1、 4.3 二元共晶相圖二元共晶相圖 大多數(shù)二元合金在固態(tài)并不能完全相熔，大多數(shù)二元合金在固態(tài)并不能完全相熔，只能部分互熔，形成有限固熔體，并具有只能部分互熔，形成有限固熔體，并具有共晶轉(zhuǎn)變特性。如：共晶轉(zhuǎn)變特性。如：Pb-Sn; Al-Si; Al-Cu; Mg-Si; Al-Mg等合金。等合金。 4.3.1 相圖分析：一般的二元相圖中有三個(gè)相圖分析：一般的二元相圖中有三個(gè)基本相：液相基本相：液相L；固相；固相和固相和固相。相為成相為成分分B熔于成分熔于成分A中形成的固熔體；中形成的固熔體；相為成相為成分分A熔入成分熔入成分B中形成的固熔體中形成的固熔體。 我們以我們以Pb-Sn相圖為例討論二

2、元相圖。相圖為例討論二元相圖。 圖中有三個(gè)單相區(qū)：圖中有三個(gè)單相區(qū)：L；。三個(gè)兩相區(qū)：。三個(gè)兩相區(qū)：L+；L+；+。一個(gè)三相區(qū)。一個(gè)三相區(qū)(線段線段MEN)：L+。 共晶轉(zhuǎn)變指具有共晶轉(zhuǎn)變指具有E點(diǎn)成分的液相，當(dāng)冷卻至點(diǎn)成分的液相，當(dāng)冷卻至溫度溫度tE時(shí)，將同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分不同的固時(shí)，將同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分不同的固相：相：M點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的相和相和N點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的相。其相。其共共晶反應(yīng)式為：晶反應(yīng)式為： LE tE M+N 發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為。 凡成分在凡成分在MN范圍之內(nèi)的合金，冷卻到溫度范圍之內(nèi)的合金，冷卻到溫度tE時(shí)都會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)都會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)，稱，稱M

3、N線為線為。E點(diǎn)稱為點(diǎn)稱為或或。Pb-Sn合金的合金的二元共二元共晶組織晶組織顯微像顯微像片片 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是兩個(gè)固相的共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是兩個(gè)固相的，稱，稱為為或或。 成分對應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金叫成分對應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金叫；B成成分低于分低于E的合金叫的合金叫；B成分高于成分高于E的合金叫的合金叫；成分位于成分位于M點(diǎn)以左點(diǎn)以左和和N點(diǎn)以右的合金叫點(diǎn)以右的合金叫。 相圖中的相圖中的M點(diǎn)和點(diǎn)和N點(diǎn)分別表示點(diǎn)分別表示相和相和相的相的。隨著溫度的降低，隨著溫度的降低，相和相和相的溶解度將分別沿著曲線相的溶解度將分別沿著曲線MF和和NG變化，變化，故稱此兩條線為故稱此兩條線為。 4.3.2 共晶系合金的平衡

4、凝固組織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。金，共晶合金和過共晶合金四類。 4.3.2.1 ：以：以Pb-Sn合金合金(wC=0.1)為例。先畫出該合金的冷卻曲線。為例。先畫出該合金的冷卻曲線。從降溫過程可以看出：在溫度從降溫過程可以看出：在溫度t1時(shí)開始結(jié)晶時(shí)開始結(jié)晶出出固熔體；在固熔體；在t2時(shí)結(jié)晶完畢，為單相固熔時(shí)結(jié)晶完畢，為單相固熔體晶粒；在體晶粒；在t2到到t3之間無相變，也無組織變之間無相變，也無組織變化。化。 冷卻到冷

5、卻到t3遇到固熔線以后，遇到固熔線以后，Sn在在中的熔解中的熔解度將不斷減少，多余的度將不斷減少，多余的Sn就以就以固熔體的固熔體的形式從形式從中析出。在從中析出。在從t3冷至冷至t4時(shí)，時(shí)，和和相相的平均成分分別沿著的平均成分分別沿著MF線和線和NG線變化。線變化。這種這種由過飽和固熔體分離出另一種相的過由過飽和固熔體分離出另一種相的過程稱為程稱為。脫熔相一般稱為。脫熔相一般稱為，本例的次生相為本例的次生相為相，用相，用表示。表示。 本例合金的室溫組織為本例合金的室溫組織為+。 一般分布一般分布在原在原相晶粒的晶界上，有時(shí)也在晶內(nèi)析出。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，

