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1、4.3 二元共晶相图二元共晶相图大多数二元合金在固态并不能完全相熔，大多数二元合金在固态并不能完全相熔，只能部分互熔，形成有限固熔体，并具有只能部分互熔，形成有限固熔体，并具有共晶转变特性。如：共晶转变特性。如：Pb-Sn; Al-Si; Al-Cu; Mg-Si; Al-Mg等合金。等合金。4.3.1 相图分析：一般的二元相图中有三个相图分析：一般的二元相图中有三个基本相：液相基本相：液相L；固相；固相和固相和固相。相为成相为成分分B熔于成分熔于成分A中形成的固熔体；中形成的固熔体；相为成相为成分分A熔入成分熔入成分B中形成的固熔体中形成的固熔体。我们以我们以Pb-Sn相图为例讨论二元相图。
2、相图为例讨论二元相图。图中有三个单相区：图中有三个单相区：L；。三个两相区：。三个两相区：L+；L+；+。一个三相区。一个三相区(线段线段MEN)：L+。共晶转变指具有共晶转变指具有E点成分的液相，当冷却至点成分的液相，当冷却至温度温度tE时，将同时结晶出两个成分不同的固时，将同时结晶出两个成分不同的固相：相：M点成分的点成分的相和相和N点成分的点成分的相。其相。其共共晶反应式为：晶反应式为：LE tE M+N 发生共晶转变的温度称为发生共晶转变的温度称为共晶温度共晶温度。凡成分在凡成分在MN范围之内的合金，冷却到温度范围之内的合金，冷却到温度tE时都会发生共晶反应时都会发生共晶反应，称，称M
3、N线为线为共晶线共晶线。E点称为点称为共晶点共晶点或或共晶成分共晶成分。Pb-Sn合金的合金的二元共二元共晶组织晶组织显微像显微像片片共晶反应的产物是两个固相的共晶反应的产物是两个固相的混合物混合物，称，称为为共晶体共晶体或或共晶组织共晶组织。成分对应于共晶点的合金叫成分对应于共晶点的合金叫共晶合金共晶合金；B成成分低于分低于E的合金叫的合金叫亚共晶合金亚共晶合金；B成分高于成分高于E的合金叫的合金叫过共晶合金过共晶合金；成分位于成分位于M点以左点以左和和N点以右的合金叫点以右的合金叫端部固熔体合金端部固熔体合金。相图中的相图中的M点和点和N点分别表示点分别表示相和相和相的相的最最大溶解度极限
4、大溶解度极限。随着温度的降低，随着温度的降低，相和相和相的溶解度将分别沿着曲线相的溶解度将分别沿着曲线MF和和NG变化，变化，故称此两条线为故称此两条线为固熔线固熔线。4.3.2 共晶系合金的平衡凝固组织共晶系合金的平衡凝固组织按相变特点和组织特征，共晶系合金的平按相变特点和组织特征，共晶系合金的平衡凝固组织分为：端部固熔体，亚共晶合衡凝固组织分为：端部固熔体，亚共晶合金，共晶合金和过共晶合金四类。金，共晶合金和过共晶合金四类。4.3.2.1 端部固熔体合金端部固熔体合金：以：以Pb-Sn合金合金(wC=0.1)为例。先画出该合金的冷却曲线。为例。先画出该合金的冷却曲线。从降温过程可以看出：在
5、温度从降温过程可以看出：在温度t1时开始结晶时开始结晶出出固熔体；在固熔体；在t2时结晶完毕，为单相固熔时结晶完毕，为单相固熔体晶粒；在体晶粒；在t2到到t3之间无相变，也无组织变之间无相变，也无组织变化。化。冷却到冷却到t3遇到固熔线以后，遇到固熔线以后，Sn在在中的熔解中的熔解度将不断减少，多余的度将不断减少，多余的Sn就以就以固熔体的形固熔体的形式从式从中析出。在从中析出。在从t3冷至冷至t4时，时，和和相的相的平均成分分别沿着平均成分分别沿着MF线和线和NG线变化。这种线变化。这种由过饱和固熔体分离出另一种相的过程称由过饱和固熔体分离出另一种相的过程称为为脱熔转变脱熔转变。脱熔相一般称
