共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織3

優(yōu)選共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織ppt2023/3/111當前1頁，總共35頁。22023/3/113.1共晶相圖分析兩組元在固態(tài)部分溶解，形成有限的固溶體α和β，具有共晶轉(zhuǎn)變Ag-Cu、Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Cd-Sn、Au-Pt……Ag-Cu共晶相圖線條α和β的液相線：AE和BE線α和β的固相線：AC和BD共晶線CED：三相平衡LE→αC＋βD，自由度為零，溫度和相成分都恒定不變固溶度線CF和DG：α和β固溶體的溶解度隨溫度的降低而減少當前2頁，總共35頁。32023/3/11單相區(qū)：自由度?=2兩相區(qū)：兩相平衡，?=1，溫度和兩相的成分固定一個參數(shù)，其它兩個隨之就固定不變，如T0溫度α和β相的成分分別為k和h三相區(qū)：為一條水平線相區(qū)當前3頁，總共35頁。42023/3/113.2共晶系合金的平衡凝固和組織C點左邊和D點右邊的合金屬于固溶體合金，與前述的固溶體合金在固態(tài)繼續(xù)冷卻時不同CD線中間的合金在凝固時均有共晶反應發(fā)生，屬于共晶型合金E點合金稱為共晶合金，C-E之間的合金稱為亞共晶合金，D-E之間的合金稱為過共晶合金當前4頁，總共35頁。52023/3/11最終組織為α初和βⅡ含量：α初=4G/FG×100%βⅡ=F4/FG×100%相含量：？x1合金凝固過程（固溶體合金）T1~T2：L→α初，T2~T3：（α初）T3：α初→βⅡ

，晶界、缺陷處P點：T3時βⅡ成分T3~T4:α和β分別沿CF和DG變化。當前5頁，總共35頁。62023/3/11T1:L→β初，T2共晶反應：LE→αC＋βD

，全部液體凝固完畢x2合金凝固過程（過共晶合金）凝固完畢后的組織為：β初晶＋共晶，β初晶＝E2/ED×100%

共晶＝2D/ED×100%相組成物的百分量：α＝2D/CD×100%β＝C2/CD×100%當前6頁，總共35頁。72023/3/11T2：共晶→αⅡ+βⅡ，

β初→αⅡ=β初*（100-92）/100T3，α和β的成分分別為F和G，相組成物的量發(fā)生變化，但組織組成物的特征保持原樣初晶β共晶當前7頁，總共35頁。82023/3/11T1~T2:L→α初，T2：L→共晶（α+β），T2~T3：析出次晶，可忽略不計。

x3亞共晶合金凝固過程及其組織初晶α共晶（α+β）當前8頁，總共35頁。92023/3/11TE：LE→共晶（αC＋βD），TE以下：析出次晶x4共晶合金凝固過程及其組織定向凝固層片狀共晶一般鑄造的共晶組織形核中心Ag-Cu共晶：兩相交替排列，組織較細密當前9頁，總共35頁。102023/3/11初晶形態(tài):取決于初晶相的固/液界面微觀結構

過共晶Pb-Sb的顯微組織Pb-70Sn的顯微組織，500x1．粗糙界面：一般呈樹枝狀，顯微組織中表現(xiàn)為各分枝的截面，呈不連續(xù)不規(guī)則的橢圓形，試樣表面恰好通過枝晶主軸時，顯示出完整的枝晶形貌，Ag-Cu合金α和β初晶皆呈樹枝狀2．光滑界面：一般呈規(guī)則的多邊形，如方塊、三角形，針狀或條狀等

過共晶Pb-Sb的顯微組織當前10頁，總共35頁。112023/3/11（1）有良好的流動性，能很好地填充鑄模（2）合金系中共晶的熔點最低，簡化熔化和鑄造工藝，降低能源消耗和坩堝腐蝕（3）利用定向凝固使共晶兩相獲得細而均勻的定向排列，制造共晶復合材料利用共晶熔點最低的特性配制各種易熔合金，如焊料、保險絲材料：鉛和錫的共晶熔點為183℃，若制成鉛、錫和鉍三元共晶，其熔點降至96℃工業(yè)中最普遍的共晶型合金有鑄鐵和鋁硅系鑄造合金，以及各種焊料合金共晶合金的性能當前11頁，總共35頁。122023/3/11I合金（Pb－10％Sn）組織：α+βII

