第三章二元相图

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勇伏
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1 金属材料及热处理二元合金的相结构与结晶主讲教师 : 段献宝邮箱 :witxbduan@qq.com 网站 : 1

2 内容目录 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 2

3 引言 3

4 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 4

5 3.1 合金中的相合金的组元 (Component of alloy) 组成合金最基本的独立的物质叫做组元, 简称元黄铜 : 铜 - 锌碳钢 : 铁 - 碳合金系 (Alloy system) 由给定的组元可以以不同的比例配制成一系列成分不同的合金, 这一系列合金就构成了一个合金系统, 简称合金系铜锌合金, 不论配比如何, 均属铜锌二元合金系 5

6 3.1 合金中的相相 (Phase) 相是合金中结构相同成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分 6

7 组织 3.1 合金中的相在金属和合金中, 由于形成条件不同, 可能形成不同的相, 相的数量形态及分布状态可能不同, 从而形成不同的组织相是组织的基本组成部分铁素体单相组织珠光体细条状者为渗碳体, 白色基底为铁素体 7

8 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 8

9 3.2 合金的相结构固溶体 (Solid solution) 合金的组元之间以不同比例相互混合后形成的固相, 其晶体结构与组成合金的某一组元的相同, 这种相就成为固溶体溶剂 (Solvent): 晶格保持不变的组元溶质 (Solute): 溶入晶格中的组元 9

10 3.2 合金的相结构固溶体的分类 A) 按溶质原子在晶格中所占位置分 : 置换固溶体 (Substitutional solid solution) 间隙固溶体 (Interstitial solid solution) 10

11 3.2 合金的相结构固溶体的分类 B) 按固溶度分类 : 有限固溶体 : 固溶度无限固溶体 : 溶剂 (>50%) vs 溶质 (<50%) 11

12 3.2 合金的相结构固溶体的分类 C) 按溶质和溶剂原子的相对分布 : 无序固溶体 (Disordered solid solution) 有序固溶体 (Ordered solid solution) 12

13 3.2 合金的相结构置换固溶体的固溶度影响因素 (A) 晶体结构类型溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大, 反之较小形成无限固溶体的溶剂和溶质的晶体结构必须相同晶体结构不同, 只能有限固溶 (B) 原子尺寸因素溶剂原子半径 r A 与溶质原子半径 r B 的相对差 r A -r B /r A 不超过 15% 有利于大量固溶, 反之固溶度非常有限 13

14 3.2 合金的相结构置换固溶体的固溶度影响因素 (C) 电负性因素电负性 : 原子获得或吸引电子的相对倾向电负性相差越大, 越不利于形成固溶体, 而易于形成金属化合物电负性差值越小, 固溶体的固溶度越大 (D) 电子浓度因素电子浓度 : 合金中价电子数目与原子数目的比值对于 IB 族金属溶剂时, 溶质元素的原子价愈高, 其极限固溶度愈小 14

15 3.2 合金的相结构间隙固溶体 (Interstitial solid solution) 一些原子半径小于 0.1nm 的非金属元素如 H,O,N,C,B 等受原子尺寸因素的影响, 不能与过渡族金属元素形成置换固溶体, 却可处于溶剂晶格结构中的某些间隙位置, 形成间隙固溶体只有当 r 溶质 /r 溶剂 <0.59 时, 才有可能形成间隙固溶体由于间隙位置是有限的, 因此间隙固溶体只能是有限固溶体 15

16 3.2 合金的相结构固溶体的结构虽然固溶体保持溶剂的晶格类型, 但结构还是发生了变化 (A) 晶格畸变由于溶剂与溶质原子大小不同, 在形成固溶体时会造成晶格畸变, 表现在晶格常数的变化 16

17 3.2 合金的相结构固溶体的结构 (B) 偏聚与有序当同种原子间结合力大于异种原子, 溶质原子倾向于成群聚集, 形成偏聚区 (b) 当异种原子间结合力较大时, 溶质原子的近邻皆为溶剂原子, 溶质原子呈现短程有序排列 (c) 17