6、为。脱熔相一般称为次生相次生相，本，本例的次生相为例的次生相为相，用相，用表示。表示。本例合金的室温组织为本例合金的室温组织为+。 一般分布一般分布在原在原相晶粒的晶界上，有时也在晶内析出。相晶粒的晶界上，有时也在晶内析出。次生相从固相中析出，相界圆滑，呈小颗次生相从固相中析出，相界圆滑，呈小颗粒状粒状(见图见图4-20)。第二相的出现会影响合金性能。第二相的出现会影响合金性能。若第二相若第二相硬度较高并呈弥散状分布，则会使合金强硬度较高并呈弥散状分布，则会使合金强化；若第二相沿晶界呈网状分布则会降低化；若第二相沿晶界呈网状分布则会降低合金塑性合金塑性。第二相的形态和分布可通过热处理控制。第二
7、相的形态和分布可通过热处理控制。4.3.2.2 共晶合金共晶合金(wSn=0.619)：该成分合金：该成分合金从熔体冷却到共晶温度时，发生共晶转变：从熔体冷却到共晶温度时，发生共晶转变：L0.619 183C 0.19+0.975 熔体全部凝固成共晶组织，也称共晶体，熔体全部凝固成共晶组织，也称共晶体，用用(+)共共表示。表示。共晶体中两个相的相对含量可由杠杆定律共晶体中两个相的相对含量可由杠杆定律计算计算：M=EN/MN100%=45.4%N=ME/MN100%=54.6%共晶转变完成后继续冷却时，共晶体中的共晶转变完成后继续冷却时，共晶体中的与与相都要发生脱熔转变，分别析出相都要发生脱熔转
8、变，分别析出 和和。由于共晶体中的次生相常依附于共晶体中由于共晶体中的次生相常依附于共晶体中的同类相析出，所以在显微镜下难以识别的同类相析出，所以在显微镜下难以识别。Pb-Sn二元共晶合金在室温下二元共晶合金在室温下的组织见图的组织见图4-18，黑，黑色部分为色部分为相，白色相，白色部分为部分为相，两相呈相，两相呈片状交替分布。片状交替分布。4.3.2.3 亚共晶合金亚共晶合金(wSn=0.5)：成分位于：成分位于ME之间的之间的Pb-Sn合金都属于亚共晶合金。合金都属于亚共晶合金。凝固过程和组织都极为相似。凝固过程和组织都极为相似。当合金从液态冷却到当合金从液态冷却到t1时，结晶出时，结晶出
9、相，随相，随温度降低，温度降低，相增多，相增多，L和和的成分分别沿的成分分别沿tAE和和tAM线变化。降温至线变化。降温至t2时，时，相的成分相的成分变至变至M点，点，L相的成分变至相的成分变至E点。此时点。此时剩余剩余的液相发生共晶转变的液相发生共晶转变，并在冷却曲线上形，并在冷却曲线上形成平台，直至液相全部消失为止。成平台，直至液相全部消失为止。凝固后的组织为凝固后的组织为初初+(+)共共(初指从液相中初指从液相中直接结晶出来的固熔体直接结晶出来的固熔体)。继续冷却，继续冷却，和和相都要发生脱熔转变。相都要发生脱熔转变。室室温下合金组织为温下合金组织为初初+(+)共共。这里的这里的共共晶体
10、中析出的次生相在显微镜下不能分辨晶体中析出的次生相在显微镜下不能分辨。该合金的显微组织如图该合金的显微组织如图4-22所示。图中黑所示。图中黑色树枝晶为初生色树枝晶为初生固熔体，由于直接从液体固熔体，由于直接从液体中结晶，故比较粗大；分布在树枝间隙中中结晶，故比较粗大；分布在树枝间隙中黑白相间的组织为黑白相间的组织为(+)共晶体。从相图上共晶体。从相图上看，看，该合金室温下仍处于该合金室温下仍处于+两相区内，是两相区内，是由由和和两个相所组成两个相所组成。 图图4-22 黑色树枝晶为初生黑色树枝晶为初生固熔体，由于直固熔体，由于直接从液体中结晶，故比较粗大；分布在树枝间接从液体中结晶，故比较粗
11、大；分布在树枝间隙中黑白相间的组织为隙中黑白相间的组织为(+)共晶体共晶体分析显微组织的时候要注意区别组织组成分析显微组织的时候要注意区别组织组成物和相组成物。物和相组成物。组织组成物组织组成物是在结晶过程中形成的，有清是在结晶过程中形成的，有清晰轮廓的独立部分晰轮廓的独立部分。如。如初初，(+)共共等都是组织组成物；等都是组织组成物；相组成物相组成物是指组成显微组织的基本相，有是指组成显微组织的基本相，有确定的成分及结构，但没有形态的概念确定的成分及结构，但没有形态的概念。如合金中的如合金中的相和相和相等等。相等等。合金中组织组成物的相对量可以合金中组织组成物的相对量可以根据相平衡概念，根据
