共晶相图在线视频

同学们好

这一节我们来学习共晶相图

由一个液相同时结晶出

两个不同固相的过程

称为共晶转变或共晶反应

共晶转变的产物

是两个固相的混合物

称为共晶组织或共晶体

当两个组元在液态下无限互溶

而在固态下互不相溶

或有限互溶

并发生共晶转变

形成共晶组织的相图

称为二元共晶相图

我们对共晶相图来进行一下分析

图5-11 (a)和 (b) 分别是氧化铝

和氧化锆

以及铅和锡构成的二元系相图

氧化铝和氧化锆固态互不相溶

而锡和铅固态是有限互溶

因为固态有限互溶的共晶相图比较多

所以我们这里以铅-锡二元共晶相图

来进行分析

图中α是锡部分溶于铅的固溶体

β是铅部分溶于锡的固溶体

aeb为液相线

acedb为固相线

cf 是锡在铅中的饱和溶解度曲线

也称固溶度曲线

dg是铅在锡当中的饱和溶解度曲线

该相图有3个单相区

即液相L

固溶体α和固溶体β

相区之间有3个两相区

即L加α

L加β和α加β

在L加α

L加β与α加β两相区之间

有一条水平线CED

它是L加α加β三相的共存区

在水平线ced所对应的温度下

成分为e点的液相我们记为Le

将同时结晶出成分为c点的αc

和d点的βd两个固相

这种平衡反应的表达式

可以写为e点成分的L记为Le

生成c成分的α和d点成分的β

也就是Le生成αc加上βd

由相律可知

发生三相平衡转变的时候

自由度数等于0

f等于2组元数

减去3相数加上1等于0

所以这一转变必然是一个恒温过程

而且3个相的成分也各为一固定值

恒温在相图中表现为一条水平线ced

三相平衡转变在相图上的特征是

3个单相区与水平线只有一个接触点

其中液相单相区在中间

位于水平线之上

而固相两个单相区

则分别位于水平线的两端

相图中的ced水平线称为共晶线

e点称为共晶点

e点对应的温度称为共晶温度

成分对应于共晶点的合金

称为共晶合金

而成分位于共晶点e以左

c点以右的合金称为亚共晶合金

成分位于共晶点e以右

d点以左的合金称为过共晶合金

当三相平衡时

其中任意两相之间也必然相互平衡

即L和α

L和β以及α和β之间

也存在着相互平衡的关系

ce

ed

和cd分别是它们之间的连线

所以在这种情况下也可以利用杠杆定律

来计算各平衡相的含量

下面我们来分析几种

不同锡含量合金的平衡凝固过程

及其室温下所得到的组织

先看Ⅰ号合金

它的锡含量小于等于19%

由图可以看出

锡等于10%的锡铅合金

也就是Ⅰ号合金

当它缓慢冷却到1点时

开始从液相中结晶出

以铅为基体的α固溶体

随着温度的降低

α固溶体的数量不断增多

而液相L的数量不断减少

液相L的成分沿着液相线ae变化

而α固溶体的成分沿着固相线ac变化

当冷却到2点时

结晶完毕

合金全部凝固成单相α固溶体

其成分与原液态合金的成分相同

这一过程与匀晶系统合金的平衡凝固过程

完全相同

继续冷却时

在2到3点温度范围之内

α固溶体不发生任何变化

当温度下降到3点以下时

锡在α固溶体中呈过饱和状态

因此

多余的锡就以β固溶体的形式

从α固液体当中析出

随着温度的降低

α固溶体对锡的固溶度逐渐减少

所以这一析出过程将不断进行

α和β两相的成分

分别沿着固溶度线cf

和dg来进行变化

冷却至室温时

成分为f的α相

与成分为g的β相维持平衡

从一个固溶体当中析出另一个固相

我们把它称为脱溶

也即过饱和固溶体的分解

又称为二次结晶

二次结晶析出的相

称为次生相或二次相

次生的β固溶体

以β下标Ⅱ来表示

以区别于从液相

直接结晶出来的β固溶体

βⅡ是优先沿着α相的晶界来析出

其次是从晶粒内的缺陷部位析出

由于固态下原子的扩散能力有限

所以析出的次生相不易长大

一般都比较细小

合金Ⅰ冷却到室温后

形成以α相为基体的α加βⅡ的两相组织

它的冷却曲线及结晶过程

如PPT图当中所示

成分位于c f之间的

所有合金的平衡凝固过程

均与上述合金相似

它们的显微组织

也是由α加βⅡ两相所组成

只是两个相的相对含量不同

合金成分越靠近f点

βⅡ的数量也越少

含锡量小于f的合金

将没有βⅡ相析出

同学们

现在我们来试着利用

杠杆定律计算一下

室温时Ⅰ号合金的α相和βⅡ相的含量吧

好

下面我们再来看一下

Ⅱ号合金的结晶凝固过程

二号合金是共晶合金

它的锡含量等于61.9%

共晶合金的冷却曲线

及结晶过程的示意图

也在PPT图当中给出来了

该合金自液态缓慢冷至te温度

也就是共晶温度

这里是183摄氏度

液相 L同时达到锡和铅所饱和

所以从液相当中