18 3.2 合金的相结构固溶体的结构 (C) 有序固溶体具有短程有序的固溶体, 当温度低于某一值时, 可能由短程有序转变为长程有序, 这种固溶体称为有序固溶体有序固溶体有确定的化学成分, 可以用化学式表示有序固溶体温度加热到某一临界值, 会转变成无序固溶体有序固溶体介于固溶体和化合物之间, 更接近金属化合物 18

19 3.2 合金的相结构固溶体的性能 A. 固溶强化固溶体的强度硬度提高, 塑性韧性下降溶质与溶剂尺寸相差越大, 强化效果越好一般来说, 间隙固溶体的强化效果比置换固溶体要好 B. 电阻率增大随固溶度提高, 电阻率增大, 电阻温度系数减小 19

20 3.2 合金的相结构金属化合物 (Intermetallic compound) 两组元组成的合金中, 在形成有限固溶体, 如果溶质含量超过其溶解度时, 将会出现新相, 其成分处在 A 在 B 中和 B 在 A 中的最大溶解度之间, 故叫中间相中间相具有金属的性质, 又称金属化合物金属化合物的晶体结构及性能不同于任一组元, 一般可以用分子式来大致表示其组成金属化合物的主要分类 : A. 正常价化合物 : 符合原子价规律 B. 电子化合物 : 晶体结构取决于电子浓度 C. 间隙相和间隙化合物 : 小尺寸原子与过渡族金属 20

21 3.2 合金的相结构 A. 正常价化合物两种电负性相差较大的元素按通常的化学价形成的化合物主要是金属元素与 IVA-VIA 族元素形成的化合物化合物包括从离子键, 共价键过渡到金属键为主的一系列化合物, 如 MgS Mg 2 Sn 等成分符合化学价规律, 具有严格的化合比, 成分固定不变, 可用化学式表示化合物具有较高的硬度, 脆性较大 21

22 3.2 合金的相结构 B. 电子化合物由 IB 族 (Ag Au Cu) 或过渡族金属与 IIB IIIA IVA 族金属元素形成的合金, 不遵循化合价规律, 而是按着一定电子浓度的比值形成化合物电子浓度不同, 所形成化合物的晶体结构也不同可以用化学式表示, 但其成分可以在一定范围内变化电子化合物的结合键为金属键熔点一般较高, 硬度高, 脆性大 22

23 3.2 合金的相结构 C. 间隙相与间隙化合物过渡族金属 ( 用 M 表示 ) 与原子半径很小的非金属元素 ( 如 H,B,C,N, 用 X 表示 ) 等形成的化合物 r X /r M < 0.59: 形成具有简单晶体结构的化合物, 称为间隙相 ; r X /r M >0.59, 形成具有复杂晶体结构的化合物, 称为间隙化合物 H N 原子半径较小氢化物和氮化物是间隙相 B 原子半径较大硼化物是间隙化合物 C 原子半径适中碳化物既可能成为间隙相, 也可能成为间隙化合物 23

24 3.2 合金的相结构间隙相具有简单的晶体结构, 如 BCC FCC HCP 等, 金属原子位于晶格正常的格点上, 非金属原子位于晶格的间隙位置间隙相可用简单化学式 M 4 X M 2 X MX MX 2 等表示, 但成分可以在一定范围内变动, 并且一定化学式对应一定晶体结构间隙相具有极高硬度和熔点间隙相与间隙固溶体之间有本质的区别 : 间隙相是一种化合物, 具有与其他组元完全不同的晶体结构 ; 间隙固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型 24

25 3.2 合金的相结构间隙相间隙相间隙固溶体 25

26 3.2 合金的相结构间隙化合物间隙化合物种类较多, 钢中出现的主要类型有 M 3 C,M 7 C 3, M 23 C 6 等一般合金钢中常出现的间隙化合物为 Cr,Mn,Mo, Fe 的碳化物或它们的合金碳化物间隙化合物晶体结构十分复杂, 例如 Cr 23 C 6 具有复杂立方结构, 包含 92 个金属原子,24 个碳原子间隙化合物也具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相要低些, 而且加热时也较容易分解 26

27 3.2 合金的相结构间隙化合物 Fe 3 C 是钢中的一种基本组成相, 称为渗碳体, 其晶体结构如右图其中的 Fe 原子还可被其它金属原子所置换, 形成合金渗碳体 27

