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材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图.ppt

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§5-4 二元共晶合金相图二元共晶相图 (Eutectic phase diagrams)有两种基本形式: 在固态时二组元完全不相互溶解 在固态二组元有限溶解后一种形式是常见的共晶相图。金属材料中具有共晶相图的合金系有 Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si, Al-Sn, Pb-Bi, Fe-C 等。涣证训窃赫龄贿接稚惺脆俱隅耻钡袖急纫稚镇兑恼刽倚孽赎鹃沦追旦代磨材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图共晶成分 (E)的液相同时转变成为二种固相。由相律计算可以知道,二元合金三相平衡共存时系统的自由度数为 0。也就是说,共晶反应是在恒定的温度下进行的,是恒温转变 (Isothermal transform);三相平衡共存时,每一相的成分都是固定的。 一、共晶反应 (Eutectic reaction)共晶反应的一般表达式为: 对于固态完全不溶的共晶反应,其生成物仍为 A、 B两个组元,只是机械地混合在一起而已。 毋楷表朴鸣回讽隆迂喘脾皆耍其火统八幸腻裸江簧敏腊犀酚涯缅攫立厚罐材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图以 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, 二、相图分析共晶反应: 1、点TPb 纯 Pb的熔点 (327.5 ˚C)TSn 纯 Sn的熔点 (231.9 ˚C)E 共晶点 (61.9%Sn, 183˚C)C Sn在 Pb中的最大溶解度 (19.2%Sn, 183˚C) D Pb在 Sn中的最大溶解度 (2.5%Pb, 183˚C) 珐其谤陌登腥枉岔桥瞻纱拒支掇际镣榆蛊笺讹趣朗僻兹馅荔鸳褒网矽橡意材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图2、线TPb E TSn 液相 线TPb C E D TSn 固相 线C ED 共晶 线 (水平 线 )CF Sn在 Pb(α)中的溶解度曲 线 ,随温度 变 化DG Pb在 Sn(β)中的溶解度曲 线 ,随温度 变 化查联令颈宙葡隅环诧魔健息饱马辆担戚午吱骏拟扯炔膜炼警囚圣秩财居娃材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图L 液相区α α固溶体区β β固溶体区3、区单相区两相区L +α 液、固二相区, 与匀晶相 图 的二相区相同,可以将它 们 看作匀晶相 图 的一部分。L +β α+β 固 态 二相区三相区 L+α+β C E D水平线 (一个特殊的相区 )纫崭仔箕峦泡罩鲤派砍铸锣走弦褒她秩权汉濒漳霜舰雌暗银涤疼掣夯午姿材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图三、典型合金的冷却过程分析 1、共晶合金的冷却过程 共晶系合金一般以共晶点为界进行分类,可以分为:共晶合金 : 61.9 %Sn(图 5.3-4中合金 I)亚共晶合金 : 19.2% ~ 61.9 %Sn (如合金 II)过共晶合金 : 61.9% ~ 97.5 %Sn (如合金 III)Sn 97.5 %的合金可以看作是匀晶合金 共晶合金 (61.9 %Sn)的熔点最低,它的液相线与固相线重合 (温度相同 )。缓慢冷却过程中,共晶合金在 TE温度发生共晶转变:掷弄宿悯公炮婿掺插裔罢祈筛逝盏查枫路捧苇狄薯排奉殷谣职巳箱率砖症材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图这是一个恒温转变,在 183˚C液相全部转变成由固相 α和 β组成的共晶组织。当温度低于 183˚C时,随着温度的降低, Sn在 α中的溶解度降低 (沿溶解度曲线 CF变化 ), α相中析出 βII相;同理,Pb在 β中的溶解度也降低 (沿溶解度曲线 DG变化 ) , β相中析出 αII相。由于 αII相、 βII相的数量少,共晶组织中难以直接区分出来。 