Pb－Sn共晶系合金平衡凝固500x當前12頁，總共35頁。132023/3/11II合金：全部共晶組織共晶溫度時兩相相對含量：當前13頁，總共35頁。142023/3/11III合金：亞共晶，Pb－50％Sn，αα+ββII500x組織：α＋共晶＋βII當前14頁，總共35頁。152023/3/11VI合金：過共晶合金（Pb－70％Sn

）βαII(α+β)500x組織：β+αII+共晶當前15頁，總共35頁。162023/3/11例題：1按下列數(shù)據(jù)，做出A-B二元共晶相圖:(1)TA>TB(TA,TB分別是A，B的熔點)；(2)(3)B在A中的溶解度隨溫度下降而減少，室溫時為WB=0.03；A在B中的溶解度不變。2.一個二元共晶反應如下：求（1）WB=0.50的合金凝固后，α初與（α+β）共晶的相對量；α相與β相的相對量。（2）若共晶反應后β初和（α+β）共晶各占一半，問該合金成分如何：當前16頁，總共35頁。172023/3/113.3共晶組織及其形成機理共晶組織的基本特征：兩相交替排列兩相的形態(tài)多種多樣：層片狀、棒狀（或帶狀）、纖維狀（或點狀）、針狀、螺旋狀、蛛網(wǎng)狀及骨骼狀（枝狀）等層片狀(cd-Sn),×250棒狀當前17頁，總共35頁。182023/3/11共晶組織形態(tài)纖維狀(Al-Ni)(橫截面),×150針狀(Al-Si),×100當前18頁，總共35頁。192023/3/11螺旋狀(Zn-MgZn2),×500蛛網(wǎng)狀(Al-Si),×100骨骼狀(Al-Ge),×500Fe－C（石墨）共晶中的石墨晶體a-電子掃描照片，顯示石墨晶體互連；b-金相照片當前19頁，總共35頁。202023/3/11共晶組織形態(tài)與固/液界面結構有關，按共晶兩相的固/液界面特性分成三類：（1）粗糙-粗糙界面（即金屬-金屬型）共晶（2）粗糙-平滑界面（即金屬-非金屬型）共晶（3）平滑-平滑界面（非金屬-非金屬型）共晶金屬合金只涉及前兩類當前20頁，總共35頁。212023/3/11包括金屬-金屬共晶和金屬-金屬間化合物共晶具有簡單規(guī)則的組織形態(tài)：層片狀，棒狀或纖維狀影響成長形態(tài)的主要因素是熱流方向和兩組元在液體中的互相擴散1．粗糙-粗糙界面共晶（金屬-金屬型共晶，規(guī)則共晶）層片狀(Pb-Cd),×250棒狀纖維狀(Sn-Pb)(橫截面),×150當前21頁，總共35頁。222023/3/11T2：α和β均達到過飽和要形核析出若α領先形核并成長，成分為h，含B量比原液體e少，剩余的B量被排出在界面近旁的液體中，濃度達到k，促使β相在α相上形核長大，成分為i，β相界面液體中的含A量變至比k點更高的j點。含A量較高的液體有利于析出α相α、β反復的互相促進，交替形核，形成相間排列的晶體共晶凝固時的固/液界面的平衡相濃度形核機理---以穩(wěn)態(tài)的定向凝固為例：當前22頁，總共35頁。232023/3/11α相界面的液體成分為k，β相界面的液體成分為j，兩相間的橫向濃度差為j-k界面液體中的縱向濃度差為k-e（或j-e），橫向濃度差大，橫向擴散距離很短，橫向原子擴散強烈，所以在同樣條件下，共晶凝固速度比單相溶體要快得多層狀共晶成長時界面前沿的橫向原子擴散長大機理---以穩(wěn)態(tài)的定向凝固為例：kjkjj遠處液體濃度e當前23頁，總共35頁。242023/3/11一個共晶晶粒中的每一單片層并不都需要單獨形核，各片層間多半是通過搭橋連接起來共晶的形核層片共晶形核和成長(a)單獨的α片；(b)β相在α片上形核；(c)α相在片邊緣搭橋分枝球團共晶形核和成長(a)β相在α相上形核；(b)兩相搭橋分枝成長；(c)球團成長前沿的分枝情況當前24頁，總共35頁。252023/3/11共晶的形貌1.當共晶中一相的體積分數(shù)＜30%時，主要形成棒狀共晶；若兩相界面能各向異性較大時，也可形成層片狀共晶；2.當共晶中一相的體積分數(shù)為30%~50%時，層片狀共晶；3.某些條件下產(chǎn)生不穩(wěn)定的界面，形成初晶、胞狀晶或樹枝狀共晶。當前25頁，總共35頁。262023/3/11Al-CuAl2共晶合金的縱截面(a)胞狀共晶組織；(b)樹枝狀共晶組織(a)單相不穩(wěn)定性（偏離于共晶成分）(b)兩相不穩(wěn)定性（第三組元的影響）