28 3.3 二元合金相图的建立相图 (Phase diagram) 相图是表示平衡条件下 (Equilibrium) 合金系中合金的状态与温度成分间关系的图解, 又称为状态图或平衡图水的相图铁的相图 28

29 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 29

30 3.3 二元合金相图的建立二元合金相图合金的存在状态由成分温度压力三因素有关合金的熔炼加工一般是在常压下进行, 因此二元合金相图一般都以合金成分为横座标, 温度为纵座标来表示不同温度成分条件下的合金相组成匀晶相图共晶相图 30

31 3.3 二元合金相图的建立相图的测定液相线液相区固相线固相区 31

32 3.3 二元合金相图的建立相图的测定 1. 配制一系列成分不同的 Cu-Ni 合金 1100%Cu; 270% Cu +30%Ni;350%Cu +50%Ni;4100%Ni 2. 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线 3. 找出各冷却曲线上的临界点, 并将其分别标注在温度一成分坐标图中相应的合金线上纯金属在恒温下结晶, 只有一个临界点 ; 合金在温度范围内结晶, 有两个临界点 ( 上临界点 : 开始结晶 ; 下临界点 : 结晶终了 ) 4. 连接各相同意义的临界点, 所得的线称为相界线这样就获得了 Cu 一 Ni 合金相图 32

33 3.3 二元合金相图的建立杠杆定律 (Lever rule) 二元合金在平衡状态下两相共存, 如结晶时, 可以利用杠杆定律计算出某一温度下两相的相对量 x c x L x S s 33

34 3.3 二元合金相图的建立杠杆定律 (Lever rule) 设合金的总质量为 1, 液相质量为 m L, 固相质量为 m S, 则有 : m L + m S =1 则合金 x 的含 Ni 量应和液相和固相中总 Ni 量相等, 即 : 所以有 : m m L s x =( m L + m S )x = m L x L + m S x S ar ar ac m s rc 100%, m 或 : L rc ac m m L s rc ar 100% 杠杆定律只适应于平衡相图的二相区 34

35 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 35

36 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图 (Isomorphous phase diagram) 两组元不但在液态下无限互溶, 在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图, 称为匀晶相图匀晶转变 : 合金在结晶时从液相结晶出单相的固溶体匀晶转变反应式 : 具有这类相图的二元合金系 : Cu-Ni Ag-Au Cr-Mo Cd-Mg Fe-Ni Mo-W 等 36

37 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图 (Isomorphous) 相图的坐标纵坐标 : 温度横坐标 : 成分相图中的线和区相图中有二条线, 将整个图形分成三个区液相线 (Liquid line) 固相线 (Solid line) 液相区 (Liquid-phase field) 固相区 (Solid-phase field) 二相区 (L + α) 二组元在液态和固态都能够完全相互溶解, 所有成分的合金在固态只有一种晶体结构, 相图中只有一个固相区 37

38 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金的平衡结晶过程 T 3 38

3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金的平衡结晶过程 1 合金从液态开始缓慢冷却, 当温度降低到液相线 (1 点 ) 时, 结晶开始此时结晶出来的极少量固相成分为 S 1, 液相的成分基本未变随着温度降低, 固相逐渐增多, 液相不断减少液相的成分沿液相线变化, 固相的成分沿固相线变化 2 3

39 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金的平衡结晶过程 1 合金从液态开始缓慢冷却, 当温度降低到液相线 (1 点 ) 时, 结晶开始此时结晶出来的极少量固相成分为 S 1, 液相的成分基本未变随着温度降低, 固相逐渐增多, 液相不断减少液相的成分沿液相线变化, 固相的成分沿固相线变化 2 3 温度降低到 1300 C 时, 液相成分为 45%Ni, 固相成分为 58%Ni 当温度降低到 2 点, 即固相线温度时, 液相的成分为 L 2, 固相的成分为合金的平均成分 (53%Ni) 此时液相实际上已经不存在了, 都已结晶成为固相温度继续下降, 一直冷却到室温, 合金在固态没有任何转变发生 39

40 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶异分结晶异分结晶 : 固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同同分结晶 : 纯金属结晶时, 所结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样异分结晶溶质原子在液相和固相之间重新分配分配系数 40

