共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織課件

3共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織3.1相圖分析3.2共晶系合金的平衡凝固和組織3.3共晶組織及其形成機(jī)理3.4共晶系合金的非平衡凝固和組織8/10/202313共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織3.1相圖分析83.1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(xiàn)條α和β的液相線(xiàn)：AE和BE線(xiàn)α和β的固相線(xiàn)：AC和BD共晶線(xiàn)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(xiàn)CF和DG：α和β固溶體的溶解度隨溫度的降低而減少8/10/202323.1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(gè)參數(shù)，其它兩個(gè)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(xiàn)相區(qū)8/10/20233單相區(qū)：自由度?=2相區(qū)8/1/202333.2共晶系合金的平衡凝固和組織C點(diǎn)左邊和D點(diǎn)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(shí)不同CD線(xiàn)中間的合金在凝固時(shí)均有共晶反應(yīng)發(fā)生，屬于共晶型合金E點(diǎn)合金稱(chēng)為共晶合金，C-E之間的合金稱(chēng)為亞共晶合金，D-E之間的合金稱(chēng)為過(guò)共晶合金8/10/202343.2共晶系合金的平衡凝固和組織C點(diǎn)左邊和D點(diǎn)右邊的合金最終組織為α初和βⅡ含量：α初=4G/FG×100%βⅡ=F4/FG×100%相含量：？x1合金凝固過(guò)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(diǎn)：T3時(shí)βⅡ成分T3~T4:α和β分別沿CF和DG變化。8/10/20235最終組織為α初和βⅡx1合金凝固過(guò)程（固溶體合金）T1~TT1:L→β初，T2共晶反應(yīng)：LE→αC＋βD，全部液體凝固完畢x2合金凝固過(guò)程（過(guò)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%8/10/20236T1:L→β初，x2合金凝固過(guò)程（過(guò)共晶合金）凝固完畢后的組T2：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8/10/20237T2：共晶→αⅡ+βⅡ，初晶β共晶8/1/20237T1~T2:L→α初，T2：L→共晶（α+β），T2~T3：析出次晶，可忽略不計(jì)。

x3亞共晶合金凝固過(guò)程及其組織初晶α共晶（α+β）8/10/20238T1~T2:L→α初，x3亞共晶合金凝固過(guò)程及其組織初晶αTE：LE→共晶（αC＋βD），TE以下：析出次晶x4共晶合金凝固過(guò)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(xì)密8/10/20239TE：LE→共晶（αC＋βD），x4共晶合金凝固過(guò)程及其組初晶形態(tài):取決于初晶相的固/液界面微觀結(jié)構(gòu)過(guò)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(shù)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(guò)枝晶主軸時(shí)，顯示出完整的枝晶形貌，Ag-Cu合金α和β初晶皆呈樹(shù)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(guò)共晶Pb-Sb的顯微組織8/10/202310初晶形態(tài):取決于初晶相的固/液界面微觀結(jié)構(gòu)過(guò)共晶Pb（1）有良好的流動(dòng)性，能很好地填充鑄模（2）合金系中共晶的熔點(diǎn)最低，簡(jiǎn)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(xì)而均勻的定向排列，制造共晶復(fù)合材料利用共晶熔點(diǎn)最低的特性配制各種易熔合金，如焊料、保險(xiǎn)絲材料：鉛和錫的共晶熔點(diǎn)為183℃，若制成鉛、錫和鉍三元共晶，其熔點(diǎn)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8/10/202311（1）有良好的流動(dòng)性，能很好地填充鑄模共晶合金的性能8/1/I合金（Pb－10％Sn）組織：α+βII

