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1、2、二元共晶相图、二元共晶相图l当两组元在液态当两组元在液态下完全互溶，在下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图时所构成的相图称作称作共晶相图共晶相图。l以以 Pb-Sn 相图为相图为例进行分析例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnl 相图分析相图分析l 相：相：相图中有相图中有L、 、 三种相三种相, 是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶体中的固溶体， 是溶是溶质质Pb在在Sn中的固溶体中的固溶体。l 相区：相区：相图中有相图中有三个三个单相区：单相区： L、 、 ；三三个两相区：个两相区： L+ 、
2、L+ 、 + ；一个三相区：一个三相区：即即水平线水平线CED。ABl 固溶线固溶线: 溶解度溶解度点的连线称点的连线称固溶线固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的中的固溶线。固溶线。l固溶体的溶解度随固溶体的溶解度随温度降低而下降。温度降低而下降。l 液固相线：液固相线：液相线液相线AEB，固相线固相线ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。AB在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或
3、或共晶反应。共晶反应。 l 共晶线：共晶线：水平线水平线CED叫做叫做共晶线共晶线。l在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183 ），），E点成分的合金点成分的合金同时结晶出同时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶固溶体体，形成这两个相的机械混，形成这两个相的机械混 合物：合物：LE ( C + D)ABl共晶反应的产物，即两共晶反应的产物，即两相的机械混合物称相的机械混合物称共晶共晶体体或或共晶组织共晶组织。发生共发生共晶反应的温度称晶反应的温度称共晶温共晶温度。度。代表共晶温度和共代表共晶温度和共晶成分的点称晶成分的点称共晶点。共晶点。Pb-Sn共晶组
4、织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散l具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，。在共晶线上，凡凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共位于共 晶点以右的合晶点以右的合金称金称过共晶合过共晶合金金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+ CDABl 合金的结晶过程合金的结晶过程l共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时，点时， Pb和和Sn同时达
5、到饱和同时达到饱和, 发生共晶反应：发生共晶反应：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn温度, 1l析出过程中析出过程中两相相间两相相间形核、互相促进、共形核、互相促进、共同长大同长大，因而共晶组，因而共晶组织较细，织较细，呈片、棒、呈片、棒、点球等形状点球等形状。共晶组织形态共晶组织形态针针状状共共晶晶树树枝枝状状共共晶晶放放射射状状共共晶晶螺螺旋旋状状共共晶晶l在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、 、 三相共存三相共存, 三个相三个相的量在不断变化，但它们的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。各自成分是固定的。l共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相.共晶转变结束时，共晶转
6、变结束时， 和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)l共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降， 和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，并从共晶线变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中中析析出出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细， 与共晶与共晶 结合，结合， 与共与共晶晶 结合，结合，共晶合金的室温组织仍为共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织l含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结
7、晶过程的结晶过程l在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种直接直接从液相中结晶出的固相称从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。.2l温度降到温度降到3点以下，点以下， 固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶格过饱和，由于晶格不稳，开始析出不稳，开始析出（相变过程也称相变过程也称析出析出）新相新相 相。相。由已有固相析出的新固相称由已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。l形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出, 是固态相变的一种。是固态相变的一种。Hl由于二次由于二次相析出温相析出温度较低，度较低，一般十分一般