41 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶溶质分配系数平衡分配系数 : 在一定温度下, 固液两平衡相中溶质浓度的比值 k 0 ( k 0 = C S /C L ) k 0 值的大小, 反映了溶质组元重新分配的强弱程度 41

42 温度 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶平衡结晶时的溶质扩散固溶体合金需要在一定的温度范围内结晶, 在此温度范围内, 只能结晶出一定数量的固相 ( 与平衡时间无关 ) a. 合金的温度降低 ; 液相 b. 固相数量增加, 固相和液相的成分也分别沿着固相线和液相线连续地发生改变 ; T 1 T 2 T 3 T 4 c. 原子的扩散 ( 在固相和液相内部, 以及固相与液相之间 ) 固相 C 0 溶质浓度 42

43 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶平衡结晶时的溶质扩散温度 T 1 温度 k 0 C 1 k 0 C 2 T 1 T 2 L C 1 C 2 溶质浓度 C 1 a a C 0 k 0 C 1 L a k 0 C 1 L C 0 b a L+a 溶质浓度 C 1 C 0 a k 0 C 1 L c a C 1 k 0 C 1 L d C 0 43

44 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶平衡结晶时的溶质扩散温度 T 1 合金在温度 T 1 结晶, 析出成分为 k 0 C 1 的固溶体晶核 ; 溶质原子通过固液界面向液相中扩散, 使液相成分达到 C 1, 远离固液界面处的液相成分仍然保持 C 0 ; 直到液相成分全部变到 C 1 为止在界面的临近区域形成浓度梯度 ; 界面处的溶质原子向远离界面的液相扩散, 远处液相的溶剂原子向界面处扩散 ; 为保持界面处的相平衡关系, 界面向液相中移动, 即晶体长大 ; 界面处的溶质原子浓度自 C 0 降至 C 0 '; 44

45 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶平衡结晶时的溶质扩散温度 T 2 溶质浓度 C 2 C 1 a C 2 b 温度 k 0 C 1 k 0 C 2 T 1 T 2 L C 1 C 2 k 0 C 1 a k 0 C 2 L a k 0 C 2 L a L+a 溶质浓度 C 2 k 0 C 2 c C 0 a L 45

46 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体平衡结晶特点与纯金属凝固一样, 固溶体结晶由形核和长大来完成结晶过程形核的方式可以是均匀形核, 也可以是依靠外来质点的非均匀形核固溶体形核时既需要结构起伏, 满足临界晶核的要求, 也需要能量起伏, 满足新相对形核功的要求 ; 此外由于固溶体结晶时所结晶出的固相成分和原液相成分不同, 还需要成分起伏凝固在一温度范围内进行只有在温度不断下降时固体量才增加, 温度不变, 液固数量维持平衡不变凝固过程中液体和固体的成分在不断变化过冷度越大, 临界晶核半径越小, 形核时所需能量起伏越小, 同时结晶出来的固相成分和原液相成分越接近, 越容易满足成分起伏的需要过冷度越大, 形核率越大, 晶粒越细 46

47 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金非平衡结晶在极缓慢的冷却条件下, 才能使每个温度下的扩散过程进行完全, 实现平衡结晶然而, 在实际生产中, 合金的冷却速度较大, 在一定温度下扩散过程尚未进行完全时, 温度就继续下降了, 这就使固相内保持一定的浓度梯度, 造成各相内成分的不均匀这种结晶称为不平衡结晶平衡结晶的匀晶合金组织示意图 Cu-30%Ni 合金的非平衡结晶组织 ( 白亮区域含 Ni 量高含 Cu 低, 深色区域则相反 ) 47

48 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金非平衡结晶 48

49 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金非平衡冷却凝固过程中, 液固两相的成分偏离液固相线 ; 凝固过程进行到一更低的温度才能完成 ; 凝固后固体的成分是不均匀的冷却速度越大, 这些差别特点愈明显快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别, 所以称为晶内偏析 ; 金属的晶体往往以树枝晶方式生长, 偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别, 因此这种偏析又称枝晶偏析 49