Pb－Sn共晶系合金平衡凝固500x8/10/202312I合金（Pb－10％Sn）組織：α+βIIPb－SnII合金：全部共晶組織共晶溫度時(shí)兩相相對(duì)含量：8/10/202313II合金：全部共晶組織共晶溫度時(shí)兩相相對(duì)含量：8/1/202III合金：亞共晶，Pb－50％Sn，αα+ββII500x組織：α＋共晶＋βII8/10/202314III合金：亞共晶，Pb－50％Sn，αα+ββIIVI合金：過(guò)共晶合金（Pb－70％Sn）βαII(α+β)500x組織：β+αII+共晶8/10/202315VI合金：過(guò)共晶合金（Pb－70％Sn）βαII(α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(diǎn))；(2)(3)B在A中的溶解度隨溫度下降而減少，室溫時(shí)為WB=0.03；A在B中的溶解度不變。2.一個(gè)二元共晶反應(yīng)如下：求（1）WB=0.50的合金凝固后，α初與（α+β）共晶的相對(duì)量；α相與β相的相對(duì)量。（2）若共晶反應(yīng)后β初和（α+β）共晶各占一半，問(wèn)該合金成分如何：8/10/202316例題：1按下列數(shù)據(jù)，做出A-B二元共晶相圖:8/1/20233.3共晶組織及其形成機(jī)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(diǎn)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8/10/2023173.3共晶組織及其形成機(jī)理共晶組織的基本特征：兩相交替排共晶組織形態(tài)纖維狀(Al-Ni)(橫截面),×150針狀(Al-Si),×1008/10/202318共晶組織形態(tài)纖維狀(Al-Ni)(橫截面),×150針狀(A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8/10/202319螺旋狀(Zn-MgZn2),×500蛛網(wǎng)狀(Al-Si),×共晶組織形態(tài)與固/液界面結(jié)構(gòu)有關(guān)，按共晶兩相的固/液界面特性分成三類(lèi)：（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(lèi)8/10/202320共晶組織形態(tài)與固/液界面結(jié)構(gòu)有關(guān)，按共晶兩相的固/液界面特性包括金屬-金屬共晶和金屬-金屬間化合物共晶具有簡(jiǎn)單規(guī)則的組織形態(tài)：層片狀，棒狀或纖維狀影響成長(zhǎng)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(kuò)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),×1508/10/202321包括金屬-金屬共晶和金屬-金屬間化合物共晶1．粗糙-粗糙界面T2：α和β均達(dá)到過(guò)飽和要形核析出若α領(lǐng)先形核并成長(zhǎng)，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(dá)到k，促使β相在α相上形核長(zhǎng)大，成分為i，β相界面液體中的含A量變至比k點(diǎn)更高的j點(diǎn)。含A量較高的液體有利于析出α相α、β反復(fù)的互相促進(jìn)，交替形核，形成相間排列的晶體共晶凝固時(shí)的固/液界面的平衡相濃度形核機(jī)理---以穩(wěn)態(tài)的定向凝固為例：8/10/202322共晶凝固時(shí)的固/液界面的形核機(jī)理---以穩(wěn)態(tài)的定向凝固為例：α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(kuò)散距離很短，橫向原子擴(kuò)散強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)界面前沿的橫向原子擴(kuò)散長(zhǎng)大機(jī)理---以穩(wěn)態(tài)的定向凝固為例：kjkjj遠(yuǎn)處液體濃度e8/10/202323α相界面的液體成分為k，β相界面的液體成分為j，兩相間的橫向一個(gè)共晶晶粒中的每一單片層并不都需要單獨(dú)形核，各片層間多半是通過(guò)搭橋連接起來(lái)共晶的形核層片共晶形核和成長(zhǎng)(a)單獨(dú)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(tuán)共晶形核和成長(zhǎng)(a)β相在α相上形核；(b)兩相搭橋分枝成長(zhǎng)；(c)球團(tuán)成長(zhǎng)前沿的分枝情況8/10/202324一個(gè)共晶晶粒中的每一單片層并不都需要單獨(dú)形核，各片層間多半是共晶的形貌1.當(dāng)共晶中一相的體積分?jǐn)?shù)＜30%時(shí)，主要形成棒狀共晶；若兩相界面能各向異性較大時(shí)，也可形成層片狀共晶；2.當(dāng)共晶中一相的體積分?jǐn)?shù)為30%~50%時(shí)，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(shù)枝狀共晶。8/10/202325共晶的形貌1.