1、5.3.2 二元共晶相圖 共晶相圖： 當(dāng)兩組元在液態(tài)能無限互溶,在固態(tài)只能有限互溶,并具有共晶轉(zhuǎn)變,這樣的二元合金系所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相圖都屬于共晶相圖。Pb-Sn合金相圖是典型的二元共晶相圖,見圖5.26, 下面以它為例進(jìn)行講解。首先分析相圖中的點(diǎn),線和相區(qū)。圖5.26 鉛錫相圖一、相圖分析1、點(diǎn)： tA，tB點(diǎn)分別是純組元鉛與錫的熔點(diǎn)，為327.5oC和231.9oC。 M點(diǎn)：為錫在鉛中的最大溶解度點(diǎn)。N點(diǎn)：為鉛在錫中的最大溶解度點(diǎn)。 E點(diǎn)：為共晶點(diǎn)，具有該點(diǎn)成分的合金在恆溫183時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變LEM+N 共晶轉(zhuǎn)變：是具有

2、一定成分的液相在恆溫下同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€具有一定成分和結(jié)構(gòu)的固相的過程。 F點(diǎn)：為室溫時(shí)錫在鉛中的溶解度。G點(diǎn)：為室溫時(shí)鉛在錫中的溶解度。2、tAEtB線：為液相線，其中tAE線：為冷卻時(shí)L的開始溫度線，EtB線：為 冷卻時(shí)L的開始溫度線。 tAMENtB線：為固相線，其中tAM線：為冷卻時(shí)L的終止溫度線，tBN線：為冷卻時(shí)L的終止溫度線。 MEN線：為共晶線，成分在MN之間的合金在恒溫183時(shí)均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變LE（M+N）形成兩個固溶體所組成的機(jī)械混合物，通常稱為共晶體或共晶組織。 MF線：是錫在鉛中的溶解度曲線。NG線：是鉛在錫中的溶解度曲線。3、相區(qū)（1）單相區(qū)：在tAEtB液相線以上,為單相

3、的液相區(qū)用L表示，它是鉛與錫組成的合金溶液。tAMF線以左為單相固溶體區(qū)，相是Sn在Pb中的固溶體。tBNG線以右為單相固溶體區(qū)，相是Pb在Sn中的固溶體。（2）兩相區(qū)：在tAEMtA區(qū)為L+相區(qū)，在tBENtB區(qū)為L+相區(qū)。在FMENGF區(qū)為+相區(qū)。（3）三相線：MEN線為L+三相共存線。由相律可知三相平衡共存時(shí)，f=2-3+1=0，只能在恒溫下實(shí)現(xiàn)。 具有共晶相圖的二元系合金，通?？梢愿鶕?jù)它們在相圖中的位置不同，分為以下幾類：成分對應(yīng)于共晶點(diǎn)（E）的合金稱為共晶合金，如Pb-Sn相圖中含Sn61.9%的合金。成分位于共晶點(diǎn)（E）以左，M點(diǎn)以右的合金稱為亞共晶合金，如含Sn19%61.9%的

4、合金都是亞共晶合金。成分位于共晶點(diǎn)（E）以右，N點(diǎn)以左的合金稱為過共晶合金。如含Sn61.9%97.5%的合金都是過共晶合金。成分位于M點(diǎn)以左，N點(diǎn)以右的合金稱為端部固溶體合金。如含Sn小于19%和大于97.5%的合金都是端部固溶體合金。二.共晶系典型合金的平衡凝固過程分析1.端部固溶體合金（10%Sn-Pb合金）由圖5.26可以看出，合金冷卻到t1溫度時(shí)開始發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變從L。隨著溫度的降低量不斷增加，L量不斷減少，并且相的成分沿固相線tAM變，L相的成分沿液相線tAE變。當(dāng)冷卻到t2溫度時(shí)L全部轉(zhuǎn)變成相，繼續(xù)降低溫度相自然冷卻不發(fā)生成分和相的變化。當(dāng)冷卻到t3溫度時(shí)，Sn在固溶體中達(dá)到飽和狀

