二元共晶相圖演示文稿

二元共晶相圖演示文稿當(dāng)前第1頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)二元共晶相圖當(dāng)前第2頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)我們以Pb-Sn相圖為例討論二元相圖。當(dāng)前第3頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)圖中有三個(gè)單相區(qū)：L；α；β。三個(gè)兩相區(qū)：L+α；L+β；α+β。一個(gè)三相區(qū)(線段MEN)：L+α+β。共晶轉(zhuǎn)變指具有E點(diǎn)成分的液相，當(dāng)冷卻至溫度tE時(shí)，將同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分不同的固相：M點(diǎn)成分的α相和N點(diǎn)成分的β相。其共晶反應(yīng)式為：LEtEαM+βN

發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為共晶溫度。當(dāng)前第4頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)凡成分在MN范圍之內(nèi)的合金，冷卻到溫度tE時(shí)都會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)，稱MN線為共晶線。E點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)或共晶成分。Pb-Sn合金的二元共晶組織顯微像片當(dāng)前第5頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是兩個(gè)固相的混合物，稱為共晶體或共晶組織。成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金叫共晶合金；B成分低于E的合金叫亞共晶合金；B成分高于E的合金叫過共晶合金；成分位于M點(diǎn)以左和N點(diǎn)以右的合金叫端部固熔體合金。相圖中的M點(diǎn)和N點(diǎn)分別表示α相和β相的最大溶解度極限。隨著溫度的降低，α相和β相的溶解度將分別沿著曲線MF和NG變化，故稱此兩條線為固熔線。當(dāng)前第6頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.2共晶系合金的平衡凝固組織按相變特點(diǎn)和組織特征，共晶系合金的平衡凝固組織分為：端部固熔體，亞共晶合金，共晶合金和過共晶合金四類。4.3.2.1端部固熔體合金：以Pb-Sn合金(wC=0.1)為例。先畫出該合金的冷卻曲線。從降溫過程可以看出：在溫度t1時(shí)開始結(jié)晶出α固熔體；在t2時(shí)結(jié)晶完畢，為單相固熔體晶粒；在t2到t3之間無相變，也無組織變化。當(dāng)前第7頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第8頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)冷卻到t3遇到固熔線以后，Sn在α中的熔解度將不斷減少，多余的Sn就以β固熔體的形式從α中析出。在從t3冷至t4時(shí)，α和β相的平均成分分別沿著MF線和NG線變化。這種由過飽和固熔體分離出另一種相的過程稱為脫熔轉(zhuǎn)變。脫熔相一般稱為次生相，本例的次生相為β相，用βⅡ表示。當(dāng)前第9頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)本例合金的室溫組織為α+β?。

βⅡ一般分布在原α相晶粒的晶界上，有時(shí)也在晶內(nèi)析出。次生相從固相中析出，相界圓滑，呈小顆粒狀(見圖4-20)。第二相的出現(xiàn)會(huì)影響合金性能。若第二相硬度較高并呈彌散狀分布，則會(huì)使合金強(qiáng)化；若第二相沿晶界呈網(wǎng)狀分布則會(huì)降低合金塑性。第二相的形態(tài)和分布可通過熱處理控制。當(dāng)前第10頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第11頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.2.2共晶合金(wSn=0.619)：該成分合金從熔體冷卻到共晶溫度時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L0.619

183oCα0.19+β0.975

熔體全部凝固成共晶組織，也稱共晶體，用(α+β)共表示。共晶體中兩個(gè)相的相對(duì)含量可由杠桿定律計(jì)算：αM=EN/MN×100%=45.4%βN=ME/MN×100%=54.6%當(dāng)前第12頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)共晶轉(zhuǎn)變完成后繼續(xù)冷卻時(shí)，共晶體中的α與β相都要發(fā)生脫熔轉(zhuǎn)變，分別析出