12、相平衡概念，利用杠杆定律间接计算利用杠杆定律间接计算。以室温下。以室温下Sn-Pb合金为合金为例例(wSn=0.5)：(+)共共=Mt2/ME100%=72.26%此式为此式为t2温度温度(183C)时的值，忽略次生相的影响，时的值，忽略次生相的影响，可近似看成是室温下的值可近似看成是室温下的值。=(t2E/ME)(FM/FG)100%=4.78%t2E/ME为未析为未析出出 (183C) 时的时的初初在整个合金中在整个合金中的相对量的相对量。FM/FG是室温下是室温下在整个在整个初初(183C)中的相对量。中的相对量。初初=(t2E/ME)100%- =22.87%4.2.3.4 过共晶合金
13、过共晶合金(wSn=0.7)：过共晶合金：过共晶合金也是先析出初晶，再结晶出共晶，最后脱也是先析出初晶，再结晶出共晶，最后脱熔转变。熔转变。过共晶合金的室温组织为过共晶合金的室温组织为初初+(+)共共，如图，如图4-24所示。图中所示。图中初初呈白色椭圆形，有树枝晶特点；呈白色椭圆形，有树枝晶特点；数量很少，数量很少，呈黑色点状；呈黑色点状；(+)共共黑白黑白相间，分布于相间，分布于初初之间。之间。共晶系合金平衡凝固可得到固熔体和共晶共晶系合金平衡凝固可得到固熔体和共晶型两种合金。型两种合金。固熔体合金凝固过程主要为固熔体合金凝固过程主要为匀晶转变匀晶转变+脱熔脱熔转变转变，室温组织为，室温组
14、织为初生固熔体初生固熔体+次生组织次生组织。位于位于MEN线范围内的合金都属于共晶型合线范围内的合金都属于共晶型合金。凝固时都有共晶转变发生，形成共晶金。凝固时都有共晶转变发生，形成共晶体。体。亚共晶和过共晶合金在共晶转变前都有亚共晶和过共晶合金在共晶转变前都有先先共晶初生相共晶初生相(初晶初晶)生成生成。4.3.3 共晶组织及形成机理共晶组织及形成机理共晶组织的基本特征是两相交替排列。呈共晶组织的基本特征是两相交替排列。呈片状，针状，螺旋状和球状片状，针状，螺旋状和球状等。把共晶体等。把共晶体的形貌和两相的融化熵结合分析，可将共的形貌和两相的融化熵结合分析，可将共晶组织分为三类：粗糙晶组织分
15、为三类：粗糙-粗糙界面粗糙界面(金属金属-金金属型属型)共晶；粗糙共晶；粗糙-平滑界面平滑界面(金属金属-非金属型非金属型)共晶；平滑共晶；平滑-平滑界面平滑界面(非金属非金属-非金属型非金属型)共共晶。晶。4.3.3.1 粗糙粗糙-粗糙界面共晶粗糙界面共晶：包括金属：包括金属-金金属和金属属和金属-金属间化合物共晶。往往呈金属间化合物共晶。往往呈简单简单规则规则(层片状，球状层片状，球状)的组织形态。的组织形态。共晶体形核也需要一共晶体形核也需要一定的过冷度。设液相定的过冷度。设液相过冷到过冷到t2，和和相同相同时饱和，但时饱和，但通常总有通常总有一相先析出，称为一相先析出，称为领领先相先相
16、。假设领先相为假设领先相为，则，则的成分为的成分为h，由于，由于h中中含含B组元少于原液相组元少于原液相L中中B组元的含量组元的含量(whwe)，因此形成，因此形成h时会排出时会排出B组元，使界组元，使界面附近液相中的面附近液相中的B组元增加，变为组元增加，变为Lk，这样，这样便增大了便增大了相的过饱和度，于是促进相的过饱和度，于是促进相在相在相表面上非均匀形核并长大。相表面上非均匀形核并长大。相的成分为相的成分为wi，而，而相界面处液体中的成相界面处液体中的成分变为含分变为含A组元更高的组元更高的wj。含。含A组元较高的组元较高的Lj又有利于析出又有利于析出相，因此相，因此相又在相又在相表面