6、相界圓滑，呈小顆次生相從固相中析出，相界圓滑，呈小顆粒狀粒狀(見圖見圖4-20)。 第二相的出現(xiàn)會(huì)影響合金性能。第二相的出現(xiàn)會(huì)影響合金性能。若第二相若第二相硬度較高并呈彌散狀分布，則會(huì)使合金強(qiáng)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)降低化；若第二相沿晶界呈網(wǎng)狀分布則會(huì)降低合金塑性合金塑性。 第二相的形態(tài)和分布可通過熱處理控制。第二相的形態(tài)和分布可通過熱處理控制。 4.3.2.2 (wSn=0.619)：該成分合金：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：從熔體冷卻到共晶溫度時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變： L0.619 183C 0.19+0.975 熔體全部凝固成共晶組

7、織，也稱共晶體，熔體全部凝固成共晶組織，也稱共晶體，用用(+)共共表示。表示。 共晶體中兩個(gè)相的相對含量可由杠桿定律共晶體中兩個(gè)相的相對含量可由杠桿定律計(jì)算計(jì)算： M=EN/MN100%=45.4% N=ME/MN100%=54.6% 共晶轉(zhuǎn)變完成后繼續(xù)冷卻時(shí)，共晶體中的共晶轉(zhuǎn)變完成后繼續(xù)冷卻時(shí)，共晶體中的與與相都要發(fā)生脫熔轉(zhuǎn)變，分別析出相都要發(fā)生脫熔轉(zhuǎn)變，分別析出 和和。 由于共晶體中的次生相常依附于共晶體中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別的同類相析出，所以在顯微鏡下難以識別。Pb-Sn二元共晶合金在室溫下二元共晶合金在室溫下 的組織見圖的組織見圖4-

8、18，黑，黑 色部分為色部分為相，白色相，白色 部分為部分為相，兩相呈相，兩相呈 片狀交替分布。片狀交替分布。 4.3.2.3 (wSn=0.5)：成分位于：成分位于ME之間的之間的Pb-Sn合金都屬于亞共晶合金。合金都屬于亞共晶合金。凝固過程和組織都極為相似。凝固過程和組織都極為相似。 當(dāng)合金從液態(tài)冷卻到當(dāng)合金從液態(tài)冷卻到t1時(shí)，結(jié)晶出時(shí)，結(jié)晶出相，隨相，隨溫度降低，溫度降低，相增多，相增多，L和和的成分分別沿的成分分別沿tAE和和tAM線變化。降溫至線變化。降溫至t2時(shí)，時(shí)，相的成分相的成分變至變至M點(diǎn)，點(diǎn)，L相的成分變至相的成分變至E點(diǎn)。此時(shí)點(diǎn)。此時(shí)剩余剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相發(fā)生共

9、晶轉(zhuǎn)變，并在冷卻曲線上形，并在冷卻曲線上形成平臺，直至液相全部消失為止。成平臺，直至液相全部消失為止。 凝固后的組織為凝固后的組織為初初+(+)共共(初指從液相初指從液相中直接結(jié)晶出來的固熔體中直接結(jié)晶出來的固熔體)。 繼續(xù)冷卻，繼續(xù)冷卻，和和相都要發(fā)生脫熔轉(zhuǎn)變。相都要發(fā)生脫熔轉(zhuǎn)變。室室溫下合金組織為溫下合金組織為初初+(+)共共。這里的這里的共共晶體中析出的次生相在顯微鏡下不能分辨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該合金的顯微組織如圖4-22所示。圖中黑所示。圖中黑色樹枝晶為初生色樹枝晶為初生固熔體，由于直接從液體固熔體，由于直接從液體中結(jié)晶，故比較粗大；分布在樹枝間