βⅡ和αⅡ。由于共晶體中的次生相常依附于共晶體中的同類相析出，所以在顯微鏡下難以識(shí)別。Pb-Sn二元共晶合金在室溫下的組織見圖4-18，黑色部分為α相，白色部分為β相，兩相呈片狀交替分布。當(dāng)前第13頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.2.3亞共晶合金(wSn=0.5)：成分位于ME之間的Pb-Sn合金都屬于亞共晶合金。凝固過程和組織都極為相似。當(dāng)前第14頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)合金從液態(tài)冷卻到t1時(shí)，結(jié)晶出α相，隨溫度降低，α相增多，L和α的成分分別沿tAE和tAM線變化。降溫至t2時(shí)，α相的成分變至M點(diǎn)，L相的成分變至E點(diǎn)。此時(shí)剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，并在冷卻曲線上形成平臺(tái)，直至液相全部消失為止。凝固后的組織為α初+(α+β)共(α初指從液相中直接結(jié)晶出來的固熔體)。當(dāng)前第15頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)繼續(xù)冷卻，α和β相都要發(fā)生脫熔轉(zhuǎn)變。室溫下合金組織為α初+βⅡ+(α+β)共。這里的共晶體中析出的次生相在顯微鏡下不能分辨。該合金的顯微組織如圖4-22所示。圖中黑色樹枝晶為初生α固熔體，由于直接從液體中結(jié)晶，故比較粗大；分布在樹枝間隙中黑白相間的組織為(α+β)共晶體。從相圖上看，該合金室溫下仍處于α+β兩相區(qū)內(nèi)，是由α和β兩個(gè)相所組成。當(dāng)前第16頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)

圖4-22黑色樹枝晶為初生α固熔體，由于直接從液體中結(jié)晶，故比較粗大；分布在樹枝間隙中黑白相間的組織為(α+β)共晶體當(dāng)前第17頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)分析顯微組織的時(shí)候要注意區(qū)別組織組成物和相組成物。組織組成物是在結(jié)晶過程中形成的，有清晰輪廓的獨(dú)立部分。如α初，βⅡ，(α+β)共等都是組織組成物；相組成物是指組成顯微組織的基本相，有確定的成分及結(jié)構(gòu)，但沒有形態(tài)的概念。如合金中的α相和β相等等。當(dāng)前第18頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)合金中組織組成物的相對(duì)量可以根據(jù)相平衡概念，利用杠桿定律間接計(jì)算。以室溫下Sn-Pb合金為例(wSn=0.5)：(α+β)共=Mt2/ME×100%=72.26%此式為t2溫度(183oC)時(shí)的值，忽略次生相的影響，可近似看成是室溫下的值。βⅡ=(t2E/ME)(FM’/FG)×100%=4.78%t2E/ME為未析βⅡ出時(shí)(183oC)的α初相對(duì)量。α初=(t2E/ME)×100%-βⅡ=22.87%當(dāng)前第19頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.2.3.4過共晶合金(wSn=0.7)：過共晶合金也是先析出初晶，再結(jié)晶出共晶，最后脫熔轉(zhuǎn)變。