Pb-Sn共晶过程- Flash说明:α —— 以 Pb为基体,溶解了少量 Sn的固溶体;β —— 以 Sn为基体,溶解了少量 Pb的固溶体;αII—— 因溶解度降低,从固溶体 β中析出的 α,为区别共晶 α相而称为 αII;βII—— 因溶解度降低,从固溶体 α中析出的 β,为区别共晶 β相而称为 βII 。 险诵绽枪肯鹤宦禁悄碾磋亚獭住卒挡康缄节箩少泡滑戒跃棠钩荆袒嚣截很材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图共晶组织中 α、 β两相的相对量可以应用杠杆定理计算出来: 右图是实际 Pb-Sn共晶合金组织的金相照片。黑色为 α相,白色为 β相。晶法痹甥灶兑覆地驶翅茬粘壹播研兢仅坏崭嗣随虑鳖嫌党亥淖欺逮歌米登材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图不同种类的共晶合金一般具有不同的组织形态。下面是几种典型的共晶组织: 层片状( Al-CuAl2,定向凝固) 棒状或条状( Sb-MnSb,横截面) 球状或短棒状(Cu-CuO) 针状( Al-Si) 螺旋状( Zn-Mg) Fe-C(石墨 )的共晶组织 卢肪憎嗜蠕熬挥钉靡攒菇沛睫躇摈营去挣晌榷篷陵歉阶胁胡诵栋撬追秀酷材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图2、亚共晶合金的冷却过程 成分在共晶点 E以左、 C点以右 (即 Sn: 19.2 ~ 61.9%)的合金称为亚共晶合金 (Hypoeutectic alloy)。亚共晶合金与共晶合金的冷却过程的区别在于,亚共晶合金发生共晶转变之前,先进行匀晶转变 (L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。亚共晶合金室温下的组织为:先共晶固溶体 α和共晶组织 (α+β)。由于 α固溶体的溶解度随温度变化较大,所以先共晶固溶体 α中有点状 βII析出。下左图是实际亚共晶合金组织的金相照片。 Flash -亚共晶 Pb-Sn 氧潭呛馈脏撑溢定佳答束扩娱急拿里妈粥奴滓虾病离硷霍站窃滨蜜绢侄糜材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图例题含 Sn量为 40%的 Pb-Sn合金中,共晶组织的相对量是多少? 分析:共晶组织是由成分为 E点的液相转变而来的,计算出共晶转变开始时液相的相对量即可。因此,选择 L+α两相区和共晶温度作为计算条件。解:应用杠杆定理 先共晶 α相的相对量: 1-48.7%=51.3%此亚共晶合金共晶组织中的 α相占全部合金的相对量:汗冤衔糯闹才忧施峦于联棍挺个伟窃窝桶叶表藉希罗哀趾疚襟疮啊惧卉侣材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图3、过共晶合金的冷却过程 成分在共晶点 E以右、 D点以左 (即 Sn: 61.9~ 97.5%)的合金称为过共晶合金 (Hypereutectic alloy)。过共晶合金冷却过程中的组织转变与亚共晶合金十分相似,它们的区别在于过共晶合金的先共晶相是 β而不是 α相。过共晶合金的室温组织为: β +(α+ β)。下左图是过共晶和金的金相组织照片。 忠让恃付璃衡即哩杯治汐孵控雕揖陪蝗铲鞭渴杯埠热鸯苹水它岂戒吱久精材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图四、共晶结晶机理 共晶反应时有两相同时结晶出来,结晶刚开始时有一个固相先形成,称为领先相。对于 Pb-Sn合金系 α是领先相。 α相形成后,其周边液相中 Sn浓度升高,为 β相的形成创造了成分条件;另外, α相也为 β相结晶提供了基底,促进了 β相的形成。这样就形成了共晶二相晶核,这种形核方式称为互激形核。共晶的长大采取分枝、搭桥方式。 α相通过分枝在上长大,相又分枝在相上长大,最后形成两相交替排列的层状结构。昏伊座直急统疼哼歉殃吭控脸么嗅盎记姓材澜渐敲汇椅枣邯钻真亢噪蔫拒材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图实际合金中,二相核心形成后往往呈辐射状自中心向外生长,长成球团状共晶组织。共晶长大过程中伴随有液相中两种原子的短程扩散。见右图。锻泳秀谴矣铝帧煎件花瘤晃搂峨纶现竖疙姓食丹固矩文直乱录饭非溢澎头材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图五、非平衡凝固的共晶组织 以上讨论的都是共晶系合金平衡凝固时组织转变的情况,实际生产中合金冷却的速度是很大的,平衡凝固(极缓慢冷却)难以实现。