局部液體成分偏離共晶成分，兩共晶相之一從共晶界面單獨長出去，出現(xiàn)初晶加共晶的顯微組織

第三組元被排出在兩相界面前沿產(chǎn)生成分過冷區(qū)，在某一臨界G/R值下，如同固溶體合金一樣，也會產(chǎn)生胞狀共晶或樹枝狀共晶不穩(wěn)定的界面當前26頁，總共35頁。272023/3/11主要指金屬－非金屬型共晶，如Fe-C系和Al-Si系兩類共晶，具有不規(guī)則或復雜規(guī)則的組織形態(tài)主要原因是由于非金屬相晶體結構上的特性不同，使其成長時具有明顯的各向異性2．粗糙－平滑界面共晶（金屬－非金屬型共晶，不規(guī)則或復雜規(guī)則共晶）針狀(Al-Si),×100螺旋狀(Zn-MgZn2),×500蛛網(wǎng)狀(Al-Si),×100骨骼狀(Al-Ge),×500當前27頁，總共35頁。282023/3/11規(guī)則共晶界：兩相排列整齊，凝固后的組織完全規(guī)則，層片厚度僅受成長速度的影響不規(guī)則共晶的界面：兩相排列不齊，組織粗大，非金屬相位向各不相同，非金屬相兩枝間的平均間距大，兩枝間的間距差別也大規(guī)則共晶界面Al-Si共晶成長形貌示意圖當前28頁，總共35頁。292023/3/11Al-Si系的共晶點含12.7%Si（重量），二者相互固溶度很少，Al相的體積分數(shù)遠大于Si相以Al-Si合金為例說明第二類共晶成長界面特性：Al-Si共晶成長形貌示意圖Si相界面排出的Al濃度高，導致更大的成分過冷而加速Si的成長；Al相界面較寬，排出的Si量少，成分過冷小，生長速度慢；而且當Al界面達到一定寬度之后，從Si中排出的Al不能及時補充Al的表面，即Al中間部分出現(xiàn)凹陷，落后于界面前沿；隨成長而遠離的Si晶枝前沿溶質(zhì)多，成分過冷大，達到一定間距（λ分支）時，產(chǎn)生分支，以避免枝間距過大愈長愈接近的晶枝達到一定極限值時，Si量耗盡就停止成長;在每個共晶領域內(nèi)的Si晶基本上都是連成一個整體。當前29頁，總共35頁。302023/3/113.4共晶系合金的非平衡凝固和組織1．“偽共晶組織”：由非共晶合金所獲得的全部共晶組織。將形成全部共晶組織的成分和溫度范圍稱為“偽共晶區(qū)”或“配對區(qū)”，偽共晶區(qū)的成分范圍隨過冷度增大而增寬(a)粗糙－粗糙界面系的對稱型；(b)粗糙－平滑界面系的歪斜型實際冷卻速度較快，使共晶系合金的凝固過程和顯微組織與正常狀態(tài)發(fā)生偏離當前30頁，總共35頁。312023/3/11對稱型偽共晶區(qū)；偽共晶區(qū)形狀由組成相的結晶動力學特性所決定對稱性偽共晶區(qū)：兩個相的單獨成長速率與過冷度的關系差別不大，偽共晶區(qū)向共晶點下面兩邊呈對稱性地擴大Pb-Sn，Ag-Cu，Cd-Zn非平衡凝固的亞（或過）共晶合金的組織中，共晶組織的量比平衡狀態(tài)多過冷至偽共晶區(qū)，則獲得全部偽共晶組織當前31頁，總共35頁。322023/3/11歪斜的偽共晶區(qū)：粗糙－光滑界面系的歪斜型偽共晶區(qū)；

兩個相的結晶速率與過冷度的關系差別很大，晶體結構復雜和平滑界面的相的成長速率隨溫度下降而降低較快，偽共晶區(qū)歪斜地偏向該相的一邊：Al-Si，F(xiàn)e-C，Sn-Bi當前32頁