
L L多
匀晶转变
脱溶转变
( )
共晶转变
II ( )
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
（5）组织组成物与组织图
• 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,可以清晰分辨的独立组成部分。
α
19
61.9
β 97.5
97.5 61.9 M % 100% 45.4% 97.5 19
（4）亚共晶合金与过共晶合金
① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
(3)离异共晶
• 当合金中初生固溶体的数量 很多而共晶量很少时，共晶 体中与初生固溶体相同的一 相，往往依附在初生固溶体 上生长，而把另一相推向最 后凝固的晶界处，因此这种 共晶体失去了共晶组织的形
图 可能产生离异共晶示意图

反 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
应
T,C
要
点
L
L+
L+
183 c
d
e
+
Pb f
g Sn
L
X1合金结晶过程分析
T,C
T,C
1
L
2
L
L+
L
L+
L+
183 c
d
e
{
3
f4
Pb X1
+
g
Sn
+ Ⅱ
冷却曲线 t Ⅱ
X1L合金结晶特点
1.没有共晶反应过程，
T,C
而是经过匀晶反应形成
有一个三相共存的水平线dec。在该线上进行包晶反应。
包晶转变： Ld + c e
T,C
L+
c e
L
d L+
T,C
L
L+ L+
+
f
Pt
Ag%
铂-银合金包晶相图
+ Ⅱ
g
Ag
t
4、具有共析反应的相图
自某种均匀一致 的固相中同时析出 两种化学成分和晶 格结构完全不同的 新固相的转变过程 称为共析反应。
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
简化的Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
912℃ A
G 共析相图
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )

定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树 枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异 的现象。
影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性 能都不利。
影响因素：
(1)冷却速度 (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）
解决措施：把合金加热到高温（低于固相线100℃左右，并 进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的 固溶体——扩散退火
具体方法： （1）确定两平衡相的成分（浓度） 做通过某点温度的水平线，与液相线交点即 为L相成分；与固相线交点即为α相成分。 （2）确定两平衡相相对含量
T,C
1500
1400
1300
1200
1100 1000
a
Cu
（2）
QL
X1
X
20 b 40 60
Ni%
1455
c
Qα
（1）
T1
X2
Ni 80 100
凝固过程：
水（液相）
水+冰 （双相）
冰（固相）
铁素体（ F ）白色
Fe3 C
Fe-C合金 中的相— —F+Fe3 C
组织—— 相的形状、分布、组合状态。
双相组织（F+ Fe3 C）
单相组织（F）
合金中两类基本相：
固溶体 —— 合金在固态下由组元间相互溶解而形成 的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中 与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为 溶质。
பைடு நூலகம்
eg. 求某含 Ni的量为 X%铜镍 合金，在 T1温度下 液相的重 量为QL 与 α相的 重量为Q α。
（1）做T1温度的水平线，则其与液相线的交点

1
2
α
β
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶
伪共晶区具有不同的形状（对称或偏移）（下图）。
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 （1）伪共晶
伪共晶区的形状与共晶两相的结晶速度有关。 二相结晶速度接近，同时结晶形成伪共晶组织，伪共晶区具有对称形态； 二相结晶速度相差较大，则结晶较快的相成为先共晶的初生相，使伪共晶区向结晶速度慢的一侧偏移。 二相结晶速度取决于二相成分与液相成分的差异。与液相成分接近的相具有较大的结晶速度，易形成先共晶的初生相。在共晶两相中，低熔点相易先结晶。
2 平衡凝固过程及组织 包晶反应时原子迁移示意图
2 平衡凝固过程及组织 （2）成分在d-p之间合金的结晶 室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。
2
包晶转变前： α相含量: Wα =2b/db > pb/db
3 共晶组织及其形成机理 （2）粗糙－平滑界面： 金属-非金属型 具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理 （2）平滑－平滑界面： 非金属-非金属型 一般认为具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理 （4）初生晶的形态： 金属固溶体：粗糙界面－树枝状； 非金属相：平滑界面－规则多面体。
第五节 二元包晶相图
包晶转变：由已结晶出来的一定成分的固相和剩余液相 （确定成分）反应生成另一个一定成分固相的转变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。 特 点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶， 且发生包晶反应。 包晶组织：包晶转变产物。
M
2
E
剩余液相:WL=M2/ME =(30-19)/(61.9-19)=25.7%
1
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶

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。

(35)
1 2356789
2019/6/7
4 四、 具有同素异晶转变的相图
(36)
1 2356789
2019/6/7
4
(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。
1 2356789
2019/6/7
4
第八节 二元相图的分析和使用
(38)
• 二元相图中的几何规律
(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：
1 2356789
2019/6/7
4 二、包晶合金的平衡凝固和组织
(41)
1 2356789
2019/6/7
4
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
1 2356789
2019/6/7
4
(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
1 2356789
2019/6/7
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
1 2356789

wSn=10%合金的显微组织
H
6
合金Ⅰ的平衡结晶过程示意图
H
7
成分位于F和M之间的合金, 平衡结晶过程均与以上相似, 显微组织为α+ Ⅱ,只是两相相对含量不同.
α、β两相的含量可用杠杆定 律求出,如合金Ⅰ的α、Ⅱ相 的含量分别为：
F4 w FG 100 %
w
4G FG
100 %
H
Pb-Sn合金相图
wM E2E 10% 0661.1.99159010% 027.8% wLM M2E 10% 0651.90119910% 072.2%
H
16
亚共晶合金的显微组织
图中,暗黑色树枝状晶部分 是先共晶α相,其中的白色颗 粒是βⅡ,黑白相间分布的是 共晶组织.
其中, 先共晶相的形态:
如果是固溶体,一般呈树枝状; 如果是亚金属和非金属或化 合物,则一般具有规则外形.
H
12
共晶组织的形态
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。
原因:共晶组织中两个组成相的本质决定了其形态.
H
13
H
14
3 合金Ⅲ的结晶过程(亚共晶合金 19<wSn<61.9% ）
1-2点,匀晶转变,结晶出α固溶体；
温度降到2点,α相和剩余液相成分 分别达到M点和E点,在共晶温度tE发 生共晶转变:
W M 2P E 1E % 0 6 6 0 ..9 9 1 1 1 3 1 9 0% 0 7 0 .4 % 4
W ( ) P 2M M 1 E % 0 6 3 0 .9 1 1 0 1 9 1 9% 0 2 0 .6 % 5
H
23
相组成物α和β相的含 量分别为：

• (4)在两相区内，温度一定时，两相的质量比一定 符合杠杆定律
Q Q
L


bc ab
设合金的质量为Q合金，其中 Ni质量分数为b%，在 T1温度时，L相中的 Ni质量分数为 a%，α相中的Ni质量分数为c%。则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+α相 中含Ni的质量。 所以： 因为： 即： 化简后得 c-b为线段bc的长度；b-a为线段ab的长度 故得
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
共晶体长 大示意图

Pb-Sn共晶组织
• 具有共晶成分的合金称共晶合金。共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于 共晶点以右的 合金称过共晶 合金。

A
L+
C
61.9%
B D
凡具有共晶线 成分的合金液 体冷却到共晶 温度时都将发 生共晶反应。
⑵ 奥氏体: • 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 • 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大， 1148℃时最大为2.11%。

组织为不规则多面体晶 粒，晶界较直。强度低、 塑性好，钢材热加工都 在 区进行。
• ⑶ 渗碳体：即Fe3C， 含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。 • Fe3C硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。
L L+ L+ +
发生包晶反应时三相共存、成分确定、反应在恒温下进行。
• 合金的结晶过程
合金Ⅰ的结晶过程（包晶成分）
组织组成物为β 、 αⅡ，组成相α 、 β
合金Ⅱ的结晶过程
室温组织组成物为 α 、βⅡ 、 β 、 αⅡ 组成相为α 、β
合金Ⅲ 的结晶过程

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