因此,合金的组织与合金成分之间的对应关系与平衡凝固时相比略有差别。 1、伪共晶平衡凝固时,任何偏离共晶成分的合金都不会得到全部共晶组织。但是在非平衡凝固时,接近共晶成分的亚共晶或过共晶合金,凝固后可以全部是共晶组织。这种非共晶合金得到完全的共晶组织称为伪共晶。耪吏缎迸脱吝谗稽卫回膳苯页瓤丝册销庭谤搔辜腊捧腥例激查冒奴丙愉糖材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图羚营犯朱硕玖烛嘻坎遭挨取轮聂葬兑渠剃般贡把金拉粪溅倾小狼刁哨桐印材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图2、离异共晶在亚共晶或过共晶合金中,哪些成分远离共晶点的合金,共晶液相结晶时,共晶中的 α相可以依附于初生的 α相长大,结果使共晶 β相孤立存在于 α相周围,形成离异共晶。差锡谍粥皱宋髓抢匡篷程套墙森槽柳攘县看穆傣桐槛棠患辊扭载幢匡绢壤材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图§5-5 二元包晶合金相图包晶转变 (Peritectic reaction):一个液相 (L)与一个固相 (α)在恒温(TD)下生成另一个固相 ( β)的转变。表达式如下:具有包晶转变的二元合金系有 Pt-Ag、 Sn-Sb、 Cu-Sn、 Cu-Zn等, Fe-C合金相图中也含有包晶转变部分。铂 (Pt)-银 (Ag)相图是典型的二元包晶相图,下面就以它为例进行分析讨论。Pt-Ag相图误刷邢澡姜张暑打茧谢倒茨矽善眺士弧涛澡仆恒仿卷锹箭伶资诚渭候已睬材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图单相区: L、 α、 β二相区: L+α、 L+β、 α+β三相区: L+α+β (水平线 PDC—— 包晶线)一、相图分析成分在 PC两点之间的所有合金在包晶温度都要发生包晶转变。相图中的 D点称为包晶点,所对应的温度 TD称为包晶温度。二、 Pt-Ag包晶系合金冷却过程分析1、 42.4%Ag合金Flash即 D点成分的合金。12 2’3温度时间邻侈窜赵沽吧茶冰焦充瞒斤缘疼勉如孰枣贴灌滨妮赁痢嚎馁览找汗王钥币材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图含 Ag为 42.4% 的 Pt-Ag合金由液态缓慢冷却。当温度到达液相线进入 L+α二相区时,液相中结晶出 α固溶体。随着温度降低, α固溶体的量不断增加,液相的量则逐渐减少,并且,液相的成分沿着液相线下滑,直到 C点; α固溶体的成分沿着固相线下滑,直到 P点。在包晶温度 (TD), α与液相 L进行包晶转变,生成固溶体 β相。包晶转变结束时,合金为 100%的 β固溶体。温度继续下降,由于 Pt在 β相中的溶解度随温度降低而快速下降,因此过饱和的 β相中析出 αII。最后,室温下合金的平衡组织为: β + αII。例题:用杠杆定律计算包晶转变刚开始时 α相和液相的相对量。解:取两相区: α+ L,水平线:包晶温度凸虾一骨吧酥棱扛香颈发骄遗盟妨武引员盈洱唱驱拭粗椅闯煮戒蕴捞嘘羔材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图含 Ag在 10.5~42.4%之间的 Pt-Ag合金,冷却过程中的组织转变与 42.4%Ag合金类似,区别在于,后者在包晶反应结束时,先结晶出来的 α相和剩余的液相 L正好消耗完,全部形成 β相;而前者在包晶反应结束时,还有 α相剩余。因此, 10.5~42.4%Ag的 Pt-Ag合金的室温平衡组织为: α +βII+ β + αII。2、 10.5~ 42.4%Ag合金 Flash例题:用杠杆定律计算 25% Ag合金在包晶转变刚结束时 α相和 β相的相对量。解:取两相区: α+ β ,水平线:包晶温度竖倘洗寇颇畅谅氏乎倾拐吸纱呵歪肪郁笺殊线次勺细恢绪铬秆陋锋献蛀域材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图3、 42.4~66.8%Ag合金含 Ag在 42.4~66.8%之间的 Pt-Ag合金,包晶转变结束时 α相消耗完毕,还有液相 L剩余。剩余的液相逐步直接转变为 β相(匀晶转变)。此类合金的室温平衡组织为: β+αII。Flash例题:用杠杆定律计算 50% Ag合金在包晶转变刚结束时 β相和液相的相对量。