17、相表面上非均匀形核并长大。上非均匀形核并长大。上述过程互相促进，上述过程互相促进，交替非均匀形核交替非均匀形核生长生长，结果便形成了结果便形成了和和相间排列的共晶体。相间排列的共晶体。只有两相同时存在，共同生长的过程才叫只有两相同时存在，共同生长的过程才叫共晶凝固共晶凝固。共晶凝固所构成的区域叫。共晶凝固所构成的区域叫共晶共晶晶团晶团或或共晶晶区共晶晶区。共晶组织的粗细用其相邻两相单片厚度之共晶组织的粗细用其相邻两相单片厚度之和表示和表示，称为，称为片层厚度片层厚度(=d+d)。片层厚度片层厚度与成长速率与成长速率R的平方成反比的平方成反比：=kR-1/2 (4-14)成长速率成长速率R取决于
18、液固界面处的过冷度。过取决于液固界面处的过冷度。过冷度越大，晶体生长速率越大，共晶体片冷度越大，晶体生长速率越大，共晶体片层越薄。层越薄。共晶体究竟呈片状还是呈棒状生长，主要共晶体究竟呈片状还是呈棒状生长，主要取决于两个因素：两相的取决于两个因素：两相的体积分数体积分数和界面和界面的的比界面能比界面能。热力学推导结果为：热力学推导结果为：其中一相的体积分数其中一相的体积分数小于小于30%时棒状组织界面能较低，利于形时棒状组织界面能较低，利于形成棒状组织；一个相的体积分数在成棒状组织；一个相的体积分数在3050%时，有利于形成片状组织。时，有利于形成片状组织。当共晶体中两相之间的比界面能较低时，
19、当共晶体中两相之间的比界面能较低时，尽管一组成相的体积分数小于尽管一组成相的体积分数小于30%，仍有，仍有可能形成片状共晶体可能形成片状共晶体。4.3.3.2 粗糙粗糙-平滑界面平滑界面(金属金属-非金属型非金属型)共晶：共晶：这类共晶的组织形状不规则。其主要原因这类共晶的组织形状不规则。其主要原因是是由于非金属相晶体结构上的特性不同，由于非金属相晶体结构上的特性不同，具有较高的融化熵和长大时明显的各向异具有较高的融化熵和长大时明显的各向异性性。如如Al-Si系共晶的系共晶的两相参差不齐，两相参差不齐，Si相成长时各向相成长时各向异性，产生分枝。异性，产生分枝。4.3.3.3 平滑平滑-平滑界
20、面平滑界面(非金属非金属-非金属型非金属型)共共晶：这类共晶体中的两相都是平滑界面。晶：这类共晶体中的两相都是平滑界面。因为这类材料目前应用较少，研究也就很因为这类材料目前应用较少，研究也就很少。有人认为其显微组织很不规则。少。有人认为其显微组织很不规则。4.3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织共晶系合金的非平衡凝固和组织实际生产中的冷却速度较快。合金凝固时实际生产中的冷却速度较快。合金凝固时的的原子扩散不充分原子扩散不充分，导致凝固过程和显微，导致凝固过程和显微组织偏离平衡状态。组织偏离平衡状态。4.3.4.1 伪共晶组织：在不平衡凝固时，伪共晶组织：在不平衡凝固时，成成分在共晶点附近的合金
21、分在共晶点附近的合金也可能获得全部共也可能获得全部共晶组织，这类共晶组织称为晶组织，这类共晶组织称为伪共晶伪共晶组织。组织。伪共晶的形成：见图，位于共晶点附近的伪共晶的形成：见图，位于共晶点附近的I成分合金，如果快冷到成分合金，如果快冷到t1温度时才结晶，温度时才结晶， 则形成则形成初初的过程被抑制。过冷液体既在结的过程被抑制。过冷液体既在结晶出晶出相的液相线以下，也在结晶出相的液相线以下，也在结晶出相的相的液相线之下，液相线之下，因此同时对因此同时对和和饱饱和，发生共转变，和，发生共转变，形成伪共晶。因为形成伪共晶。因为过冷度有限，所以过冷度有限，所以伪共晶区域不大。伪共晶区域不大。伪共晶区
