金属材料与热处理金属材料的结晶共晶相图.doc
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职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
金属材料与热处理课程
共晶相图
主讲教师:张 琳
西安航空职业技术学院
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金属材料与热处理课程
共晶相图
合金的两组元在液态下无限互溶,在固态下有限溶解并发生共晶转变所形成的相图,称为共晶相图。如Al-Si、Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu等合金都可形成共晶相图。下面以Pb-Sn合金为例分析共晶相图。
一、相图分析
如图1所示,A点(327.5℃)是纯铅的熔点,B点(232℃)是纯锡的熔点,C点(183℃,=61.9%)为共晶点。ACB线为液相线,液相线以上合金均为液相;AECFB线为固相线,固相线以下合金均为固相。α和β是Pb-Sn合金在固态时的两个基本组成相,α是锡溶于铅中所形成的固溶体,β是铅溶于锡中所形成的固溶体。E点(183℃, =19.2%)和F点(183℃, =97.5%)分别为锡溶于铅中和铅溶于锡巾的最大溶解度。由于固态下铅与锡的相互溶解度随温度的降低而逐渐减小,所以ED线和FG线分别表示锡在铅中和铅在锡中的溶解度曲线,也称固溶线。
183℃相图中包含有三个单相区:液相区(L)、α相区和β相区。三个两相区:L+α、l+β和α+β相区。一个三相共存(L+a+β)的水平线ECF。成分相当于C点的液相(Lc)在冷却到ECF线所对应的温度时,将同时结晶出成分为E点的α固溶体(αE)及成分为F点的β固溶体(βF
183
αE +βF
这种在一定温度下,由一定成分的液相同时结晶出两种固定成分的固相转变,称为共晶转变。共晶转变是在恒温下进行的,发生共晶转变的温度称为共晶温度。发生共晶转变的成分是一定的,该成分(C点成分)称为共晶成分,C点为共晶点。共晶转变后得到的组织称为共晶成分。ECF线称为共晶线。C点成分的合金称为共晶合金;E点~C点之间合金均称为亚共晶合金;C点~F点之间合金称为过共晶合金。
图1 Pb-Sn合金相图
二、典型合金的冷却过程
由于不同成分的Pb-Sn合金的结晶过程不同,所以选取四种不同成分的Pb-Sn合金进行分析,分别如下:
1.含Sn量小于E点的合金
以合金Ⅰ(=10%)为例,其冷却曲线和冷却过程如图2所示。
当合金液缓冷到1点时,从液相中开始结晶出锡溶于铅中的α固溶体。随温度的下降,α固溶体的量不断增多,其成分沿AE线变化;液相量不断减少,成分沿AC线变化。当冷却到2点时,合金全部结晶为α固溶体。这一过程实际上是匀晶结晶过程。在2点至3点温度之间,α固溶体不发生变化。
当冷却到与ED线相交的3点时,锡在铅中的溶解度达到饱和。温度下降到3点以下时,多余的锡以β固溶体的形式从α固溶体中析出,随温度的下降,β固溶体的量不断增多。为区别于从液相中直接结晶出的β固溶体(初生β相),将这种从α固溶体中析出的β固溶体称为二次β相(或次生β相),用βⅡ表示。在βⅡ析出的过程中,α固溶体的成分沿ED线变化,βⅡ固溶体的成分则沿FG线变化。合金Ⅰ的室温组织为α+βⅡ,其显微组织如图3所示,图中黑色基体为α固溶体,白色颗粒为βⅡ固溶体。
凡成分在E~D点之间的合金,其冷却过程均与合金Ⅰ相似,室温组织都是由α+βⅡ组成,只是两相的相对量不同,合金越靠近E点,室温下βⅡ固溶体的量越多。
成分在F~G点之间的合金,其冷却过程与合金Ⅰ基本相似,但室温组织为β+αⅡ 。
图2 合金Ⅰ的冷却曲线和冷却过程
图3 =10%的Pb-Sn合金显微组织示意图
2.共晶合金
共晶合金Ⅱ(=61.9%)的冷却曲线和冷却过程如图4所示。
合金由液态缓慢冷却到C点(183℃)时发生共晶转变。由图1可知,C点是两段液相线AC和BC的交点,从相图AECA区看,应从成分为C点的合金液Lc中结晶出成分为E点的固相αE , 从BCFB区看,应从合金液Lc中结晶出成分为F点的固相βF ,也就是应从液相中同时结晶出αE和βF两种固相组成的两相组织(即共晶体)。由于在一恒温下同时结晶出的两种固相得不到充分长大,故组织中的两种固相都较细小,且成层片状交替分布。在C点温度以下,液相完全消失,共晶转变结束。继续冷却时,固溶体溶解度随温度的降低而减少,共晶组织中的αE和βF固溶体将分别沿着ED和FG固溶线发生变化,析出βⅡ+αⅡ。由于从共晶体中析出的二次相βⅡ和αⅡ数量较少,且βⅡ和αⅡ常与共晶体中的同类相混在一起,在显微镜下难以辨别出来,故可忽略不计。合金Ⅱ的室温组织为(α+β),其显微组织如图5所示,图中黑色为α固溶体,白色为β固溶体。
图4 共晶合金的冷却曲线和冷却过程
图5 Pb-Sn共晶合金显微组织示意图
3.亚共晶合金(含锡量在E点~C点之间的合金)
以合金Ⅲ(=39%)为例,其冷却曲线和冷却过程如图6所示。
合金由液态缓慢
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