50 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金非平衡冷却 50

51 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶晶内偏析的影响因素相图中液固线相距越大, 先后凝固的固相成分差别越大, 晶内偏析愈严重最大偏析量为 :C 0 - k 0 C 0 =C 0 (1-k 0 );k 0 <1 时,k 0 越小偏析越大 ;k 0 >1 时,k 0 值越大偏析也越大组成元素原子的迁移能力愈低 ( 扩散系数小 ), 偏析愈严重冷却速度的影响较复杂, 一般而言, 冷却速度愈大, 造成的晶内偏析将愈严重但冷速大, 过冷度也大, 可以获得更细小的晶粒, 尤其是小铸件, 当以极大速度过冷至很低温度才开始结晶时, 往往能够得到成分较为均匀的组织 51

52 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶如何消除晶内偏析? 缓慢冷却? 慢速冷却会使晶粒变大, 晶粒表层和心部之间的距离加大, 成分偏析消除更困难均匀化退火可消除晶内偏析采用快速冷却, 细化晶粒, 会带来晶内的偏析, 即宏观均匀而微观有大的差别 ; 凝固后重新加热到略低于熔点温度, 进行一段时间的保温, 让原子进行扩散迁移, 达到成分均匀, 这种方法称为均匀化退火 52

53 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 53

54 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶相图 (Eutectic phase diagrams) 两组元在液态时无限互溶, 在固态时有限互溶, 在结晶时会发生共晶转变, 形成共晶组织, 其相图为共晶相图共晶转变反应式 : 发生共晶转变的合金系 : Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si, Al-Sn, Pb-Bi, Fe-C 等 54

55 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶相图分析以 Pb-Sn 合金共晶相图为例, 对共晶相图的基本结构 : 点线区分别进行介绍点 : 共晶点熔点最大溶解度点线 : 共晶线液相线固相线溶解度曲线区 : 单相区 (L 相 α 相 β 相 ) 两相区(L+α L+β α+β) 三相区(L+α+β) 55

56 3.5 共晶相图及其合金的结晶典型合金的平衡结晶与组织 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅵ Ⅳ 56

57 3.5 共晶相图及其合金的结晶合金 I(Sn < 2wt%) 含锡量很少, 可将合金看成是纯铅金属, 因此其结晶过程为匀晶转变 57

58 3.5 共晶相图及其合金的结晶合金 Ⅱ(2wt% < Sn < 19wt% ) 1 点 1 点 2: 从 L 相中析出 α 相, 此时 L 相与 α 相共存 L+α ; 2 点 2:L 相完全转变为 α 相 ; 3 点 2 点 3: α 相保持不变 ; 4 点 3: 开始从 α 相中析出 β 相, 此时 α 相与 β 相共存 α+β; 从 α 相析出的 β 相为次生相或二次相, 用 β Ⅱ 表示 β 相往往先在 α 相的晶界处析出, 后从固态 α 相内部析出, 呈点状分布相转变 : L L+α α α+β Ⅱ 58

59 3.5 共晶相图及其合金的结晶合金 Ⅱ(2wt% < Sn < 19wt% ) 室温组织 (α+β Ⅱ ) 及其相对量计算 w II f 4 fg 100%; w a 4g fg 100% 59

60 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶合金 Ⅳ (Sn = 61.9 wt%) 液相合金 IV 冷却到略低于 T E 的温度时, 按一定的比例同时结晶析出 α 和 β 相, 而液体的成分不变, 两固相不断同时析出, 即共同结晶, 故称为共晶转变, 直到液体完全消失, 结晶过程完成, 得到的是两固相的混合物, 称为共晶体这里的 β 相是直接从 L 相中析出的, 可称为初晶或先共晶相相转变 : L L+α +β α+β 60

61 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶合金 Ⅳ (Sn = 61.9 wt%) 室温组织 (α+β) 及其相对量计算 w w n a m me 100% mn en 100% mn 温度低于 T e 继续冷却时,a 相成分沿 mf 变化 b 相成分沿 ng 变化, 分别析出次生相 a II 和 b II 相 ; 这些次生相常与共晶组织中的同类相混在一起, 显微镜下难以分辨 61