22、不单纯是液相线与过冷温度所围伪共晶区不单纯是液相线与过冷温度所围区域，它的位置与共晶两相的结晶速度有区域，它的位置与共晶两相的结晶速度有关。而结晶速度受相的晶体结构和固液界关。而结晶速度受相的晶体结构和固液界面的形态影响。面的形态影响。一般说来，具有粗糙界面的金属基相，其一般说来，具有粗糙界面的金属基相，其生长速率随过冷度增大而明显提高；具有生长速率随过冷度增大而明显提高；具有平滑界面的非金属相的生长速率随过冷度平滑界面的非金属相的生长速率随过冷度的变化较小，于是的变化较小，于是伪共晶区往往偏向晶体伪共晶区往往偏向晶体结构复杂及具有平滑界面的非金属相一边。结构复杂及具有平滑界面的非金属相一边。
23、伪共晶在相图中的位置对说明合金中出现伪共晶在相图中的位置对说明合金中出现的不平衡组织有一定帮助。如在的不平衡组织有一定帮助。如在Al-Si系中，系中，共晶成分的共晶成分的Al-Si合金在合金在铸造状态铸造状态下的组织下的组织为为初初+(+Si)共共，而不是单纯的共晶体。其，而不是单纯的共晶体。其原因是：原因是：由于伪共晶区偏向由于伪共晶区偏向Si一边，共晶成一边，共晶成分的过冷液体不会落在伪共晶区内，因此分的过冷液体不会落在伪共晶区内，因此先析出先析出相而使液相成分右移进入伪共晶区，相而使液相成分右移进入伪共晶区，再发生共晶转变再发生共晶转变，所以，所以Al-Si共晶合金铸造共晶合金铸造后得到
24、的是亚共晶组织后得到的是亚共晶组织初初+(+Si)共共。4.3.4.2 离异共晶：有些成分远离共晶点的离异共晶：有些成分远离共晶点的亚共晶或过共晶合金，由于初晶量很多，亚共晶或过共晶合金，由于初晶量很多，而共晶体量很少，在共晶转变过程中，而共晶体量很少，在共晶转变过程中，与与初晶相同的那个相如果依附在初晶上生长，初晶相同的那个相如果依附在初晶上生长，而另一相单独析出于初晶晶粒的晶界处，而另一相单独析出于初晶晶粒的晶界处，则共晶组织的特征消失则共晶组织的特征消失。这种两相分离的。这种两相分离的共晶称为共晶称为离异共晶离异共晶。钢中常见的钢中常见的Fe-FeS共晶即为离异共晶。共晶即为离异共晶。图
25、图4-32中的黑色部分即为中的黑色部分即为Cu-Al合金中离异合金中离异共晶体共晶体(+CuAl2)中的中的CuAl2相。相。图图4-32 Cu-Al合金合金(wCu=0.04)的离异共晶组织的离异共晶组织离异共晶是在离异共晶是在初晶量相对很多初晶量相对很多的条件下形的条件下形成的成的。可以在平衡凝固中得到，也可以在。可以在平衡凝固中得到，也可以在非平衡凝固中得到。非平衡凝固中得到。在进行金相分析时，在进行金相分析时，要要特别注意特别注意离异共晶离异共晶的组织形态。不要把枝晶间的共晶体误认的组织形态。不要把枝晶间的共晶体误认为是次生相；或者把端部固熔体合金误认为是次生相；或者把端部固熔体合金误
26、认为是亚共晶合金。为是亚共晶合金。4.4 二元包晶相图二元包晶相图有些合金凝固到一定温度时，已结晶出来有些合金凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的的一定成分的固相与剩余的液相固相与剩余的液相(有确定成有确定成分分)发生反应生成另一种固相发生反应生成另一种固相，这种转变称，这种转变称为为包晶转变包晶转变。二组元在液态无限熔解，固态时有限互熔二组元在液态无限熔解，固态时有限互熔并具有包晶转变的相图称为二元包晶相图。并具有包晶转变的相图称为二元包晶相图。常出现在常出现在Cu-Sn, Cu-Zn, Ag-Sn, Fe-C等合等合晶系中。晶系中。4.4.1 相图分析相图分析(以以Pt-Ag相图为例相