10、隙中中結(jié)晶，故比較粗大；分布在樹枝間隙中黑白相間的組織為黑白相間的組織為(+)共晶體。從相圖上共晶體。從相圖上看，看，該合金室溫下仍處于該合金室溫下仍處于+兩相區(qū)內(nèi)，是兩相區(qū)內(nèi)，是由由和和兩個(gè)相所組成兩個(gè)相所組成。 圖圖4-22 黑色樹枝晶為初生黑色樹枝晶為初生固熔體，由于直固熔體，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隙中黑白相間的組織為(+)共晶體共晶體 分析顯微組織的時(shí)候要注意區(qū)別組織組成分析顯微組織的時(shí)候要注意區(qū)別組織組成物和相組成物。物和相組成物。是在結(jié)晶過程中形成的，有清是在結(jié)晶過程中形成的，有清晰輪廓的獨(dú)立部分晰

11、輪廓的獨(dú)立部分。如。如初初， (+)共共等都是組織組成物；等都是組織組成物；是指組成顯微組織的基本相，有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)的概念確定的成分及結(jié)構(gòu)，但沒有形態(tài)的概念。如合金中的如合金中的相和相和相等等。相等等。 合金中組織組成物的相對量可以合金中組織組成物的相對量可以根據(jù)相平根據(jù)相平衡概念，利用杠桿定律間接計(jì)算衡概念，利用杠桿定律間接計(jì)算。以室溫。以室溫下下Sn-Pb合金為例合金為例(wSn=0.5)： (+)共共=Mt2/ME100%=72.26% 此式為此式為t2溫度溫度(183C)時(shí)的值，忽略次生相時(shí)的值，忽略次生相的影響，可近似看成是室溫下的值的影響

12、，可近似看成是室溫下的值。 =(t2E/ME)(FM/FG)100%=4.78% t2E/ME為未析為未析出時(shí)出時(shí)(183C)的的初初相對量相對量。初初=(t2E/ME)100%- =22.87% 4.2.3.4 (wSn=0.7)：過共晶合金：過共晶合金也是先析出初晶，再結(jié)晶出共晶，最后脫也是先析出初晶，再結(jié)晶出共晶，最后脫熔轉(zhuǎn)變。熔轉(zhuǎn)變。 過共晶合金的室溫組織為過共晶合金的室溫組織為 初初+(+)共共，如圖，如圖4-24所示。圖中所示。圖中初初呈白色橢圓形，有樹枝晶特點(diǎn)；呈白色橢圓形，有樹枝晶特點(diǎn)； 數(shù)量很少，數(shù)量很少， 呈黑色點(diǎn)狀；呈黑色點(diǎn)狀； (+)共共黑白黑白 相間，分布于相間，分布

13、于 初初之間。之間。 共晶系合金平衡凝固可得到固熔體和共晶共晶系合金平衡凝固可得到固熔體和共晶型兩種合金。型兩種合金。 固熔體合金凝固過程主要為固熔體合金凝固過程主要為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變+脫熔脫熔轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變，室溫組織為，室溫組織為初生固熔體初生固熔體+次生組織次生組織。 位于位于MEN線范圍內(nèi)的合金都屬于共晶型合線范圍內(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，形成共晶金。凝固時(shí)都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生，形成共晶體。體。 亞共晶和過共晶合金在共晶轉(zhuǎn)變前都有亞共晶和過共晶合金在共晶轉(zhuǎn)變前都有(初晶初晶)生成生成。 4.3.3 共晶組織及形成機(jī)理共晶組織及形成機(jī)理 共晶組織的基本特征是兩相交替排列。呈共