8、十分细小。细小。室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化， 的重量增加。的重量增加。l合金室温组织为合金室温组织为 + 。l成分大于成分大于 D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金相似，合金相似，室室温组织为温组织为 + 。ABCDEFGl 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成点，固相成分变化到分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点
9、点, 此时此时两相的相对两相的相对重量为：重量为：l在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应： L ( + ) ，转变为共晶组织，转变为共晶组织，共晶体的重量与转共晶体的重量与转变前的液相重量相等变前的液相重量相等, 即即QE =QLl反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下 、 两相的相对重量百两相的相对重量百分比为：分比为：l温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出 ，从，从共晶共晶 中析出中析出 。其室温其室温组织为组织为 + ( + ) + 。亚共晶合金的亚共晶合金的结晶过程结晶过程l 过共晶合金结晶过程
10、过共晶合金结晶过程l与亚共晶合金相似，不同的与亚共晶合金相似，不同的是一次相为是一次相为 , 二次相为二次相为 l室温组织为室温组织为 +( + )+ 。l 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注l组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和 , 和和 ,共晶体共晶体( + )都都是组织组成是组织组成物。物。l相与相之间相与相之间的差别主要的差别主要在结构和成在结构和成分上。分上。l组织组成物之间的差别主要在形态上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如如 、 和和共晶共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形的结构成分相同，属同一个相
11、，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。态不同，分属不同的组织组成物。l将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注3、二元包晶相图、二元包晶相图l当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。l以以Pt-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+L+L +l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、
12、、l二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + l三相区：三相区：L+ + （水平线水平线PDC）在一定温度下，由在一定温度下，由一个液相包着一个一个液相包着一个固相生成另一新固固相生成另一新固相的反应称相的反应称包晶转包晶转变变或或包晶反应包晶反应。l水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线，与该线成分对应的合金在该温度下发成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：生包晶反应：LC+ P D 。该。该反应是液相反应是液相L包着固相包着固相 , 新相新相 在在L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和 两个方向长大。两个方向长大。l 合金的结晶过程合金的结晶过程l 包晶成分合金：包晶成分合金：
13、匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。l室温组织为室温组织为 + IIl PD成分成分合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。l室温组织为室温组织为 +II+ + II时间温度l DC成分成分合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出l室温组织为室温组织为 + II。时间温度l共共析析转转变变也也是是固固态相变。态相变。l最最常常见见的的共共析析转转变变是是铁铁碳碳合合金金中中的的珠珠光光体体转转变变: S P+ Fe3C 。5、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图l共共析析反反应应(共共析析转转变变)是是指指在在一一定定温温度度下下，由由一一定定成成分分的的固固相相同
14、同时时析析出出两两个个成成分分和和结结构构完完全全不不同同的的新新固固相的过程。相的过程。PS( 奥氏体，奥氏体， 铁素体，铁素体，Fe3C渗碳渗碳体体)l l共共共共析析析析相相相相图图图图与与与与共共共共晶晶晶晶相相相相图图图图相相相相似似似似，对对对对应应应应的的的的有有有有共共共共析析析析线线线线(PSK(PSK线线线线) )、共析点共析点共析点共析点(S(S点点点点) )、共析温度、共析成分、共析合共析温度、共析成分、共析合共析温度、共析成分、共析合共析温度、共析成分、共析合金金金金( (共共共共析析析析成成成成分分分分合合合合金金金金) )、亚亚亚亚共共共共析析析析合合合合金金金金
15、( (共共共共析析析析线线线线上上上上共共共共析析析析点点点点以以以以左左左左的的的的合合合合金金金金) )、过过过过共共共共析析析析合合合合金金金金( (共共共共析析析析线线线线上上上上共共共共析析析析点以右的合金点以右的合金点以右的合金点以右的合金) )。铁碳合金相图铁碳合金相图l共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称铁碳合金中的共析体称珠珠光体光体），），也是两相的机械混合物也是两相的机械混合物（铁素体（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同与共晶反应不同的是，的是，共析反应共析反应的母相是固相，的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态另外，由