當(dāng)前第20頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)過共晶合金的室溫組織為β初+αⅡ+(α+β)共，如圖4-24所示。圖中β初呈白色橢圓形，有樹枝晶特點(diǎn)；αⅡ數(shù)量很少，呈黑色點(diǎn)狀；(α+β)共黑白相間，分布于β初之間。當(dāng)前第21頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)共晶系合金平衡凝固可得到固熔體和共晶型兩種合金。固熔體合金凝固過程主要為勻晶轉(zhuǎn)變+脫熔轉(zhuǎn)變，室溫組織為初生固熔體+次生組織。位于MEN線范圍內(nèi)的合金都屬于共晶型合金。凝固時(shí)都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生，形成共晶體。亞共晶和過共晶合金在共晶轉(zhuǎn)變前都有先共晶初生相(初晶)生成。當(dāng)前第22頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.3共晶組織及形成機(jī)理共晶組織的基本特征是兩相交替排列。呈片狀，針狀，螺旋狀和球狀等。把共晶體的形貌和兩相的融化熵結(jié)合分析，可將共晶組織分為三類：粗糙-粗糙界面(金屬-金屬型)共晶；粗糙-平滑界面(金屬-非金屬型)共晶；平滑-平滑界面(非金屬-非金屬型)共晶。當(dāng)前第23頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第24頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.3.1粗糙-粗糙界面共晶：包括金屬-金屬和金屬-金屬間化合物共晶。往往呈簡單規(guī)則(層片狀，球狀)的組織形態(tài)。共晶體形核也需要一定的過冷度。設(shè)液相過冷到t2，α和β相同時(shí)飽和，但通常總有一相先析出，稱為領(lǐng)先相。當(dāng)前第25頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)假設(shè)領(lǐng)先相為α，則α的成分為h，由于αh中含B組元少于原液相L中B組元的含量(wh<we)，因此形成αh時(shí)會(huì)排出B組元，使界面附近液相中的B組元增加，變?yōu)長k，這樣便增大了β相的過飽和度，于是促進(jìn)β相在α相表面上非均勻形核并長大。β相的成分為wi，而β相界面處液體中的成分變?yōu)楹珹組元更高的wj。含A組元較高的Lj又有利于析出α相，因此α相又在β相表面上非均勻形核并長大。當(dāng)前第26頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)上述過程互相促進(jìn)，交替非均勻形核生長，結(jié)果便形成了α和β相間排列的共晶體。當(dāng)前第27頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)只有兩相同時(shí)存在，共同生長的過程才叫共晶凝固。共晶凝固所構(gòu)成的區(qū)域叫共晶晶團(tuán)或共晶晶區(qū)。共晶組織的粗細(xì)用其相鄰兩相單片厚度之和表示，稱為片層厚度(λ=dα+dβ)。片層厚度λ與成長速率R的平方成反比：λ=kR-1/2

