《共晶包晶相图》PPT课件.ppt

1,共晶相图及其合金的凝固,2,7.3二元相图分析,1.匀晶相图和固溶体凝固 2.共晶相图及合金凝固 3.包晶相图及合金凝固4.溶混间隙相图与调幅分解5.二元合金相图分析实例,3,1.匀晶相变：特点：液固两组元无限互溶！2.固溶体平衡凝固三个过程：液相内扩散过程 固相的继续长大，固相内的扩散过程 3.固溶体非平衡凝固分析;(1)固相、液相的平均成分线随冷却速度发生变 化，液相线的偏离程度固相线。(2)先结晶部分富含高熔点组元，后结晶部分富低 熔点组元。(3)非平衡凝固的终结T低于平衡凝固时的终止T。,匀晶相图复习,由液相直接结晶出单相固溶体的过程,4,7.3.2 共晶相图和固溶体凝固,共晶相图,共晶合金的平衡凝固,共晶合金的非平衡凝固,5,PbSn共晶相图,共晶转变：LE M+N,6,7.3.2 共晶相图及合金凝固,共晶相图的概念 组成共晶相图的两组元相互作用的特点：1）液态下两组元能无限互溶，2）固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化合物)，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变,7,7.3.2 共晶相图及合金凝固,所谓共晶转变所得到两固相的混合物称为共晶组织(体)。具有共晶转变的相图称为共晶相图。属于二元共晶相图的合金有：PbSn、PbSb、AlSi、AgCu等。,共晶转变：LE M+N,8,共晶合金在铸造工业中是非常重要的，比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造操作共晶合金比纯金属有更好的流动性，无枝晶形成，从而改善铸造性能;恒温转变减少了铸造缺陷，例如偏聚和缩孔;共晶凝固可获得多种形态的显微组织，可能成为优异性能的原位复合材料,1.共晶相图,9,PbSn相图,7点,7线,7相区,10,11,2.共晶合金的平衡凝固及其组织,根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为四类：,1)端部固溶体合金 2)亚共晶合金 3)共晶合金 4)过共晶合金,12,端部固溶体合金结晶过程分析,13,2.共晶系合金的平衡凝固,1)端部固溶体合金,t1 t2温度：,t3温度以下：,液态 L10,液相中析出，L,(脱溶转变),t1温度以上：,t2 t3温度：,固溶体 不变,室温组织：+,14,合金的平衡结晶过程,15,合金的平衡结晶过程,16,共晶合金结晶过程分析,17,2)共晶平衡结晶过程及室温平衡组织：,共晶温度以上：,共晶温度：,共晶温度以下：,室温组织：,液态L61.9,共晶转变 L61.919 97.5,二次结晶，,（+）共晶 由于 和常与共晶和相连，显微镜下很难分辨，室温组织为：（+）共晶,18,PbSn共晶相图,19,两相相对量计算,两相的相对量计算：连接线+杠杆定律,()=()=,20,（Pb-Sn）共晶组织（层片状）,21,共晶合金（）的平衡结晶的显微组织,22,常见合金的共晶组织,23,24,3)亚共晶和过共晶平衡结晶过程,25,50%Sn的亚共晶合金的结晶过程分析,26,3)亚共晶合金平衡结晶过程为：,t1温度以上：,t1 t2温度：,t2温度时发生共晶反应：,室温组织：,t2温度以下：,液态 L50,液相中析出，L,L61.9 19 97.5,初,初+（+）共晶,27,PbSn共晶相图,(+)()组织组成,()()相组成,28,组织组成和相组成相对量计算,(+)=(L)=,()=,组织组成,()=()=,相组成,29,亚共晶合金的平衡结晶过程,30,亚共晶组织(50%Sn 的Pb-Sn合金),31,WSn(%),G,70%Sn的过共晶合金的结晶过程分析,32,4)过共晶合金平衡结晶过程为：,t1温度以上：,t1 t2温度：,t2温度时发生共晶反应：,室温组织：,t2温度以下：,液态 L70,液相中析出，L,L61.9 19 97.5,初,初+（+）共晶,33,过共晶平衡组织(70%Sn 的Pb-Sn合金),共晶(),初生,34,组织组成物在相图上的标注,L,L+,L+,+,初+(+),初+(+),(+),+,Pb,Sn,Sn,%,温度，,19,61.9,97.5,35,1.共晶相图,36,3.共晶系合金的非平衡凝固-A,(1)伪共晶 在非平衡凝固条件下，某些亚共晶和过共晶成分的合金获得了全部的共晶组织。这种由非共晶成分合金所得到的共晶组织称为伪共晶（pseudo-eutectic）。