27、图为例)两组元两组元液态无液态无限互熔，限互熔，固态部固态部分互熔，分互熔，有三相有三相平衡包平衡包晶转变。晶转变。与共晶相图相比，包晶相图中各条相变线与共晶相图相比，包晶相图中各条相变线的意义类似，只有水平线的意义类似，只有水平线CDP有差异。有差异。CDP温度以上只有一个固相温度以上只有一个固相，而在，而在CDP线线上，两个固相上，两个固相和和都可以分别与液相平衡都可以分别与液相平衡。凡是位于此线范围的液态合金冷却到此温凡是位于此线范围的液态合金冷却到此温度时，都会发生包晶反应：度时，都会发生包晶反应：LP+C 1186C DCDP线称为线称为包晶线包晶线，P点称为点称为包晶点包晶点。包晶
28、线与共晶线的区别包晶线与共晶线的区别：共晶线为固相线，线上的合金在此温度全共晶线为固相线，线上的合金在此温度全部凝固，其组织为两相混合物；而包晶线部凝固，其组织为两相混合物；而包晶线的的CD段为固相线，段为固相线，DP段为段为非固相线，非固相线，成分成分位于位于CD线内的合金包晶转变后的组织为两线内的合金包晶转变后的组织为两相混合物；而相混合物；而成分位于成分位于DP段的合金包晶转段的合金包晶转变后还有液相存在，它将在继续冷却时凝变后还有液相存在，它将在继续冷却时凝固成单相固成单相。4.4.2 包晶合金的平衡凝固和组织包晶合金的平衡凝固和组织成分在成分在CDP线上的合金都要发生包晶转变线上的合
29、金都要发生包晶转变4.4.2.1 wAg=0.424的的Pt-Ag合金：该合金合金：该合金I从液态从液态冷却到冷却到t1温度时，开始结晶温度时，开始结晶相，继续冷却则相，继续冷却则相相增多，液相相应减少。增多，液相相应减少。降温到降温到1186C时，时，相成分到达相成分到达C点，液相点，液相L成分成分达到达到P点，此时发生包晶反应：点，此时发生包晶反应：LP+C=D反应完后反应完后液相和液相和相全部转变为固熔体相全部转变为固熔体。再冷则。再冷则析出，析出，室温组织为室温组织为+。包晶转变时，包晶转变时，相依附于相依附于相的表面形核，相的表面形核，并消耗并消耗L相和相和相而生长。当相而生长。当相
30、表面形成一相表面形成一层层相时，相时，相的成分为相的成分为C(10.5)，的成分的成分为为D(42.4)，液相的成分为，液相的成分为P(66.3)。这样，。这样，各相界面都存在浓度梯度，于是各相界面都存在浓度梯度，于是Ag原子从原子从液相经液相经相向相向相扩散，而相扩散，而Pt原子从原子从相经相经相向液相扩散。相向液相扩散。扩散造成界面浓度变化，扩散造成界面浓度变化，而浓度变化引发该处熔点改变，界面随之而浓度变化引发该处熔点改变，界面随之移动移动；界面移动又形成浓度梯度；界面移动又形成浓度梯度所以所以相相的长大是相界扩散移动的过程的长大是相界扩散移动的过程。D点点(42.4)成分的成分的Pt-
31、Ag合金，包晶转变开合金，包晶转变开始前液相始前液相L和固相和固相的平衡相对量为：的平衡相对量为：WL=(0.424-0.105)/(0.663-0.105)=57.2%W=(0.663-0.424)/(0.663-0.105)=42.8%两相相对量之比为两相相对量之比为WL/W=1.33。如果包晶。如果包晶转变前两个平衡相的相对量之比不是转变前两个平衡相的相对量之比不是1.33，则包晶转变后要么则包晶转变后要么L相剩余，要么相剩余，要么相剩余。相剩余。4.4.2.2 其他包晶合金的平衡凝固：其他包晶合金的平衡凝固：a. 成分在成分在CD线内的线内的Pt-Ag合金，包晶转变合金，包晶转变后后相
32、有剩，相有剩，室温组织室温组织+ 。b. 成分在成分在DP线内的线内的Pt-Ag合金，包晶转变合金，包晶转变后有后有L相剩余，随温度降低将结晶出相剩余，随温度降低将结晶出相。相。室温组织为室温组织为+。4.6 二元相图的分析方法二元相图的分析方法有些二元相图很复杂，但都是由各类基本有些二元相图很复杂，但都是由各类基本相图组合而成的。相图组合而成的。只要掌握了基本相图的只要掌握了基本相图的特点和规律，就能化繁为简特点和规律，就能化繁为简，对任何复杂，对任何复杂相图进行分析和应用。相图进行分析和应用。4.6.1 复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法1 找出组元找出组元(稳定化合物视为组元稳