5、態(tài)，因此隨著溫度的降低，它處于過飽和狀態(tài)，多余的Sn以固溶體的形式從固溶體中析出，這時(shí)固溶體的平衡成分沿MF線變化，相對量逐漸減少，而析出的固溶體的平衡成分沿NG線變化，相對量逐漸增加。通常將固溶體中析出另一種固相的過程稱為脫溶轉(zhuǎn)變，脫溶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物一般稱為次生相或二次相。次生相固溶體用表示，以區(qū)別從液相中直接凝固出的固溶體。由于次生相是從固相中析出的，而原子在固相中的擴(kuò)散速度慢，所以次生相一般都較細(xì)小，并分布在晶界上或固溶體的晶粒內(nèi)部。由上述分析可知該合金在室溫時(shí)的組織為+，見圖5.27。圖中黑色基體為相，白色顆粒為相。圖5.28為該合金的平衡凝固過程示意圖。圖5.27 10%Sn-Pb 合金

6、顯微組織 500圖5.28 10%Sn-Pb 合金凝固過程示意圖由相圖可以看出F點(diǎn)以左，G點(diǎn)以右的合金凝固過程與勻晶合金完全相同，而成分位于F點(diǎn)和M點(diǎn)之間的所有合金的平衡凝固過程都與上述合金相同,顯微組織都為+ ,只是和 的相對量不同。合金成分越接近M點(diǎn)，其含越多，而越接近F點(diǎn)，其含越少。另外由相圖還可以看出，成分位于N點(diǎn)和G點(diǎn)之間的所有合金的平衡凝固過程與上述合金相似，所不同的是它從L，從 。由于某些固溶體合金的溶解度隨溫度的降低而降低，因此可以通過熱處理來控制次生相的析出量和大小，從而達(dá)到改善合金性能的目的。所以，由相圖不僅可以判斷合金的特性，還可以指導(dǎo)熱處理生產(chǎn)。2共晶合金（61.9%S

7、n-Pb）由相圖可以看出共晶合金從液態(tài)緩慢冷卻到tE溫度時(shí), 在恒溫下從液相中同時(shí)結(jié)晶出兩個成分不同的固相,即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變LEM+N (L61.9%19%+97.5% )由于發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)是三相平衡,所以可以用相律證明它是在恒溫下進(jìn)行的。共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下一直進(jìn)到液相完全消失,繼續(xù)冷卻M 和N分別析出次生相 和,成分分別沿著MF和NG線變化。 由于析出的和與共晶體中的和常常混合在一起,所以在顯微鏡下很難分辨。因此該合金在室溫時(shí)的組織一般認(rèn)為是由(+) 共晶體組成。圖5.29 鉛錫共晶合金的顯微組織 200見圖5.29, 它是由黑色的相和白色的相呈層片狀交替分布。圖5.30為該合金平衡凝固的示意圖

8、。圖5.30 共晶合金凝固過程示意圖合金的顯微組織： 是指在金相顯微鏡下能夠觀察到的組成部分。 共晶合金的顯微組織是由和兩相組成,所以它的相組成物為和兩相。相組成物：是指組成合金顯微組織的基本相。組織組成物： 是指合金在結(jié)晶過程中,形成的具有特定形態(tài)特征的獨(dú)立組成部分。如共晶合金的組織組成物為100%的（+）共晶體。而相組成物的相對量可用杠桿定律計(jì)算，如在tE溫度時(shí)的相對量為或，而在室溫時(shí)的相對量為 。3、亞共晶合金（50%Sn-Pb合金） 由圖5.26可以看出該合金在冷卻到t1溫度時(shí)，開始發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，從L，該稱為初生相或初晶固溶體或先共晶相，用初表示，隨著溫度的降低，初的成分沿著固相線tA

9、M變，相對量不斷增加，L的成分沿著液相線tAE變，相對量不斷減少，當(dāng)冷卻到t2溫度時(shí)初的成分達(dá)到M點(diǎn)的成分，剩余液相的成分達(dá)到E點(diǎn)的成分，它們的相對量可用杠桿定律計(jì)算: 初%=（L%=100%-初%=72.2%）或 L%= 在該溫度（略低于t2）剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變LE全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w，此時(shí)的組織為初+（+），可以看出共晶體的量就等于t2溫度時(shí)液相的量。因此（+）%=L%=72.2%，這時(shí)它的相組成物為和，它們的相對量為%=，%=100%-%=39.5%。繼續(xù)冷卻由于固溶體的溶解度減小，因此它們都要發(fā)生脫溶過程，初和共的成分沿MF線變化析出二次相初II， 共II；共的成分沿NG線變化析出二次相