14、晶組織的基本特征是兩相交替排列。呈片狀，針狀，螺旋狀和球狀片狀，針狀，螺旋狀和球狀等。把共晶體等。把共晶體的形貌和兩相的融化熵結(jié)合分析，可將共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：粗糙晶組織分為三類：粗糙-粗糙界面粗糙界面(金屬金屬-金金屬型屬型)共晶；粗糙共晶；粗糙-平滑界面平滑界面(金屬金屬-非金屬型非金屬型)共晶；平滑共晶；平滑-平滑界面平滑界面(非金屬非金屬-非金屬型非金屬型)共共晶。晶。 4.3.3.1 ：包括金屬：包括金屬-金金屬和金屬屬和金屬-金屬間化合物共晶。往往呈金屬間化合物共晶。往往呈簡單簡單規(guī)則規(guī)則(層片狀，球狀層片狀，球狀)的組織形態(tài)。的組織形態(tài)。 共晶體

15、形核也需要一共晶體形核也需要一 定的過冷度。設(shè)液相定的過冷度。設(shè)液相 過冷到過冷到t2，和和相同相同 時(shí)飽和，但時(shí)飽和，但通常總有通常總有 一相先析出，稱為一相先析出，稱為。 假設(shè)領(lǐng)先相為假設(shè)領(lǐng)先相為，則，則的成分為的成分為h，由于，由于h中中含含B組元少于原液相組元少于原液相L中中B組元的含量組元的含量(whwe)，因此形成，因此形成h時(shí)會(huì)排出時(shí)會(huì)排出B組元，使組元，使界面附近液相中的界面附近液相中的B組元增加，變?yōu)榻M元增加，變?yōu)長k，這，這樣便增大了樣便增大了相的過飽和度，于是促進(jìn)相的過飽和度，于是促進(jìn)相相在在相表面上非均勻形核并長大。相表面上非均勻形核并長大。 相的成分為相的成分為wi，

16、而，而相界面處液體中的成相界面處液體中的成分變?yōu)楹肿優(yōu)楹珹組元更高的組元更高的wj。含。含A組元較高的組元較高的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相表面上非均勻形核并長大。上非均勻形核并長大。 上述過程互相促進(jìn)，上述過程互相促進(jìn)，交替非均勻形核交替非均勻形核生長生長，結(jié)果便形成了結(jié)果便形成了和和相間排列的共晶體。相間排列的共晶體。 只有兩相同時(shí)存在，共同生長的過程才叫只有兩相同時(shí)存在，共同生長的過程才叫。共晶凝固所構(gòu)成的區(qū)域叫。共晶凝固所構(gòu)成的區(qū)域叫或或。 共晶組織的粗細(xì)用其相鄰兩相單片厚度之共晶組織的粗細(xì)用其相鄰兩相單片厚度之和表示和表示，稱為，稱為(=d+d)

17、。 片層厚度片層厚度與成長速率與成長速率R的平方成反比的平方成反比： =kR-1/2 (4-14) 成長速率成長速率R取決于液固界面處的過冷度。過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，共晶體片冷度越大，晶體生長速率越大，共晶體片層越薄。層越薄。 共晶體究竟呈片狀還是呈棒狀生長，主要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：兩相的取決于兩個(gè)因素：兩相的體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)和界面和界面的的比界面能比界面能。 熱力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果為：熱力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果為：其中一相的體積分?jǐn)?shù)其中一相的體積分?jǐn)?shù)小于小于30%時(shí)棒狀組織界面能較低，利于形時(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

18、數(shù)在成棒狀組織；一個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)在3050%時(shí)，有利于形成片狀組織。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)，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)小于盡管一組成相的體積分?jǐn)?shù)小于30%，仍有，仍有可能形成片狀共晶體可能形成片狀共晶體。 4.3.3.2 粗糙粗糙-平滑界面平滑界面(金屬金屬-非金屬型非金屬型)共晶：共晶：這類共晶的組織形狀不規(guī)則。其主要原因這類共晶的組織形狀不規(guī)則。其主要原因是是由于非金屬相晶體結(jié)構(gòu)上的特性不同，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)明顯的各向異具有較高的融化熵和長大時(shí)明顯的各向異性性。 如如Al-Si系