,37,3.共晶系合金的非平衡凝固-A,(1)伪共晶 若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区一般呈图7.27中的对称分布;若合金中两组元熔点相差很大时，伪共晶区将偏向高熔点组元一侧，如A1-Si合金的伪共晶区那样。,38,39,40,41,7.3.3 包晶相图及其合金凝固,42,7.3.3 包晶相图及其合金凝固,包晶相图概述 两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相图称为二元包晶相图 具有包晶转变的二元合金有：CuSn、FeC、CuZn、AgSn、AgPt,43,已结晶的固相与剩余液相反应形成另一个固相的恒温转变。如Fe-C、Cu-Zn、Ag-Sn、Ag-Sn、Ag-Pt等。,具有包晶转变的相图。,包晶转变,包晶相图,7.3.3 包晶相图及其合金凝固,44,点：D,区：单相区L、双相区L、L+、+,线：液相线APB 固相线ACDB 包晶线CDP L P+C D 固溶度曲线 CE、DF,Pt-Ag合金相图,一、相图分析,45,二、包晶合金平衡结晶过程与室温组织,包晶合金的平衡结晶过程,+,46,只有P点成分的合金才能在包晶反应后得到100的相，P点左侧会有相剩余，P点右侧会有L相剩余。,Sb（锑）-16%Fe合金包晶组织,47,三、不平衡结晶与包晶偏析,消除办法：扩散退火,48,PtAg包晶相图,49,2.包晶合金的凝固及其平衡组织,式中，w(L)和w(a)分别表示液相和固相在包晶反应时的质量分数。包晶转变结束后，液相和a相反应正好全部转变为固溶体,a.（Ag）为42.4%的Pt-Ag合金(合金1),50,2.包晶合金的凝固及其平衡组织,51,PtAg包晶相图,52,2.包晶合金的凝固及其平衡组织,b.42.4%(Ag)66.3%的Pt-Ag合金(合金),53,2.包晶合金的凝固及其平衡组织,c.10.5%(Ag)42.4%的Pt-Ag合金(合金),54,L+L+,55,56,7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解,溶混间隙:是两种L或两种固溶体不相混溶的现象。它可以出现在单相L中，也可以出现在单一固溶体区内，成分不同，结构相同。LL1+L2 1+2 转变方式有二种：(1)形核长大方式，需要克服形核能垒，(2)没有形核阶段的不稳定分解，称为调幅分解。,57,7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解,从自由能一成分曲线可知，在两个极小值之间为热力学不稳定区，该任一成分的固溶体相都会分解成为两个成分对应于两个极小值的相，但是在拐点迹线内外的溶混间隙区，分解方式是不同的，拐点迹线内自发地分离成为两种成分不同的液相，拐点迹线外需克服新相形成的能垒，先形核然后长大。,58,59,60,7.3.5.其他类型的二元相图,1.具有化合物的二元相图 2.具有偏晶转变的相图 3.具有合晶转变的相图 4.具有熔晶转变的相图 5.具有固态转变的二元相图,61,1.具有化合物的二元相图,a.形成稳定化合物的相图 在某些二元系中，可形成一个或几个化合物，位于相图中间，故又称中间相。稳定化合物：指有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分液体那类化合物;不稳定化合物:不能熔化成与S相同成分L，当加热到一定T时会分解，转变为两个相。形成稳定化合物的二元相图有：MgSi、Cu Mg、FeP、MnSi、AgSr、Na2SiO3SiO2、BeOAl2O3、SiO2MgO,62,稳定化合物的相图,36.6%,63,稳定化合物的相图,64,稳定化合物的相图,65,b.形成不稳定化合物的相图 值得注意的是，不稳定化合物无论是处于一条垂线上或存在于具有一定溶解度的相区中，均不能作为组元而将整个相图划分为两部分。具有不稳定化合物的其他二元合金相图有K-Na,Al-Mn,Be-Ce,Mn-P等，二元陶瓷相图有SiQ2-MgO,ZrO2-CaO,Ba0 TiO2等。,1.具有化合物的二元相图,66,不稳定化合物的相图,54.4%,67,2.具有偏晶转变的相图,偏晶转变是由一个液相L1分解为一个固相和另一成分的液相L2的恒温转变。图7.40是Cu-Pb二元相图，在955发生偏晶转变:L36 Cu+L87 具有偏晶转变的二元系有：CuS、CuO、MnPb,68,具有偏晶转变的相图,69,3.