當(dāng)共晶中一相的體積分?jǐn)?shù)＜30%時(shí)，主要形成棒狀A(yù)l-CuAl2共晶合金的縱截面(a)胞狀共晶組織；(b)樹(shù)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(dú)長(zhǎng)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(guò)冷區(qū)，在某一臨界G/R值下，如同固溶體合金一樣，也會(huì)產(chǎn)生胞狀共晶或樹(shù)枝狀共晶不穩(wěn)定的界面8/10/202326Al-CuAl2共晶合金的縱截面(a)單相不穩(wěn)定性（偏離于共主要指金屬－非金屬型共晶，如Fe-C系和Al-Si系兩類(lèi)共晶，具有不規(guī)則或復(fù)雜規(guī)則的組織形態(tài)主要原因是由于非金屬相晶體結(jié)構(gòu)上的特性不同，使其成長(zhǎng)時(shí)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(fù)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),×5008/10/202327主要指金屬－非金屬型共晶，如Fe-C系和Al-Si系兩類(lèi)共晶規(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(zhǎng)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(zhǎng)形貌示意圖8/10/202328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Al-Si系的共晶點(diǎn)含12.7%Si（重量），二者相互固溶度很少，Al相的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于Si相以Al-Si合金為例說(shuō)明第二類(lèi)共晶成長(zhǎng)界面特性：Al-Si共晶成長(zhǎng)形貌示意圖Si相界面排出的Al濃度高，導(dǎo)致更大的成分過(guò)冷而加速Si的成長(zhǎng)；Al相界面較寬，排出的Si量少，成分過(guò)冷小，生長(zhǎng)速度慢；而且當(dāng)Al界面達(dá)到一定寬度之后，從Si中排出的Al不能及時(shí)補(bǔ)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(zhǎng)而遠(yuǎn)離的Si晶枝前沿溶質(zhì)多，成分過(guò)冷大，達(dá)到一定間距（λ分支）時(shí)，產(chǎn)生分支，以避免枝間距過(guò)大愈長(zhǎng)愈接近的晶枝達(dá)到一定極限值時(shí)，Si量耗盡就停止成長(zhǎng);在每個(gè)共晶領(lǐng)域內(nèi)的Si晶基本上都是連成一個(gè)整體。8/10/202329Al-Si系的共晶點(diǎn)含12.7%Si（重量），二者相互固溶度3.4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(chēng)為“偽共晶區(qū)”或“配對(duì)區(qū)”，偽共晶區(qū)的成分范圍隨過(guò)冷度增大而增寬(a)粗糙－粗糙界面系的對(duì)稱(chēng)型；(b)粗糙－平滑界面系的歪斜型實(shí)際冷卻速度較快，使共晶系合金的凝固過(guò)程和顯微組織與正常狀態(tài)發(fā)生偏離8/10/2023303.4共晶系合金的非平衡凝固和組織1．“偽共晶組對(duì)稱(chēng)型偽共晶區(qū)；偽共晶區(qū)形狀由組成相的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)特性所決定對(duì)稱(chēng)性偽共晶區(qū)：兩個(gè)相的單獨(dú)成長(zhǎng)速率與過(guò)冷度的關(guān)系差別不大，偽共晶區(qū)向共晶點(diǎn)下面兩邊呈對(duì)稱(chēng)性地?cái)U(kuò)大Pb-Sn，Ag-Cu，Cd-Zn非平衡凝固的亞（或過(guò)）共晶合金的組織中，共晶組織的量比平衡狀態(tài)多過(guò)冷至偽共晶區(qū)，則獲得全部偽共晶組織8/10/202331對(duì)稱(chēng)型偽共晶區(qū)；偽共晶區(qū)形狀由組成相的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)特性所決定對(duì)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(gè)相的結(jié)晶速率與過(guò)冷度的關(guān)系差別很大，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜和平滑界面的相的成長(zhǎng)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-Bi8/10/202332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Al-Si系的偽共晶區(qū)歪斜于Si的一邊，所以一般鑄造的共晶（甚至過(guò)共晶）合金獲得亞共晶組織，過(guò)共晶合金一定要過(guò)冷至偽共晶區(qū)才可獲得全部共晶組織。Al-Si系的偽共晶區(qū)(a)Al-Si系等軸成長(zhǎng)時(shí)的偽共晶區(qū)；(b)過(guò)共晶Al-Si合金的顯微組織，×200；8/10/202333Al-Si系的偽共晶區(qū)歪斜于Si的一邊，所