16、于固态转变过冷度大，转变过冷度大，因而共析组织比因而共析组织比共晶组织细。共晶组织细。珠光体珠光体6、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤l实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。l 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图l 确定相区确定相区l 相区接触法则相区接触法则l相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1l 单相区的确定单相区的确定l 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe- Fe3C相图相图 靠纯组元的封闭靠纯组元的封闭 区是以该组元为单区是以该组元为单 相固溶体区；相固溶体区； 相图中每一条水
17、相图中每一条水平线必定与三个单平线必定与三个单相区点接触相区点接触。Fe- Fe3C相图相图l 两相区的确定：两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相区，该两相区的相由两相邻单相区的由两相邻单相区的相组成。相组成。l 三相区的确定：三相区的确定：二元相图中的水平二元相图中的水平线是三相区，其三线是三相区，其三个相由与该三相区个相由与该三相区点接触的三个单相点接触的三个单相区的相组成。区的相组成。Fe-Fe3C相图相图恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。 + 共析反应共析反应恒温下由一个液
18、相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L + 包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L + 共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应l作出典型合作出典型合金冷却曲线示金冷却曲线示意图意图l二元合金冷却二元合金冷却曲线的特征是曲线的特征是: l在单相区和在单相区和两相区冷却曲两相区冷却曲线为一斜线。线为一斜线。 分析典型合金的结晶过程分析
19、典型合金的结晶过程l由一个相区进入另一相区时由一个相区进入另一相区时, 冷却曲线出现拐点冷却曲线出现拐点:la. 由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;lb. 由相数多的由相数多的相区进入相数相区进入相数少的相区曲线少的相区曲线向左拐。向左拐。l 发生三等温发生三等温转变时，冷却转变时，冷却曲线呈一水平曲线呈一水平台阶。台阶。 l 分析合金结晶过程分析合金结晶过程l 画出组织转变示意图。画出组织转变示意图。l 计算各相、计算各相、各组织组成物相各组织组成物相对重量百分比：对重量百分比：la. 在单相区在单相区，合，合金由单相组成，金由单相组成，相的成
20、分、重量相的成分、重量即合金的成分、即合金的成分、重量。重量。lb. 在两相区在两相区，两相的成分随，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。量可由杠杆定律求出。l合金成分为杠杆的支点，相合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆或组织组成物的成分为杠杆的端点的端点。 lc. 在三相区在三相区，三个相成分固，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定定，重量不断变化，杠杆定律不适用。律不适用。 合金成分合金成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金成分合金成分组织组织1成分成分组织组织
21、2成分成分组织组织1重量重量组织组织2重量重量7、相图与合金性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系l 相图与合金力学性能、相图与合金力学性能、物理性能的关系物理性能的关系 l两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平系，是两相性能的算术平均值均值，如：，如：l 混混= Q + Q lHB混混=HB Q +HBQl(Q 、Q为两相相对重量为两相相对重量)l 单相固溶体的合单相固溶体的合金：金：l性能随成分呈曲线性能随成分呈曲线变化，随溶质含量变化，随溶质含量增加，增加，、HB、 增增加，塑性下降。加，塑性下降。l 相图与铸造性能
22、的关系相图与铸造性能的关系 l固溶体合金液固相固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾线间距越大、偏析倾向大向大, 树枝晶发达树枝晶发达, 流动性降低流动性降低, 补缩能补缩能力下降力下降, 分散缩孔增分散缩孔增加。加。 l共晶合金结晶温度共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔低，流动性好，缩孔集中，集中， 偏析小，偏析小， 铸铸造性能好。造性能好。 一个二元共晶反应如下：一个二元共晶反应如下： （1 1）WB B =50% =50%的合金完全凝固时初晶的合金完全凝固时初晶与与共晶（共晶（+）的重量百分数，以及共晶体）的重量百分数，以及共晶体中中相与相与相的重量百分数；相的重量百分数；（2 2）若已知显微组织中）若已知显微组织中初晶与（初晶与（+）共晶各占一半，求该合金的成分。共晶各占一半，求该合金的成分。 根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图，根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图，组元组元A的熔点为的熔点为1000，组元，组元B的熔点为的熔点为700，B=25%的合金在的合金在500结晶完毕，结晶完毕，并由并由73.33%的先共晶的先共晶相与相与26.67%的（的（+ ）共晶体组成；）共晶体组成； B=50%的合金在的合金在500结结晶完毕后，则由晶完毕后，则由40%的的先共晶先共晶相与相与60%的的（+ ）共晶体组成，而此合金中的）共晶体组成，而此合金中的相总相总量为量为50%。