19、共晶的系共晶的 兩相參差不齊，兩相參差不齊， Si相成長時(shí)各向相成長時(shí)各向 異性，產(chǎn)生分枝。異性，產(chǎn)生分枝。 4.3.3.3 平滑平滑-平滑界面平滑界面(非金屬非金屬-非金屬型非金屬型)共共晶：這類共晶體中的兩相都是平滑界面。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。少。有人認(rèn)為其顯微組織很不規(guī)則。 4.3.4 共晶系合金的非平衡凝固和組織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)實(shí)際生產(chǎn)中的冷卻速度較快。合金凝固時(shí)的的原子擴(kuò)散不充分原子擴(kuò)散不充分，導(dǎo)致凝固過程和顯微，導(dǎo)致

20、凝固過程和顯微組織偏離平衡狀態(tài)。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)，偽共晶組織：在不平衡凝固時(shí)，成成分在共晶點(diǎn)附近的合金分在共晶點(diǎn)附近的合金也可能獲得全部共也可能獲得全部共晶組織，這類共晶組織稱為晶組織，這類共晶組織稱為組織。組織。 偽共晶的形成：見圖，位于共晶點(diǎn)附近的偽共晶的形成：見圖，位于共晶點(diǎn)附近的I成分合金，如果快冷到成分合金，如果快冷到t1溫度時(shí)才結(jié)晶，溫度時(shí)才結(jié)晶， 則形成則形成初初的過程被抑制。過冷液體既在結(jié)的過程被抑制。過冷液體既在結(jié)晶出晶出相的液相線以下，也在結(jié)晶出相的液相線以下，也在結(jié)晶出相的相的液相線之下，液相線之下， 因此同時(shí)對因此同時(shí)對和和

21、飽飽 和，發(fā)生共轉(zhuǎn)變，和，發(fā)生共轉(zhuǎn)變， 形成偽共晶。因?yàn)樾纬蓚喂簿АＲ驗(yàn)?過冷度有限，所以過冷度有限，所以 偽共晶區(qū)域不大。偽共晶區(qū)域不大。 偽共晶區(qū)不單純是液相線與過冷溫度所圍偽共晶區(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。面的形態(tài)影響。 一般說來，具有粗糙界面的金屬基相，其一般說來，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平滑界面的非金屬相的生長速率隨過

22、冷度的變化較小，于是的變化較小，于是偽共晶區(qū)往往偏向晶體偽共晶區(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。結(jié)構(gòu)復(fù)雜及具有平滑界面的非金屬相一邊。 偽共晶在相圖中的位置對說明合金中出現(xiàn)偽共晶在相圖中的位置對說明合金中出現(xiàn)的不平衡組織有一定幫助。如在的不平衡組織有一定幫助。如在Al-Si系中，系中，共晶成分的共晶成分的Al-Si合金在合金在鑄造狀態(tài)鑄造狀態(tài)下的組織下的組織為為初初+(+Si)共共，而不是單純的共晶體。其，而不是單純的共晶體。其原因是：原因是：由于偽共晶區(qū)偏向由于偽共晶區(qū)偏向Si一邊，共晶一邊，共晶成分的過冷液體不會(huì)落在偽共晶區(qū)內(nèi)，因成分的過冷液體不會(huì)落在偽共晶區(qū)內(nèi)，因此先析

23、出此先析出相而使液相成分右移進(jìn)入偽共晶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)變區(qū)，再發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，所以，所以Al-Si共晶合金共晶合金鑄造后得到的是亞共晶組織鑄造后得到的是亞共晶組織初初+(+Si)共共。 4.3.4.2 離異共晶：有些成分遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的離異共晶：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，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，而共晶體量很少，在共晶轉(zhuǎn)變過程中，與與初晶相同的那個(gè)相如果依附在初晶上生長，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，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

24、則共晶組織的特征消失。這種兩相分離的。這種兩相分離的共晶稱為共晶稱為。 鋼中常見的鋼中常見的Fe-FeS共晶即為離異共晶。共晶即為離異共晶。 圖圖4-32中的黑色部分即為中的黑色部分即為Cu-Al合金中離異合金中離異共晶體共晶體(+CuAl2)中的中的CuAl2相。相。圖圖4-32 Cu-Al合金合金(wCu=0.04)的離異共晶組織的離異共晶組織 離異共晶是在離異共晶是在初晶量相對很多初晶量相對很多的條件下形的條件下形成的成的。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。 在進(jìn)行金相分析時(shí)，在進(jìn)行金相分析時(shí)，要要特別注意特別注意離異共晶離