会同时结晶出α和β两种固溶体

也就是发生了共晶转变

反应式我们写成是

e点成分的L生成了c点成分的α

和d点成分的β

这个转变一直在共晶温度下进行

直到液相Le全部凝固完毕为止

在共晶温度得到的是由α和β

两个相组成的混合物

我们又称为共晶组织

共晶组织中的两个相

α和β的相对含量

是可以由杠杆定律来求得的

继续冷却时

共晶合金当中的α和β相的固溶度

都将随着温度的降低而减少

α相的成分沿cf线来变化

β相的成分沿dg线来变化

各自分别析出次生相βⅡ和αⅡ

共晶组织中的次生相

往往与共晶组织中的同类相混在一起

也就是说αⅡ混在α当中

βⅡ混合在β当中

在显微镜下是难以分辨的

所以我们一般不做具体的区分

图5- 14是铅-锡共晶合金的显微组织

其中α和β呈层片状的交替分布

黑色为α相

白色的为β相

接下来我们来学习一下

亚共晶合金的结晶凝固过程

当锡含量等于50%的合金

也就是Ⅲ号合金

它的成分位于e点以左c点以右

属于亚共晶合金

图5- 15是亚共晶合金的冷却曲线

及结晶示意图

该合金由液态缓慢冷至1点时

开始结晶出α固溶体.

在1到2点温度范围内

随着温度的缓慢下降

α固溶体的数量不断增多

而液相的数量逐渐减少

α相和液相的成分

分别沿着ac和ae线来进行变化

这一阶段的转变属于匀晶转变

当温度降至2点即共晶转变温度时

α相和剩余液相的成分

分别达到c点和e点

此时两相的含量

分别也可以用杠杆定律来计算

同学们可以试着跟着相图

来一起找寻一下杠杆定律对应的点

在te温度下

成分为e的液相发生的是共晶转变

也就是e点成分的液相L

生成了c点成分的α

加上d点成分的β

这一转变一直进行到剩余的液相

全部形成共晶组织为止

可见共晶组织α和β的含量

就应该是共晶转变前液相剩余的量

共晶转变之前形成的固溶体

我们通常叫做初晶或先共晶相

那么亚共晶合金共晶转变

刚刚结束之后的组织是什么呢

应该是由初晶α和共晶组织

我们把它括弧在一起

α加β来组成的

在2点以下

合金继续冷却

由于溶解度发生改变

从α相当中

这里的α包括初晶α和共晶组织中的α

都要从这个α当中不断的析出βⅡ

而从β固溶体当中

也就是共晶组织当中的β会析出αⅡ

我们这里同样可以忽略

共晶组织α加β当中

所析出的对应的次生相

也就是βⅡ和αⅡ

但是初晶α当中析出的βⅡ

在室温下的显微镜当中是可见的

是不能够忽略的

所以亚共晶合金在室温时的组织

是α加上括弧α加β的共晶组织

再加上βⅡ

锡含量为50%的锡-铅合金的显微组织呢

如PPT图当中所示

图中暗黑色的树枝状的晶体是初晶α

其中的白色的颗粒为βⅡ

黑白相间的分布是共晶组织α加β

接下来我们学习一下

过共晶合金的平衡凝固过程

Ⅳ号合金它的成分位于e点以右

d点以左

属于过共晶合金

过共晶合金的冷却曲线

及结晶示意图如PPT图中所示

其平衡凝固过程及组织

与亚共晶合金是非常类似的

所不同的只是初晶为谁了呢

为β固溶体而不是α固溶体

它的室温组织由初晶β

以及次生相αⅡ和共晶体α加β所组成

图5-18

是锡含量为70%的锡铅合金的

过共晶合金的组织

我们再来看一下

当锡含量大于97.5%的合金的

平衡凝固过程

同学们是否可以自己尝试着

来进行一下分析呢

这类合金的结晶过程

与合金Ⅰ的结晶过程是类同的

只不过从液相中结晶出的是单相固溶体β

随后再从β固溶体当中析出二次相αⅡ

由以上分析可知

凡是处于f g点之间的合金

其室温组织都是由α和β两个相组成的

但是由于合金成分和结晶的过程变化

相的大小

数量和分布的状况

也就是合金的组织的状况差别是很大的

甚至是完全不同的

比如说成分范围

在f到c之内的组织

为α加上βⅡ

亚共晶合金的组织为α加βⅡ

加共晶组织α加β

共晶合金完全为共晶组织(α加β)

过共晶合金的组织为β加上αⅡ

加上共晶组织(α加β)

在d g之间的合金组织为β加上αⅡ

因为α β αⅡ

βⅡ以及(α加β)共晶组织

在显微镜组织当中都能清楚地区分开

是组成显微组织的独立部分

所以称之为组织组成物

从相的本质来看

它们都是由α和β两相组成的

故将α和β两相称为合金的相的组成物

组织组成物或相组成物的含量

都可以由杠杆定律来求得

为了便于分析研究

有时我们把合金的平衡组织

直接标到相图上

如图5-19所示

相图上所表示的组织与显微镜下

所观察到的显微组织互相对应

这样对于该系统中的任一种合金

在任一温度下的组织状态

以及它在结晶过程当中的组织变化

均可由图一目了然

同学们

这一节我们就先学到这里