(4-14)成長速率R取決于液固界面處的過冷度。過冷度越大，晶體生長速率越大，共晶體片層越薄。當(dāng)前第28頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)共晶體究竟呈片狀還是呈棒狀生長，主要取決于兩個(gè)因素：兩相的體積分?jǐn)?shù)和界面的比界面能。熱力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果為：其中一相的體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)棒狀組織界面能較低，利于形成棒狀組織；一個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)在30~50%時(shí)，有利于形成片狀組織。當(dāng)共晶體中兩相之間的比界面能較低時(shí)，盡管一組成相的體積分?jǐn)?shù)小于30%，仍有可能形成片狀共晶體。當(dāng)前第29頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.3.2粗糙-平滑界面(金屬-非金屬型)共晶：這類共晶的組織形狀不規(guī)則。其主要原因是由于非金屬相晶體結(jié)構(gòu)上的特性不同，具有較高的融化熵和長大時(shí)明顯的各向異性。如Al-Si系共晶的兩相參差不齊，Si相成長時(shí)各向異性，產(chǎn)生分枝。當(dāng)前第30頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.3.3平滑-平滑界面(非金屬-非金屬型)共晶：這類共晶體中的兩相都是平滑界面。因?yàn)檫@類材料目前應(yīng)用較少，研究也就很少。有人認(rèn)為其顯微組織很不規(guī)則。當(dāng)前第31頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.4共晶系合金的非平衡凝固和組織實(shí)際生產(chǎn)中的冷卻速度較快。合金凝固時(shí)的原子擴(kuò)散不充分，導(dǎo)致凝固過程和顯微組織偏離平衡狀態(tài)。4.3.4.1偽共晶組織：在不平衡凝固時(shí)，成分在共晶點(diǎn)附近的合金也可能獲得全部共晶組織，這類共晶組織稱為偽共晶組織。當(dāng)前第32頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)偽共晶的形成：見圖，位于共晶點(diǎn)附近的I成分合金，如果快冷到t1溫度時(shí)才結(jié)晶，則形成α初的過程被抑制。過冷液體既在結(jié)晶出α相的液相線以下，也在結(jié)晶出β相的液相線之下，因此同時(shí)對(duì)α和β飽和，發(fā)生共轉(zhuǎn)變，形成偽共晶。因?yàn)檫^冷度有限，所以偽共晶區(qū)域不大。當(dāng)前第33頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)偽共晶區(qū)不單純是液相線與過冷溫度所圍區(qū)域，它的位置與共晶兩相的結(jié)晶速度有關(guān)。而結(jié)晶速度受相的晶體結(jié)構(gòu)和固液界面的形態(tài)影響。一般說來，具有粗糙界面的金屬基相，其生長速率隨過冷度增大而明顯提高；具有平滑界面的非金屬相的生長速率隨過冷度的變化較小，于是偽共晶區(qū)往往偏向晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜及具有平滑界面的非金屬相一邊。當(dāng)前第34頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第35頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)偽共晶在相圖中的位置對(duì)說明合金中出現(xiàn)的不平衡組織有一定幫助。如在Al-Si系中，共晶成分的Al-Si合金在鑄造狀態(tài)下的組織為α初+(α+Si)共，而不是單純的共晶體。其原因是：由于偽共晶區(qū)偏向Si一邊，共晶成分的過冷液體不會(huì)落在偽共晶區(qū)內(nèi)，因此先析出α相而使液相成分右移進(jìn)入偽共晶區(qū)，再發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，所以Al-Si共晶合金鑄造后得到的是亞共晶組織α初+(α+Si)共。當(dāng)前第36頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第37頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.3.4.2離異共晶：有些成分遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的亞共晶或過共晶合金，由于初晶量很多，而共晶體量很少，在共晶轉(zhuǎn)變過程中，與初晶相同的那個(gè)相如果依附在初晶上生長，而另一相單獨(dú)析出于初晶晶粒的晶界處，則共晶組織的特征消失。這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。鋼中常見的Fe-FeS共晶即為離異共晶。圖4-32中的黑色部分即為Cu-Al合金中離異共晶體(α+CuAl2)中的CuAl2相。當(dāng)前第38頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)圖4-32Cu-Al合金(wCu=0.04)的離異共晶組織當(dāng)前第39頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)離異共晶是在初晶量相對(duì)很多的條件下形成的?？梢栽谄胶饽讨械玫?，也可以在非平衡凝固中得到。在進(jìn)行金相分析時(shí)，要特別注意離異共晶的組織形態(tài)。不要把枝晶間的共晶體誤認(rèn)為是次生相；或者把端部固熔體合金誤認(rèn)為是亞共晶合金。當(dāng)前第40頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.4二元包晶相圖有些合金凝固到一定溫度時(shí)，已結(jié)晶出來的一定成分的固相與剩余的液相(有確定成分)發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相，這種轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變。二組元在液態(tài)無限熔解，固態(tài)時(shí)有限互熔并具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為二元包晶相圖。常出現(xiàn)在Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Sn,Fe-C等合晶系中。當(dāng)前第41頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.4.1相圖分析(以Pt-Ag相圖為例)兩組元液態(tài)無限互熔，固態(tài)部分互熔，有三相平衡包晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)前第42頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)與共晶相圖相比，包晶相圖中各條相變線的意義類似，只有水平線CDP有差異。CDP溫度以上只有一個(gè)固相α，而在CDP線上，兩個(gè)固相α和β都可以分別與液相平衡。凡是位于此線范圍的液態(tài)合金冷卻到此溫度時(shí)，都會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)：LP+αC