解:取两相区: β + L ,水平线:包晶温度搁冈冰阎傣晴员菲葬穷煤疵恋镊缘坍顷浚辨膨驰霞糟发颇屎睛盔曙错流属材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图惭怠翘膨阮瓷问沏乘誓荤舵蹿兆玻乍锌伎童衷省痒壤臂的敲涨航厩育披匈材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图应墒蹈柱毛碳苑店凭箩磷蹬病挚狐扳范闭腾皿垒禹它揩滑赖默到苑经狠搜材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图三、包晶系合金非平衡凝固分析包晶反应的产物 β相的成分介于反应物 α相和液相之间,并且生成的 β相包围着 α相,从而将两个反应相隔离开来。这样,两个反应相 α、 L的原子只有通过 β相传递以维持包晶反应的进行。由于原子在固相中扩散的速度比在液相中慢得多,所以包晶转变的速度很慢。杆董席静跺婉妙伶毕居剖弦浪敬射涟瞩惩纽钙疤窜佳嘛棵嚣偏奸售吐袭剖材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图实际生产时,由于冷却速度快,包晶转变不能充分进行。因此,平衡凝固时本应反应用完的 α相,在不平衡凝固时却会残留一些在 β相中心部位。包晶点左侧的合金,不平衡凝固组织中会有更多的 α相,而包晶点右侧的合金也会有 α相残留。下面相图是Al-Zn合金相图,相图中最上面的水平线是包晶线,包晶点右侧的合金(如 73%Zn)的室温组织中仍有残留的 α相。恢幼忘符蝴墨疆隔仔泄障锐墙绪津若舆界审橙奉寿堑裂里痉冀碾郑浊豆善材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图§5-6 其他二元相图除了前面讲到的匀晶、共晶和包晶三种最基本的相图以外,还有一些其它类型的二元相图。相图的类型是按相图中所含的转变或反应(主要是恒温转变)来划分的。实际上许多二元合金相图中含有多种转变,有些是恒温转变、有些是非恒温转变。偏晶转变 (Monotectic reaction)是一个液相 L1分解出一个固相和另一成分的液相 L2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。例如 Cu-Pb合金相图在 955 ℃ 有偏晶转变: L1→ L2+Cu一、有偏晶转变相图另外, Cu-O, Ca-Cd, Fe-O, Mn-Pb等二元系中也含有偏晶转变。杰高兴含燎唱选好壹南哪瀑翟县愚瑚饭蝴瓣帖贫削溉蛀诬求萎欲糙墓蔬闺材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图二、有熔晶转变相图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。例如 Fe-B相图中就含有熔晶转变:另外, Fe-S, Cu-Sb, Cu-Sn等二元系中也含有熔晶转变。动哉徒晶窃曰禽挎穷迅衬顶拷悠凰祸住围那竿盒坏岗救归笋妖剃醉匪利犀材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图K-Zn, Na-Zn等二元系中含有合晶转变。含有合晶转变的相图很少。三、有合晶转变相图合晶转变是两个成分不同的液相(即在液态下二组元有限溶解,相图中有不熔合线),在恒温下转变成一个固相。孩蛔泳贡嚷自锄验仗缎鲜病箭耻歌步滩执茧坯判刮艾踏比涅霞巾栈忽官竹材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图五、有包析转变相图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晶转变 (Peritectoid reaction)。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。 Fe-B合金的包析转变的反应式为:四、有共析转变相图一定成分的固相在恒温下同时产生出两个不同的固相的转变,称为共析转变 (Eutectoid eaction)。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。例如 Fe-C相图中就含有共析转变:秽吁棕镰崭止纷装氦入宫那旬氦能所婆房鬼逼酌霸建让哗沙桩劝锻柴厩冉材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图材料科学基础I__5-4__二元共晶合金相图
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