33、定化合物视为组元)，把相图，把相图分区。分区。2 确定单相区确定单相区(具有独立结构和性质的相的具有独立结构和性质的相的成分和温度范围成分和温度范围)。3 根据根据邻区原则邻区原则(含有含有P个相的相区的邻区，个相的相区的邻区，只能含有只能含有P1个相个相)确定两相区。确定两相区。4 找出所有三相水平线，根据与水平线相连找出所有三相水平线，根据与水平线相连的三个单相区类别和分布特点，确定三相的三个单相区类别和分布特点，确定三相平衡的类型。平衡的类型。4.6.2 二元相图分析实例二元相图分析实例铁碳系是碳钢，低合金钢和铸铁的基础。铁碳系是碳钢，低合金钢和铸铁的基础。该相图包括了包晶，共晶和共析三
34、种转变。该相图包括了包晶，共晶和共析三种转变。是学习分析二元相图的一个范例是学习分析二元相图的一个范例。4.6.2.1 相图中的相：铁碳相图中的主要部相图中的相：铁碳相图中的主要部分是分是Fe-Fe3C相图。有以下几个固相：相图。有以下几个固相：1 铁素体铁素体：即：即C在在-Fe(体心立方体心立方)中形成的中形成的间隙固熔体，常用间隙固熔体，常用或或F表示表示。C熔于熔于-Fe的八面体间隙，最大固熔度的八面体间隙，最大固熔度(体积分数体积分数)为为0.0218%。C在在-Fe(体心立方体心立方)中形成的间隙固熔体称中形成的间隙固熔体称为为高温铁素体高温铁素体，用，用表示表示。最大固熔度。最大
35、固熔度(质量质量分数分数)为为0.09%。2 奥氏体奥氏体：C熔入熔入-Fe(面心立方面心立方)的八面体的八面体间隙中形成的间隙固熔体，通常用间隙中形成的间隙固熔体，通常用或或A表表示示。最大固熔度。最大固熔度(质量分数质量分数)为为2.11%。铁素体和奥氏体的力学性能相似，都是软铁素体和奥氏体的力学性能相似，都是软而韧。此外，而韧。此外，奥氏体为顺磁相而铁素体为奥氏体为顺磁相而铁素体为铁磁相，但在铁磁相，但在居里点居里点(OM，770C)以上仍以上仍为顺磁相为顺磁相。3 渗碳体渗碳体：Fe3C，一种间隙化合物，一种间隙化合物，正交，正交晶系。点阵常数：晶系。点阵常数：a=4.524, b=5
36、.089 , c=6.743 。其晶体结构比较复杂，。其晶体结构比较复杂，一个晶一个晶胞含胞含12个个Fe原子和原子和4个个C原子原子，将，将相邻相邻6个个Fe原子连成三棱柱，中间包含原子连成三棱柱，中间包含1个个C原子，原子，可以看成是可以看成是Fe3C的结构单元。也可以看成的结构单元。也可以看成是两个共顶四面体是两个共顶四面体(C为共顶原子为共顶原子)。理论熔点理论熔点1227C；A0温度温度(230C)以下具有以下具有铁磁性；性硬而脆，铁磁性；性硬而脆，HB 800；塑性差，；塑性差，延伸率几乎为零。延伸率几乎为零。渗碳体是一种亚稳相，在高温下长时间加渗碳体是一种亚稳相，在高温下长时间加
37、热会发生分解，形成石墨：热会发生分解，形成石墨：Fe3C 3Fe+C(石墨石墨)可见可见铁碳相图具有双重性铁碳相图具有双重性，即一个是，即一个是Fe-Fe3C亚稳系亚稳系相图，另一个是相图，另一个是Fe-C(石墨石墨)稳定稳定系系相图，俩相图各有其实用范围。相图，俩相图各有其实用范围。4.6.2.2 相图中重要的点和线：相图中重要的点和线：Fe-Fe3C相图比较复杂，但相图比较复杂，但以三条转变线为以三条转变线为中心，掌握相关的点和线中心，掌握相关的点和线的意义后便容易的意义后便容易分析了。分析了。(1) 三个主要转变：三个主要转变：1) 包晶转变：包晶转变：HJB为为包晶转变线包晶转变线，其
