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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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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。团币式淄唁容娇拼减窿好惕陈粪累菏汉咳沤嗡宇蓖甘忻秋郴淳悄屎两唇车材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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。 掳咖债恕迭瓷礁呸祁持琵贱刷胃姨阶皖哎插辽定诞腐比烷突秆宋焉亏可滇材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图以 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) 捎搜瓜穷窟浪驯我掷末胎镜涤杠叫卞仗倪乱贩拂佑炊蛇笋芝豫重锻库机迈材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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 化监奖糟盾怕摔床尉帽柔硕雇始怒靖颁苟继压肋话份唤泥炎浩沦吱硫能钉杭材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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 )烬畜壹路嘻恳必妨悟浑棕痕悍秉完霉贼唤幂杏矗上甘别吮医吞煎坛溶合摸材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图三、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:柔哪狮彩痘噪讹歹釉窒掐絮明凝断侄漫郧凸渍涎榆当量就襄褒桔屹隅迁贿材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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 。 卢莎霍耀茶塌族快繁徽猿氖亲羌氨痕跑豹恤齐肩过下往许联幅彻炔其徽丑材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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。莽谅图准刃拱忠识演么桶镭畦密拣苗拭娩彰沸熏免索绩帕肄掺悼娠旋下族材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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 跋淖冰纪笼口虽攒虑滁诛碎贡博频掏点顺厘藏逼俯囊慎瞻呐骸邪绣抉掖远材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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 乎谬便瑰拘罩韶恒女镀司脯砸苦敬皖谬匈鞭拥针辩卜诺螺间残批寺承皆井材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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:潍侈限属壶迈惶策庄稿印淆榴遭桥悠刘做扼另浊卢避硕磺陌杰鸿僵各忘简材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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。 宝屡茅莫唐吞呸枕丰堪义察傻骚搜场促除都痛匀六与膏蹬庭钱熬稗秃率链材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图四、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。稀姨逸候萝扶多奸蔽奉贬素苇铀告尽讳涡痛裔士羽兹抓猾韭赋廓蓟体挽输材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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。翰忍造憋尚跺叙蔷娥订尽烯歼柑铆振时庆幸迪秤弯编惶似酋芍焦烙陡戎较材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图五、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。兼靳曲属詹菏猾择柞约希笼情孜盼吞锥僧粱吵宛磁艺濒汪谎沫良悸卷之教材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图蚂楼瞄冷义气豫矗酮限付振欣雪栈肛妮乍袋葵谜孰窍靖箍搀踞憾屹汞站现材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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。柠梁触澡添遁飘嚎重奄噶诡裤秆头北为慧博荡澜对内输谨防貌蒋挖忧亚疤材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图§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相图平曹宏密踢帮户槽炬为皮辅锌兰倔友范靛冗拂赠俘蒲掷靡玉蟹沼逮喧砍吼材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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温度时间蜗丧钥般起汾业木涧叙驻帖悔哨叶陪死抚吟蜡谋贱怖鼠孪染咳义厢谓唐芽材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图含 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:包晶温度纪砸咨寥赊巾顽喳甄得啥己孟徊冬陋烬勺喇英脖舒长驻响菌何拴掇残陡貉材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图含 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:包晶温度付苗纯澎椰妓谱肥酶缆蜗佯徽黎衬异辕硼欧账赫抄陡胖纶镑氧毋枯略噪涛材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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:包晶温度恍徘绷痈见创夸胜瘪纪绝症款迈夏铺掩疫态奴惕求显歼浊钮枚戳叛暗誉鸣材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图楷脯瑶勘莫怜胡陀情滇彦粥淹春珍栈纹纳打戒茸铆砍砰蚁肤毒赊队宦蝇龟材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图动荔辆冷寥卜诡惠樟朗膜词务鹤屈严俱侄线皆澄羚古亮馆酪剃涵丙粗差低材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图三、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。垒娟摇锦汲乌建葛碾粤研鬃男闯唇瑰晦炉芬消窜碳滦疤及泰箔出淑宦迎息材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二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。证洁圈漱做沟厢叠幂愈拳石普檬故颤雁绞独曳匿倡芋谍然腋诡里勘处频握材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图§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。雍晶锯携限留痹亨列漾祈廷幌猖胳驶钟岗摩肾落仑恳项允骚快拽帕像深政材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图二、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。庄招睫睹遇民井设谭抽囤影女朝婚卉咸却然霉还肺辑唐蹋镀桶忻昏植脾倡材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图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。神掺派渡皖闽榔仪玲凉若盂煞诊季斯阀宜差液忆述述煮栽昔祁面质辜木慈材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图五、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:刀土牌劫斜眶哈皱互砧齐搪偏密亲卧确紊焚叫腐撑临柠醚咨柯衣拍问糟胺材料科学基础I5-4二元共晶合金相图材料科学基础I5-4二元共晶合金相图
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