62 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶体形核特点交替形核在一定的过冷度下, 尽管两固相都可能从液体中形核, 由于两固溶体的成分结构的差别, 总有一个固相先形核, 它称为领先相, 设领先相为 α, 由于 α 富 A 组元, 其生长时附近液体则富 B 组元,α 的存在和液体中 B 的富集,β 相将附着在 α 上形核并长大, 同理在 β 相外将附着 α 的形核长大 ; 这种方式就是交替形核 62

63 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶体的生长特点共同生长两个相长大时都要排放相应的溶质组元, 排出的溶质将阻碍自身的生长, 但两相同时生长时, 一相排出的组元正是另一相生长所需要的, 所以两相的生长过程将互相促进, 最后是两相共同携手长大 63

64 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶体的组织特点共晶组织的形态很多, 按其中两相的分布形态, 可以将它们分为层片状棒状球状针片状螺旋状等 64

65 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶体的组织特点 65

66 3.5 共晶相图及其合金的结晶亚共晶合金 Ⅲ (19wt% < Sn < 61.9 wt%) 1 点 1 点 2: 从 L 相中析出 α 相, 此时 L 相与 α 相共存 L+α ; 2 点 2: 剩余液相发生共晶转变, L 相与 α 相与 β 相共存 L+α+β, 直到液相完全转变 ; 点 2 点 3: α 相中析出二次 β 相, β 相中析出二次 α 相 3 相转变 :L L+α α 初 + (L+α+β) (α 初 + β II ) + (α+β) 共 66

67 3.5 共晶相图及其合金的结晶亚共晶合金 Ⅲ (19wt% < Sn < 61.9 wt%) 67

68 3.5 共晶相图及其合金的结晶过共晶合金 Ⅵ (61.9wt% < Sn < 97.5 wt%) 过共晶合金的平衡结晶过程和显微组织与亚共晶合金相似, 所不同的是先共晶相是 β 相, 而不是 α 相相转变 :L L+β β 初 + (L+α+β) (β 初 + α II ) + (α+β) 共 68

69 3.5 共晶相图及其合金的结晶组织组成物与组织图 a+ II a+(a+ )+ II a+ +(a+ )+a II +a II 69

70 3.5 共晶相图及其合金的结晶室温组织及其相对量计算例 :Pb-Sn 相图中, 计算 30wt%-Sn 亚共晶合金在共晶温度 183 o C 时的组织组成物和相组成物的含量组织组成物 [α 初 +(α+ β) 共 ] α 初 = 2e/me 100% 74.4%; (α + β) 共 = m2/me 100% 25.6% 相组成物 α+ β α = 2n/mn 100% 86%; β =2m/mn 100% 14% 70

71 3.5 共晶相图及其合金的结晶共晶合金非平衡凝固一般情况下, 冷却速度较快, 共晶体的形成转变进行较快, 共晶体中两相的层片间距变小 ( 相对的比例仍旧不变 ); 非共晶部分的转变同固溶体的非平衡转变 1. 伪共晶 2. 离异共晶 71

72 3.5 共晶相图及其合金的结晶伪共晶共晶点附近非共晶成分的合金在快速冷却时, 少量初生相的析出未进行就被冷却到共晶温度以下, 直接发生共晶转变, 可以得到全部的共晶体组织, 这种组织称为伪共晶它们的形貌和共晶体没有明显的差别 a. 金属 - 金属系合金 : 共晶合金两相生长速度相近, 属粗糙 - 粗糙界面, 其伪共晶区沿共晶成分呈近似对称扩大 b. 金属 - 非金属系合金 : 两组元熔点相差较大, 固液界面为粗糙 - 光滑型, 共晶中两相生长速度相差较大, 伪共晶区偏向高熔点生长缓慢的一边 72

73 3.5 共晶相图及其合金的结晶离异共晶靠近固溶体极限的亚 ( 过 ) 共晶合金, 由于初生晶量很多, 而共晶量很少, 共晶转变时, 共晶中与初晶相同的那个相即附着在初晶相上, 剩下的另一相则单独存在于初晶晶界处, 从而失去了共晶组织的特征, 称为离异共晶 73