38、反应，其反应式为式为 LB+H 1495C J凡凡wC在在0.090.53%范围内的合金到此温度范围内的合金到此温度都要发生都要发生包晶转变，生成包晶转变，生成奥氏体奥氏体组织组织。2) 共晶转变：共晶转变：ECF线为线为共晶转变线共晶转变线，其反，其反应式为应式为 LC 1148C E+Fe3C凡凡wC在在2.116.69%范围内的合金到此温度范围内的合金到此温度都要发生都要发生共晶转变，生成共晶转变，生成(+Fe3C),称为称为莱莱氏体氏体，用，用Ld表示，表示，其组织形态见图其组织形态见图4-54。莱氏体冷却到室温后称莱氏体冷却到室温后称低温莱氏体低温莱氏体，用用Ld表示。为表示。为Ld
39、中的中的 在降温到在降温到727C时转变成时转变成珠光体珠光体P，室温组织为，室温组织为P+Fe3C。3) 共析转变：共析转变：PSK线为线为共析转变线共析转变线，其反，其反应为应为 S 727C P+Fe3C凡凡wC在在0.02186.69%范围内的合金到此温范围内的合金到此温度都要发生度都要发生共析转变，生成共析转变，生成(+Fe3C),称为称为珠光体珠光体，用，用P表示表示。其组织形态见图。其组织形态见图4-55。莱氏体组织形态莱氏体组织形态 珠光体组织形态珠光体组织形态*珠光体珠光体珠光体珠光体： perlite铁素体与渗碳体的共析混合物。一般情况下这两铁素体与渗碳体的共析混合物。一般
40、情况下这两相呈片状相间分布，这种组织经抛光与腐蚀后在相呈片状相间分布，这种组织经抛光与腐蚀后在显微镜下观察很象指纹并有珍珠光泽，故称为珠显微镜下观察很象指纹并有珍珠光泽，故称为珠光体。具有相同位向的铁素体和渗碳体组成的一光体。具有相同位向的铁素体和渗碳体组成的一个晶体群称为珠光体团或珠光体晶粒。一般以个晶体群称为珠光体团或珠光体晶粒。一般以P表表示珠光体。根据形成温度和珠光体中铁素体和渗示珠光体。根据形成温度和珠光体中铁素体和渗碳体片的分散度，通常可将珠光体分为三种不同碳体片的分散度，通常可将珠光体分为三种不同的类型：粗大珠光体（其中的渗碳体片的厚度约的类型：粗大珠光体（其中的渗碳体片的厚度约
41、为为500700nm，片间距约为，片间距约为15004500nm，有，有时也简称珠光体）；索氏体；屈氏体。时也简称珠光体）；索氏体；屈氏体。索氏体索氏体索氏体索氏体： sorbite在在650500左右形成的珠光体，其中的渗碳体左右形成的珠光体，其中的渗碳体片的厚度约为片的厚度约为300500nm，片间距约为，片间距约为8001500nm，也称为细珠光体。，也称为细珠光体。屈氏体屈氏体屈氏体屈氏体 ：troostite在在600350左右形成的珠光体，其中的渗碳体左右形成的珠光体，其中的渗碳体片的厚度约为片的厚度约为100300nm，片间距约为，片间距约为300800nm，光学显微镜下难于分辨
42、其片层组织，光学显微镜下难于分辨其片层组织，也称为极细珠光体或托氏体。也称为极细珠光体或托氏体。粒状珠光体粒状珠光体粒状珠光体粒状珠光体： granular perlite为获得良好的切削性能或综合力学性能，可通过为获得良好的切削性能或综合力学性能，可通过适当的热处理使珠光体中的渗碳体的形状变为粒适当的热处理使珠光体中的渗碳体的形状变为粒状或近球形，这样的珠光体被称为粒状珠光体。状或近球形，这样的珠光体被称为粒状珠光体。伪珠光体伪珠光体伪珠光体伪珠光体： pseudo-perlite化学成分在一定程度偏离共析成分的合金，在冷化学成分在一定程度偏离共析成分的合金，在冷却速度较快的条件下，先共析铁素体相变和先共却速度较快的条件下，先共析铁素体相变和先共析渗碳体相变被抑制，而在低于平衡共析转变温析渗碳体相变被抑制，而在低于平衡共析转变温度时发生珠光体相变，所得到的组织的形态与珠度时发生珠光体相变，所得到的组织的形态与珠光体十分类似，称为伪珠光体。光体十分类似，称为伪珠光体。