10、共II，它們析出的二次相II和II的成分也分別沿著MF和NG線變化，相對量逐漸增加。由于共晶體（+）中析出的二次相II與共晶體、混合在一起，在顯微鏡下分辨不出，所以該合金的室溫組織為初+II+（+）。見圖5.31暗黑色塊狀部分為初，在其上的白色顆粒為II，而黑白相間的部分為共晶體（+），圖5.32為該合金的平衡凝固示意圖?？梢钥闯鲈摵辖鹪谑覝貢r(shí)的相組成物為和兩相，它們的相對量為，而組織組成物為初+II+（+），它們的相對量也可用杠桿定律計(jì)算。由前面計(jì)算可知初%=27.8%,(+)%=72.2%,現(xiàn)在要計(jì)算從初中析出的II的量，應(yīng)先計(jì)算出II的最大析出量（即為100%初中能析出的II的量）II最

11、大%=，則從初中析出的II量為，II%=II最大%初%=。另外由相圖可以看出，所有亞共晶合金的凝固過程都與該合金的凝固過程相同，不同的是當(dāng)合金成分靠近M點(diǎn)時(shí)，初的相對量增加，析出的II%增加，其（+）的相對量減少；而合金的成分靠近E點(diǎn)時(shí)，初的相對量減少，析出的II%減少，（+）相對量增加。圖5.31 50%Sn-Pb 合金顯微組織 200圖5.32 亞共晶合金凝固過程示意圖4 、過共晶合金（70%Sn-Pb合金）由相圖可以看出過共晶合金的凝固過程與亞共晶合金的凝固過程相似，不同的是它的初生相（先共晶相）為固溶體，因此它在室溫時(shí)的組織為： 初+II+（+），見圖5.33，其中白亮色卵形部分為初，

12、黑白相間部分為共晶體（+），過共晶合金的具體凝固過程請大家課后自己進(jìn)行分析。由上述典型合金的平衡凝固過程分析，可以得出二元共晶系合金的組織組成物圖（或叫組織分區(qū)圖）如圖5.34。 圖5.33 70%Sn-Pb 合金顯微組織 200 圖5.34 鉛錫合金組織分區(qū)圖三、共晶系合金的不平衡凝固及組織共晶系合金在不平衡凝固時(shí)，由于冷卻速度快原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，這不僅使固溶體產(chǎn)生枝晶偏析，而且還使共晶體的組織形態(tài)和共晶體與初晶的相對量發(fā)生變化，共晶系合金的典型不平衡凝固組織主要有偽共晶和離異共晶。1. 偽共晶由共晶系合金的平衡凝固過程分析可知，只有共晶成分的合金在平衡凝固時(shí)，才能得到100%的共晶組織

13、。但是在不平衡凝固時(shí)，成分在共晶點(diǎn)附近的亞共晶和過共晶合金，也能得到100%的共晶組織，這種由非共晶成分的合金經(jīng)不平衡凝固后，所得到的全部共晶組織稱為偽共晶組織。成分在共晶點(diǎn)附近的亞共晶和過共晶的合金，在不平衡凝固時(shí)能夠得到全部共晶組織的原因是，在不平衡凝固時(shí)由于冷卻速度較快，合金液體被過冷到共晶溫度以下才凝固，這時(shí)液相對固溶體的飽和極限，沿著液相線的延長線變化，而液相對固溶體的飽和極限，沿著液相線的延長線變化，當(dāng)合金液體過冷到這兩條延長線所包圍的區(qū)域中時(shí)，同時(shí)被和兩相所飽和，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而得到全部的共晶組織，這兩條延長線所包圍的區(qū)域稱為偽共晶區(qū)，凡是合金被過冷到該區(qū)域才凝固，都能得到偽共晶組