1186oCβDCDP線稱為包晶線，P點(diǎn)稱為包晶點(diǎn)。當(dāng)前第43頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)包晶線與共晶線的區(qū)別：共晶線為固相線，線上的合金在此溫度全部凝固，其組織為兩相混合物；而包晶線的CD段為固相線，DP段為非固相線，成分位于CD線內(nèi)的合金包晶轉(zhuǎn)變后的組織為兩相混合物；而成分位于DP段的合金包晶轉(zhuǎn)變后還有液相存在，它將在繼續(xù)冷卻時(shí)凝固成單相β。當(dāng)前第44頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.4.2包晶合金的平衡凝固和組織成分在CDP線上的合金都要發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變．4.4.2.1wAg=0.424的Pt-Ag合金：該合金I從液態(tài)冷卻到t1溫度時(shí)，開始結(jié)晶α相，繼續(xù)冷卻則α相增多，液相相應(yīng)減少。降溫到1186oC時(shí)，α相成分到達(dá)C點(diǎn)，液相L成分達(dá)到P點(diǎn)，此時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)：LP+αC=βD反應(yīng)完后液相和α相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘垠wβ。再冷則αⅡ析出，室溫組織為β+αⅡ。當(dāng)前第45頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，β相依附于α相的表面形核，并消耗L相和α相而生長。當(dāng)α相表面形成一層β相時(shí)，α相的成分為C(10.5)，β的成分為D(42.4)，液相的成分為P(66.3)。這樣，各相界面都存在濃度梯度，于是Ag原子從液相經(jīng)β相向α相擴(kuò)散，而Pt原子從α相經(jīng)β相向液相擴(kuò)散。擴(kuò)散造成界面濃度變化，而濃度變化引發(fā)該處熔點(diǎn)改變，界面隨之移動(dòng)；界面移動(dòng)又形成濃度梯度…所以β相的長大是相界擴(kuò)散移動(dòng)的過程。當(dāng)前第46頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第47頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)D點(diǎn)(42.4)成分的Pt-Ag合金，包晶轉(zhuǎn)變開始前液相L和固相α的平衡相對(duì)量為：WL=(0.424-0.105)/(0.663-0.105)=57.2%Wα=(0.663-0.424)/(0.663-0.105)=42.8%兩相相對(duì)量之比為WL/Wα=1.33。如果包晶轉(zhuǎn)變前兩個(gè)平衡相的相對(duì)量之比不是1.33，則包晶轉(zhuǎn)變后要么L相剩余，要么α相剩余。當(dāng)前第48頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.4.2.2其他包晶合金的平衡凝固：a.成分在CD線內(nèi)的Pt-Ag合金，包晶轉(zhuǎn)變后α相有剩，室溫組織α+β+αⅡ+βⅡ。當(dāng)前第49頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)b.成分在DP線內(nèi)的Pt-Ag合金，包晶轉(zhuǎn)變后有L相剩余，隨溫度降低將結(jié)晶出β相。室溫組織為β+αⅡ。當(dāng)前第50頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.6二元相圖的分析方法有些二元相圖很復(fù)雜，但都是由各類基本相圖組合而成的。只要掌握了基本相圖的特點(diǎn)和規(guī)律，就能化繁為簡，對(duì)任何復(fù)雜相圖進(jìn)行分析和應(yīng)用。當(dāng)前第51頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.6.1復(fù)雜二元相圖的分析方法1找出組元(穩(wěn)定化合物視為組元)，把相圖分區(qū)。2確定單相區(qū)(具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相的成分和溫度范圍)。3根據(jù)鄰區(qū)原則(含有P個(gè)相的相區(qū)的鄰區(qū)，只能含有P±1個(gè)相)確定兩相區(qū)。4找出所有三相水平線，根據(jù)與水平線相連的三個(gè)單相區(qū)類別和分布特點(diǎn)，確定三相平衡的類型。當(dāng)前第52頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)4.6.2二元相圖分析實(shí)例鐵碳系是碳鋼，低合金鋼和鑄鐵的基礎(chǔ)。該相圖包括了包晶，共晶和共析三種轉(zhuǎn)變。是學(xué)習(xí)分析二元相圖的一個(gè)范例。4.6.2.1相圖中的相：鐵碳相圖中的主要部分是Fe-Fe3C相圖。有以下幾個(gè)固相：1鐵素體：即C在α-Fe(體心立方)中形成的間隙固熔體，常用α或F表示。C熔于α-Fe的八面體間隙，最大固熔度(體積分?jǐn)?shù))為0.0218%。當(dāng)前第53頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第54頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)C在δ-Fe(體心立方)中形成的間隙固熔體稱為高溫鐵素體，用δ表示。最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.09%。2奧氏體：C熔入γ-Fe(面心立方)的八面體間隙中形成的間隙固熔體，通常用γ或A表示。最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2.11%。鐵素體和奧氏體的力學(xué)性能相似，都是軟而韌。此外，奧氏體為順磁相而鐵素體為鐵磁相，但在居里點(diǎn)(OM，770oC)以上仍為順磁相。當(dāng)前第55頁\共有61頁\編于星期二\17點(diǎn)3滲碳體：Fe3C，一種間隙化合物，正交晶系。點(diǎn)陣常數(shù)：a=4.524?,b=5.089?,c=6.743?。其晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一個(gè)晶胞含12個(gè)Fe原子和4個(gè)C原子，將相鄰6個(gè)Fe原子連成三棱柱，中間包含1個(gè)C原子，可以看成是Fe3C的結(jié)構(gòu)單元。也可以看成是兩