25、異共晶的組織形態(tài)。不要把枝晶間的共晶體誤認(rèn)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)為是次生相；或者把端部固熔體合金誤認(rèn)為是亞共晶合金。為是亞共晶合金。 4.4 二元包晶相圖二元包晶相圖 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的一定成分的固相與剩余的液相固相與剩余的液相(有確定成有確定成分分)發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相，這種轉(zhuǎn)變稱，這種轉(zhuǎn)變稱為為。 二組元在液態(tài)無限熔解，固態(tài)時(shí)有限互熔二組元在液態(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。并具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為二元包晶相圖。常出現(xiàn)

26、在常出現(xiàn)在Cu-Sn, Cu-Zn, Ag-Sn, Fe-C等合等合晶系中。晶系中。 4.4.1 相圖分析相圖分析(以以Pt-Ag相圖為例相圖為例)兩組元兩組元液態(tài)無液態(tài)無限互熔，限互熔，固態(tài)部固態(tài)部分互熔，分互熔，有三相有三相平衡包平衡包晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。 與共晶相圖相比，包晶相圖中各條相變線與共晶相圖相比，包晶相圖中各條相變線的意義類似，只有水平線的意義類似，只有水平線CDP有差異。有差異。CDP溫度以上只有一個(gè)固相溫度以上只有一個(gè)固相，而在，而在CDP線線上，兩個(gè)固相上，兩個(gè)固相和和都可以分別與液相平衡都可以分別與液相平衡。凡是位于此線范圍的液態(tài)合金冷卻到此溫凡是位于此線范圍的液態(tài)合金冷卻

27、到此溫度時(shí)，都會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)：度時(shí)，都會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)： LP+C 1186C D CDP線稱為線稱為，P點(diǎn)稱為點(diǎn)稱為。 包晶線與共晶線的區(qū)別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；而包晶線部凝固，其組織為兩相混合物；而包晶線的的CD段為固相線，段為固相線，DP段為段為非固相線，非固相線，成分成分位于位于CD線內(nèi)的合金包晶轉(zhuǎn)變后的組織為兩線內(nèi)的合金包晶轉(zhuǎn)變后的組織為兩相混合物；而相混合物；而成分位于成分位于DP段的合金包晶轉(zhuǎn)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)凝變后還有液相存在，它將在繼續(xù)冷卻時(shí)凝固成

28、單相固成單相。 4.4.2 包晶合金的平衡凝固和組織包晶合金的平衡凝固和組織 成分在成分在CDP線上的合金都要發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變線上的合金都要發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 4.4.2.1 wAg=0.424的的Pt-Ag合金：該合金合金：該合金I從液態(tài)從液態(tài)冷卻到冷卻到t1溫度時(shí)，開始結(jié)晶溫度時(shí)，開始結(jié)晶相，繼續(xù)冷卻則相，繼續(xù)冷卻則相相增多，液相相應(yīng)減少。增多，液相相應(yīng)減少。 降溫到降溫到1186C時(shí)，時(shí)，相成分到達(dá)相成分到達(dá)C點(diǎn)，液相點(diǎn)，液相L成分成分達(dá)到達(dá)到P點(diǎn)，此時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)：點(diǎn)，此時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)：LP+C=D 反應(yīng)完后反應(yīng)完后液相和液相和相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘垠w相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘垠w。再冷則。再冷則析出，析出，室溫