14、織。見圖5.35。圖5.35 共晶系合金的不平衡凝固通常亞共晶合金和過共晶合金在不平衡凝固時(shí)，隨著冷卻速度的增加，初晶量減少，共晶量增加。這種比平衡凝固時(shí)多出的共晶體都具有偽共晶特征，但不稱它為偽共晶組織，因?yàn)閭喂簿ЫM織的形態(tài)特征與共晶組織完全相同，只是它的合金成分不是共晶成分。值得注意的是偽共晶區(qū)并不只是簡單的由兩液相線的延長線所構(gòu)成，偽共晶區(qū)的形狀和位置，通常與組成合金的兩組元的熔點(diǎn)和組成共晶體的兩相的生長速度以及共晶點(diǎn)的位置等因素有關(guān)。 當(dāng)兩組元的熔點(diǎn)相近，共晶點(diǎn)的位置一般處在共晶線的中間，這時(shí)兩組成相的生長速度相差不大，因此，偽共晶區(qū)大體上與共晶點(diǎn)對稱，見圖5.36（a）， 當(dāng)組元的熔

15、點(diǎn)相差較大時(shí)，共晶點(diǎn)的位置一般偏向低熔點(diǎn)的組元，在這種情況下形成（與液相成分相近）比形成（與液相成分相差較大）容易。（因?yàn)橹挥挟?dāng)相生長到一定程度后，使液相中溶質(zhì)濃度升高到一定程度時(shí)才能形成相），如果相的生長速度比相大的多，則偽共晶區(qū)偏向高熔點(diǎn)組元；當(dāng)相的生長速度約大于或等于相的生長速度，則偽共晶區(qū)逐漸向低熔點(diǎn)組元偏離，見圖5.36（c），(d)，（b），在這種情況下不平衡凝固時(shí)，共晶成分的合金也得不到全部共晶組織。圖5.36 四種偽共晶區(qū)因此偽共晶區(qū)在相圖中的位置，對于了解合金在不平衡凝固后的組織是很有幫助的，圖5.37中共晶成分的Al-Si合金，由于偽共晶區(qū)偏向右邊（Si側(cè)），使其在不平衡凝

16、固后得到初+（+Si）的亞共晶組織，（因?yàn)楣簿С煞值囊合噙^冷后其表象點(diǎn)a，沒有落入偽共晶區(qū)，則先凝固出相，使液相成分移到b點(diǎn)，才能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，這就相當(dāng)于共晶點(diǎn)向右移動，共晶合金變成了亞共晶合金），同樣過共晶成分的合金在不平衡凝固后，也可能得到亞共晶或共晶組織。圖5.37 鋁-硅合金系的偽共晶區(qū)2. 離異共晶離異共晶通常出現(xiàn)在成分接近M點(diǎn)或N點(diǎn)的端部固溶體合金的不平衡凝固組織中，見圖5.38。圖5.38 可能產(chǎn)生離異共晶示意圖 圖5.39 4%Cu-Al 鑄造合金中的離異共晶， 晶界上的相為Al2Cu 200由圖可以看出這樣的合金在平衡凝固時(shí)，組織中不會有共晶體出現(xiàn)。但在不平衡凝固時(shí)，由于冷卻

17、速度較快，原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，使形成的固溶體中存在著枝晶偏析，其平均成分線偏離了固相線；（液相中由于原子擴(kuò)散快，故可以認(rèn)為它的平均成分線偏離的少或不偏離），因此當(dāng)合金冷卻到與固相線相交的溫度時(shí)，凝固過程還沒有完成，仍剩有少量液體；當(dāng)合金冷卻到共晶溫度或共晶溫度以下時(shí)，剩余液相的成分達(dá)到或接近共晶成分，它將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成共晶體，由于剩余液相的量很少，并且是最后凝固，因此形成的共晶體往往為一薄層，分布在先共晶固溶體（初晶固溶體）的晶界或枝晶間，它的組織形態(tài)見圖5.39。由于共晶體中與初生固溶體相同的一相，往往依附在初生固溶體上生長，而把另一相推向最后凝固的晶界處，因此這種共晶體失去了共晶組織的形態(tài)特征，看上去好象兩相被分離開來，所以稱為離異共晶。圖5.39是含4%Cu的Cu-Al合金在不平衡凝固時(shí)形成的離異共晶（+Al2Cu），在晶界處分布的是金屬化合物Al2Cu。由于端部固溶體合金在不平衡凝固時(shí)可以形成離