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1、3-5 共晶相图及其合金的结晶,二元共晶相图:两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。如Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Bi等合金系。共晶转变(共晶反应):在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程.共晶组织:共晶转变的产物(两固相混合物),一、相图分析 线（液、固、溶解度）、相区（单、两、三相）、点、反应,特点:液相线:AE、BE,固相线:AMNB溶解度曲线:MF、NG三个单相区:L,三个两相区:L+, L+,+三相共存区: MEN水平线（共晶转变线）在共晶线上发生共晶转变:E为共晶点, tE为共晶温度,成分在共晶点
2、的合金为共晶合金，成分在共晶点以左，M点以右的合金称亚共晶合金，成分位于共晶点以右，N点以左的合金称过共晶合金.,二、典型合金的平衡结晶过程,1 含锡量wSn19%的合金（wSn=10% ）缓冷到1点时,开始从液相结晶出固溶体.随温度降低, 数量不断增多,L相数量不断减少.其成分分别沿固相线AM和液相线AE变化. 冷却到2点,结晶完毕,全部变为固溶体,成分与原始液相相同(匀晶转变)2-3点,保持 固溶体不变.3点以下,Sn在固溶体中呈过饱和状态,多余Sn以固溶体形式从固溶体中析出.随温度的继续降低, 固溶体的溶解度逐渐减少,析出不断进行. 相和相的成分分别沿MF和NG线变化.合金结晶结束后室温
3、组织:+,如图,黑色基体为相，白色颗粒为 ， 分布在的晶界上，或在晶粒内析出。,合金的显微组织,wSn=10%合金的显微组织,合金的平衡结晶过程示意图,、两相的含量可用杠杆定律求出,如合金的、相的含量分别为：,成分位于F和M之间的合金, 平衡结晶过程均与以上相似, 显微组织为+ ,只是两相相对含量不同.,Pb-Sn合金相图,缓冷到温度tE=183时发生共晶转变：继续冷却,共晶组织中和相都要发生溶解度变化: 相成分沿MF线变化, 相成分沿NG线变化,分别析出次生相和 结晶结束后组织为:(+)+ +(极少,忽略),2 含锡量wSn=61.9%的合金(共晶合金),M和N相的含量可用杠杆定律求出：,共
4、晶组织中M和N相的含量,如图, 和呈层片状交替分布,其中黑色为相,白色为相,次生相在显微镜下难以分辨.,合金的显微组织,共晶合金的平衡结晶过程示意图,按两相的分布形态，可分为：层片状、棒状（条状或纤维状）、球状（短棒状）、针片状、螺旋状等。原因:共晶组织中两个组成相的本质决定了其形态.,共晶组织的形态,3 合金的结晶过程(亚共晶合金 19wSn61.9% ）,1-2点,匀晶转变,结晶出固溶体；温度降到2点,相和剩余液相成分分别达到M点和E点,在共晶温度tE发生共晶转变: 转变结束后组织:先共晶相和共晶组织(+)在2点以下继续冷却,将从相(先共晶相和共晶组织中的相)和相分别析出次生相和 室温组织
5、: +(+),亚共晶合金:成分位于共晶点E点以左,M点以右,两相的含量可用杠杆定律求出:,比如,温度降到2点,相和剩余液相成分分别达到M点和E点, 两相的含量分别为:,图中,暗黑色树枝状晶部分是先共晶相,其中的白色颗粒是,黑白相间分布的是共晶组织.其中, 先共晶相的形态:如果是固溶体,一般呈树枝状;如果是亚金属和非金属或化合物,则一般具有规则外形.,亚共晶合金的显微组织,亚共晶合金的平衡结晶过程,与亚共晶合金相比较:相同点:两者平衡结晶过程和显微组织相似.不同点:先共晶相为;室温组织: +(+),4 合金的平衡结晶过程(过共晶合金:wSn61.9%）,过共晶合金:成分位于共晶点E以右,N点以左
6、,过共晶合金的显微组织,白亮色卵形部分为先共晶固溶体,其余为共晶组织,综合以上几种不同成分合金的分析,可以看出:F-M成分范围内,合金组织为+亚共晶合金的组织为:+共晶组织(+)共晶合金完全为:共晶组织(+)过共晶合金的组织为:+共晶组织(+)N-G成分范围内,合金组织为+,其中,、及(+)在显微组织中能清楚区分,是组成显微组织的独立部分,称组织组成物。 从相的本质看，它们都由和两相组成，和两相是组成合金的基本相，称为合金的相组成物。,为分析组织方便,了解合金系中任一合金在任何温度下的组织形态,常把合金平衡结晶后的组织直接填写在合金相图上，如图,合金的组织组成物和相组成物的相对含量都可以用杠杆
7、定律计算。,例如,WSn=30%的合金共晶转变结束后，相和（）共晶组织的含量分别为:,2,2,相组成物和相的含量分别为：,三、不平衡结晶及组织,1 伪共晶在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可得到全部共晶组织,这种非共晶成分的合金得到的共晶组织称伪共晶.原因:此时液相对相和相都是过饱和的,可以同时结晶出相和相.,伪共晶区,伪共晶区的形状分两类:a)随温度降低,伪共晶区相对共晶点近乎对称地扩大金属与金属b)伪共晶区偏向一边歪斜地扩大. 金属与非金属,伪共晶区形状形成的原因:取决于共晶中两个相单独生长时的长大速度和过冷度的关系. 若两相单独生长时的长大速度与过冷度的关系差别不
8、大,则伪共晶区向共晶点下面两边呈对称性扩大.若两相单独生长时长大速度与过冷度关系相差很大,其中一相的长大速度随过冷度增加下降很快,则该相的生长会受抑制,使伪共晶区歪斜地偏向该相一边.,影响相长大速度的因素,由各相本身的晶体结构及其固液界面的性质决定.晶体结构复杂并呈光滑界面的相,其长大速度随温度的降低而下降较快,所以伪共晶区向该相区偏斜.,举例:Al-Si合金系中，共晶合金在快冷条件下结晶后得到亚共晶组织。原因:图中伪共晶区偏向Si的一侧,这样,共晶成分液相表象点a不会过冷到伪共晶区内,只有先结晶出相,相向液体中排出Si溶质原子,液体成分达到b点时,才发生共晶转变.结果,共晶点像向右移动了一样
9、,共晶合金变为亚共晶合金.,伪共晶区在相图中的位置可用来解释一些现象,2 离异共晶先共晶相数量较多、共晶组织较少时，共晶组织依附于先共晶相生长，剩余的另一相单独存在于晶界处，使共晶组织特征消失,这种两相分离的共晶称为离异共晶。,Eg.在合金成分偏离共晶点很远的亚共晶中,其转变在存在大量先共晶相的条件下进行.若冷却速度很慢,过冷度小,则共晶中的相在已有先共晶上长大,要比重新形核长大容易.这样,相易于与先共晶相合为一体,而相存在于相晶界处.成分越靠近M点,越易发生离异共晶.,四、比重偏析 定义:由组成相与溶液之间密度差别引起的一种区域偏析。影响因素:与合金组元的密度差、相图结晶的成分间隔及温度间隔等因素有关。防止方法：增大冷却速度;加入第三种元素;热对流、搅拌。应用：除杂质、提纯贵金属。,五、区域偏析正偏析：对于k01的合金，先凝固的外层中溶质元素含量较后凝固的内层低，是正常偏析。原因：溶质原子在固相内基本不扩散。消除：压力加工或热处理,浇注时采取适当措施。反（负）偏析：在k01的合金中，外层的溶质元素含量比内层的溶质元素含量高。原因：液相的内压。,