29、組織為室溫組織為+。 包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，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相和相和相而生長。當(dāng)相而生長。當(dāng)相表面形成一相表面形成一層層相時(shí)，相時(shí)，相的成分為相的成分為C(10.5)，的成分的成分為為D(42.4)，液相的成分為，液相的成分為P(66.3)。這樣，。這樣，各相界面都存在濃度梯度，于是各相界面都存在濃度梯度，于是Ag原子從原子從液相經(jīng)液相經(jīng)相向相向相擴(kuò)散，而相擴(kuò)散，而Pt原子從原子從相經(jīng)相經(jīng)相向液相擴(kuò)散。相向液相擴(kuò)散。擴(kuò)散造成界面濃度變化，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，界面隨之而濃度變化引發(fā)該處熔點(diǎn)改變，界面隨之移動(dòng)移動(dòng)；界面移動(dòng)又

30、形成濃度梯度；界面移動(dòng)又形成濃度梯度所以所以相相的長大是相界擴(kuò)散移動(dòng)的過程的長大是相界擴(kuò)散移動(dòng)的過程。 D點(diǎn)點(diǎn)(42.4)成分的成分的Pt-Ag合金，包晶轉(zhuǎn)變開合金，包晶轉(zhuǎn)變開始前液相始前液相L和固相和固相的平衡相對量為：的平衡相對量為： WL=(0.424-0.105)/(0.663-0.105)=57.2% W=(0.663-0.424)/(0.663-0.105)=42.8% 兩相相對量之比為兩相相對量之比為WL/W=1.33。如果包晶。如果包晶轉(zhuǎn)變前兩個(gè)平衡相的相對量之比不是轉(zhuǎn)變前兩個(gè)平衡相的相對量之比不是1.33，則包晶轉(zhuǎn)變后要么則包晶轉(zhuǎn)變后要么L相剩余，要么相剩余，要么相剩余。相剩

31、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線內(nèi)的線內(nèi)的Pt-Ag合金，包晶轉(zhuǎn)變合金，包晶轉(zhuǎn)變后后相有剩，相有剩，室溫組織室溫組織+ 。 b. 成分在成分在DP線內(nèi)的線內(nèi)的Pt-Ag合金，包晶轉(zhuǎn)變合金，包晶轉(zhuǎn)變后有后有L相剩余，隨溫度降低將結(jié)晶出相剩余，隨溫度降低將結(jié)晶出相。相。室溫組織為室溫組織為+。 4.6 二元相圖的分析方法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。相圖組合而成的。只要掌握了基本相圖的只要掌握了基本相圖的特點(diǎn)和規(guī)律，就能化繁為簡特點(diǎn)和規(guī)律，就能化繁為簡，對任

32、何復(fù)雜，對任何復(fù)雜相圖進(jìn)行分析和應(yīng)用。相圖進(jìn)行分析和應(yīng)用。 4.6.1 復(fù)雜二元相圖的分析方法復(fù)雜二元相圖的分析方法 1 找出組元找出組元(穩(wěn)定化合物視為組元穩(wěn)定化合物視為組元)，把相圖，把相圖分區(qū)。分區(qū)。 2 確定單相區(qū)確定單相區(qū)(具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相的具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的相的成分和溫度范圍成分和溫度范圍)。 3 根據(jù)根據(jù)(含有含有P個(gè)相的相區(qū)的鄰區(qū)，個(gè)相的相區(qū)的鄰區(qū)，只能含有只能含有P1個(gè)相個(gè)相)確定兩相區(qū)。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。平衡的類

33、型。 4.6.2 二元相圖分析實(shí)例二元相圖分析實(shí)例 鐵碳系是碳鋼，低合金鋼和鑄鐵的基礎(chǔ)。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。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相圖中的相：鐵碳相圖中的主要部分是分是Fe-Fe3C相圖。有以下幾個(gè)固相：相圖。有以下幾個(gè)固相： 1 ：即：即C在在-Fe(體心立方體心立方)中形成的中形成的間隙固熔體，常用間隙固熔體，常用或或F表示表示。C熔于熔于-Fe的八面體間隙，最大固熔度的八面體間隙，最大固熔度(體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù))為為