74 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 74

75 3.6 包晶相图及其合金的结晶包晶相图 (Peritectic phase diagrams) 两组元在液态无限互溶, 固态有限溶解, 并且发生包晶转变的二元合金系相图, 称为包晶相图包晶转变反应式 : 具有包晶转变的二元合金系 : Pt-Ag Cu-Zn Sn-Sb Cu-Sn 等 75

76 3.6 包晶相图及其合金的结晶包晶相图分析点包晶点 :D 点线液相线 :ACB 固相线 :APDB 固溶度线 :PE DF 包晶转变线 :PDC 区单相区 :L 相 α 相 β 相双相区 :L+α L+β α+β 三相区 : L+α+β A B E F 包晶转变在恒温下进行 76

77 3.6 包晶相图及其合金的结晶典型合金的平衡结晶及其组织 Ⅱ Ⅰ Ⅲ 77

78 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅰ(Ag = 42.4wt% ) P 点 ( 包晶点 ) 合金的凝固 Ⅰ 1 点 1 及以上 : 液体的冷却 ; 2 点 1 点 P: 从液相先析出 α 相 3 点 P: 发生包晶转变 : L c + α d β P, 包晶 4 反应完毕, 形成 β 相点 P 向下 : 继续冷却,β 相固溶体随温度 1 P 而降低, 将析出次生 a II 相室温下包晶点合金的平衡组织为 :β + α II 78

79 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅰ(Ag = 42.4wt% ) β 相的形核在 α 相晶体和液体的边界处, 由于 β 相的成分介于液体和 α 相之间, 所以它是靠消耗部分已有的 α 相和部分液体来实现 β 相的生长在液体和 α 相的交界面处最有利, 沿边界同时消耗液体和 α 相来长大, 形成的 β 相包围在 α 相外围, 将 α 相与液体分隔开, 所以把这种转变称为包晶转变 79

80 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅰ(Ag = 42.4wt% ) β 相的成分在 P 点, 液体和 α 相的成 Ⅰ 分分别在 c d, 开始发生包晶转变时 α L 相含量为 : w a Pc dc 100%; w L dp dc 100% 80

81 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅱ(10.5wt% < Ag < 42.4wt% ) 1 点 1 点 2: 从液相中先析出初晶 α 相 ; 2 点 2: 略低于包晶温度时, 发生包晶转变由于其初晶 α 相所占比例高于合金 Ⅰ( 包晶点 ) 中初晶 α 相比例, 包晶转变完成后 α 相将有剩余, 残余的 α 相在 β 相的晶粒内部 3 点 2 点 3: 继续冷却,β 相固溶体随温度而降低, 将析出次生 α II 相 Ⅱ

82 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅱ(10.5wt% < Ag < 42.4wt% ) 室温下合金 Ⅱ 的平衡组织为 :α+β+α II +β II 82

83 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅲ(42.4wt% < Ag < 66.3wt% ) 1 点 1 点 2: 从液相中先析出初晶 α 相 ; 2 点 2: 略低于包晶温度时, 发生包晶转变包晶转变完成后,L 相将有剩余 ; 3 点 2 点 3:L+β 两相平衡相区, 按固溶体的凝固方式转变, 直到液体全部消耗为止最终组织为单一的 β 相 ; Ⅲ 点 3 点 4: 保持 β 相冷却 ; 5 点 4 点 5:β 相固溶度随温度而降低, 将析出次生 α II 相 83

84 3.6 包晶相图及其合金的结晶合金 Ⅲ(42.4wt% < Ag < 66.3wt% ) 室温下合金 Ⅲ 的平衡组织为 :β+α II 84

85 3.6 包晶相图及其合金的结晶非平衡结晶包晶转变过程伴随组元在 β 相的固体中扩散迁移, 因此包晶转变进行的非常缓慢, 在一般的冷却条件下, 包晶转变未结束, 系统已经到 T P 以下的温度, 液体将将按 L+β 两相平衡规律直接凝固结晶 P 成分合金会有部分 α 相残留, 另一方面 β 相的成分偏离 P 点, 以这种不平衡的组织保留下来成分在 DP 之间的合金, 由于包晶转变的不充分, 在 α 相的晶界处会有液体直接凝固生成的 β 相存在成分在 PC 之间的合金, 本来不应该有剩余的 α 相, 由于包晶转变的不充分, 在 β 相的晶体内部将会有残留的 α 相存在成分小于 d 点的合金也可能因快冷发生包晶反应, 出现部分 b 相 85