34、0.0218%。 C在在-Fe(體心立方體心立方)中形成的間隙固熔體稱中形成的間隙固熔體稱為為，用，用表示表示。最大固熔度。最大固熔度(質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)量分?jǐn)?shù))為為0.09%。 2 ：C熔入熔入-Fe(面心立方面心立方)的八面體的八面體間隙中形成的間隙固熔體，通常用間隙中形成的間隙固熔體，通常用或或A表表示示。最大固熔度。最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))為為2.11%。 鐵素體和奧氏體的力學(xué)性能相似，都是軟鐵素體和奧氏體的力學(xué)性能相似，都是軟而韌。此外，而韌。此外，奧氏體為順磁相而鐵素體為奧氏體為順磁相而鐵素體為鐵磁相，但在鐵磁相，但在(OM，770C)以上仍以上仍為順磁相為順磁相。 3 ：Fe3C，

35、一種間隙化合物，一種間隙化合物，正交，正交晶系。點(diǎn)陣常數(shù)：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，。其晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一個(gè)晶一個(gè)晶胞含胞含12個(gè)個(gè)Fe原子和原子和4個(gè)個(gè)C原子原子，將，將相鄰相鄰6個(gè)個(gè)Fe原子連成三棱柱，中間包含原子連成三棱柱，中間包含1個(gè)個(gè)C原子，原子，可以看成是可以看成是Fe3C的結(jié)構(gòu)單元。也可以看成的結(jié)構(gòu)單元。也可以看成是兩個(gè)共頂四面體是兩個(gè)共頂四面體(C為共頂原子為共頂原子)。 理論熔點(diǎn)理論熔點(diǎn)1227C；A0溫度溫度(230C)以下具有以下具有鐵磁性；性硬而脆，鐵磁性；性硬而脆，HB 800；塑性差，延；塑性差，延

36、伸率幾乎為零。伸率幾乎為零。 滲碳體是一種亞穩(wěn)相，在高溫下長時(shí)間加滲碳體是一種亞穩(wěn)相，在高溫下長時(shí)間加熱會(huì)發(fā)生分解，形成石墨：熱會(huì)發(fā)生分解，形成石墨： Fe3C 3Fe+C(石墨石墨) 可見可見鐵碳相圖具有雙重性鐵碳相圖具有雙重性，即一個(gè)是，即一個(gè)是Fe-Fe3C亞穩(wěn)系亞穩(wěn)系相圖，另一個(gè)是相圖，另一個(gè)是Fe-C(石墨石墨)穩(wěn)穩(wěn)定系定系相圖，倆相圖各有其實(shí)用范圍。相圖，倆相圖各有其實(shí)用范圍。 4.6.2.2 相圖中重要的點(diǎn)和線：相圖中重要的點(diǎn)和線： Fe-Fe3C相圖比較復(fù)雜，但相圖比較復(fù)雜，但以三條轉(zhuǎn)變線以三條轉(zhuǎn)變線為中心，掌握相關(guān)的點(diǎn)和線為中心，掌握相關(guān)的點(diǎn)和線的意義后便容的意義后便容易分析

37、了。易分析了。 (1) 三個(gè)主要轉(zhuǎn)變：三個(gè)主要轉(zhuǎn)變： 1) 包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變：HJB為為，其反應(yīng)，其反應(yīng)式為式為 LB+H 1495C J 凡凡wC在在0.090.53%范圍內(nèi)的合金到此溫度范圍內(nèi)的合金到此溫度都要發(fā)生都要發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，生成包晶轉(zhuǎn)變，生成組織組織。 2) 共晶轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變：ECF線為線為，其反，其反應(yīng)式為應(yīng)式為 LC 1148C E+Fe3C 凡凡wC在在2.116.69%范圍內(nèi)的合金到此溫度范圍內(nèi)的合金到此溫度都要發(fā)生都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成共晶轉(zhuǎn)變，生成(+Fe3C),稱為稱為，用，用Ld表示，表示，其組織形態(tài)見圖其組織形態(tài)見圖4-54。 萊氏體冷卻到室溫后稱萊氏體冷卻到室溫后稱，用用Ld表示。為表示。為Ld中的中的 在降溫到在降溫到727C