86 3.6 包晶相图及其合金的结晶包晶转变的应用包晶转变特点 : a. 转变相依附初晶相生成 ; b. 转变不完全性实际应用 : a. 轴承合金 ( 硬初晶相 + 软基体相配合的包晶组织 ) 初晶相具有小摩擦系数和抗咬合性 ; 基体相具有良好的磨合性和耐冲击性 b. 细化晶粒 Al 合金中加入少量 Ti, 先析出细小的 TiAl3 初晶, 再发生包晶转变, 初晶 TiAl3 起到非均匀形核作用, 能很好细化晶粒 86

87 第三章二元合金的相结构与结晶 3.1 合金中的相 3.2 合金的相结构 3.3 二元合金相图的建立 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶 3.5 共晶相图及其合金的结晶 3.6 包晶相图及其合金的结晶 3.7 其他类型的二元合金相图 87

88 3.7 其他类型的二元合金相图二元相图中可能发生的转变一两熔晶 88

89 3.7 其他类型的二元合金相图共析转变 (Eutectoid reaction) 一定成分的固相, 在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程, 称为共析转变共析转变与共晶转变的相图特征十分类似, 区别仅在于共析转变的反应相是固相而不是液相共析转变反应式 : 89

90 3.7 其他类型的二元合金相图包析转变 (Peritectoid reaction) 两个一定成分的固相在恒温下转变为一个新的固相, 这种恒温反应称为包析转变包析转变与包晶转变的相图特征类似, 只是包析转变中没有液相, 只有固相包析转变反应式 : 90

91 3.7 其他类型的二元合金相图偏晶转变 (Monotectic reaction) 偏晶转变是一个液相 L 1 分解出一个固相和另一成分的液相 L 2 的转变有可能产生偏晶转变的二元系往往在液态时两组元只能部分溶解, 或几乎不溶解偏晶转变反应式 : Cu-Pb 合金相图 91

92 3.7 其他类型的二元合金相图熔晶转变熔晶转变是一个固相转变为另一个固相和一个液相的恒温转变之所以称为熔晶转变, 是因为固相在温度下降时可以部分熔化熔晶转变反应式 : Fe-B 相图 ( 局部 ) 92

93 3.7 其他类型的二元合金相图合晶转变合晶转变是由两个一定成分的液相 L 1 和 L 2 相互作用, 形成一个固相的恒温转变合晶转变反应式 : 93

94 3.7 其他类型的二元合金相图分解型恒温转变类型反应式相图特征共晶转变 L α + β α 共析转变 γ α + β α 偏晶转变 L 1 L 2 + α 熔晶转变 δ L + α L γ L 1 L 2 γ δ β β α L 合成型包晶转变包析转变 L + β α γ + β α L γ α α β β 合晶转变 L 1 + L 2 α L 2 L 1 α 94

95 3.7 其他类型的二元合金相图举例 : 铁碳相图 95

96 本章小结 96

97 本章小结名词概念合金组元相组织固溶体金属化合物杠杆定律匀晶共晶包晶共析转变内容要求 1. 合金中存在的相结构有哪些? 2. 阅读二元相图, 已知部分相区确定相邻相区, 确定双相区和三相区的冷却转变类型和反应式, 分析合金冷却时的相变过程及对应的冷却曲线 3. ( 匀晶共晶包晶 ) 相图中相和组织转变过程, 掌握利用杠杆定律计算平衡转变时相组成和组织组成物的相对含量 97

Microsoft Word - Chap3.doc

Microsoft Word - Chap3.doc 第三章二元相图及合金的凝固 3-1 二元相图概论如前所述, 合金的组织要比纯金属复杂, 为了研究合金的组织与性能间的关系, 必须了解合金的结晶过程, 了解合金中各种组织的形成及变化规律状态图 (state diagram) 表明了合金系中合金的状态与温度成分间的关系, 表示合金系在平衡条件 ( 即缓慢加热或冷却条件 ) 下, 不同温度成分下的各相的关系, 因此又称为平衡图 (equilibrium

第三章 二元相图

第三章二元相图