具有合晶转变的相图,具有这类转变的合金很少，如Na-Zn,K-Zn等。在asb温度发生合晶转变:L1a+L2b,70,4.具有熔晶转变的相图,图7.42是具有熔晶转变的Fe-B二元相图。含微量硼的Fe-B合金在1381时进行即 L+这种转变称为熔晶转变。具有熔晶转变的合金也很少，Fe-S,Cu-Sb等合金系具有熔晶转变。,71,5.具有固态转变的二元相图,当合金中组元具有同素(分)异构变时，则其固溶体会出现三种情况：固溶体的多晶型转变，共析转变、包析转变、偏析转变。a.具有固溶体多晶型转变的相图 固溶体的多晶型转变又称为多形性转变。具有这类转变的合金有等，如FeC、FeTi合金,72,固溶体多晶型转变的相图,73,具有共析转变的相图,为Cu3Sn为Cu31Sn8为Cu3Sn为Cu20Sn6和为Cu6Sn5,+,+,+,+,74,1、分解型,（1）共析转变,共析线,共析点,在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同新固相。,1+2,75,具有三种恒温转变的相图,76,c.具有包析转变的相图 包析转变（peritectoid reaction）类似于包晶转变，区别在于包析转变是由两个固相反应生成另外一个固相。,77,d.具有脱溶沉淀过程的相图 随着温度降低固溶体中溶解度下降，析出第二相的过程，称为脱溶过程。,78,e.具有有序无序转变的相图,79,f.具有固溶体形成中间相转变的相图,某些合金的中间相不是由两组元直接得到，而是由固溶体转变为中间相。当w(Cr)为46%的a固溶体将在821发生a的转变,则相是以金属间化合物FeCr为基的固溶体。,80,g.具有磁性转变的相图,磁性转变属于二级相变，固溶体或纯组元在高温时为顺磁性，在Tc温度以下呈铁磁性，Tc温度称为居里温度，在相图上一般以虚线表示，如图7.46所示。,81,复杂二元相图的分析方法,分析复杂二元相图的步骤和方法如下：(1)首先看相图中是否存在稳定化合物，如果有则以这些稳定化合物为界，把相图分成几个区域(基本相图)进行分析。(2)根据相区接触法则，认清各相区的组成相。单相区：代表一种具有独特结构和性质的相的成分和温度范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。双相区：邻区原则是含有P个相的相区的邻区，只能含有P+/-1个相。违背了这条原则，无法满足相律的要求。两相区中平衡相之间都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。,82,(3)找出所有的三相共存水平线，分析这些恒温转变的类型，写出转变式。表7.1列出了二元系各类三相恒温反应(转变)的类型，可借助于分析。,83,84,(4)应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律。单相区；相成分、质量与原合金相同。双相区；在不同温度下两相成分沿相界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。三相共存(平衡)时，三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。,85,(5)在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织。,86,(6)相图的正确与否可用相律来判断。在分析和认识了相图中的相、相区及相变线的特点之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。,87,相图与力学性能的关系,88,89,2.判断合金的工艺性能,(1)合金铸造性能：由于共晶合金熔点低，并且是恒温转变，溶液流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，合金较为致密。因此铸造合金宜选择在接近共晶成分的合金。,90,2.判断合金的工艺性能,(2)合金压力加工性能：合金的压力加工性能与合金的组织有关。单相固溶体由于其强度低，塑性好，变形均匀，压力加工性能较好。所以需压力加工的合金通常选择单相固溶体或接近单相固溶体(含第二相应尽量少)成分的合金。,91,2.判断合金的工艺性能,(3)合金切削加工性能：合金切削加工性能与合金的组织有关。塑性好的材料进行切削加工时，切削不易断开且缠绕在刀具上，增加零件表面粗糙度，不易进行高速切削，因此单相固溶体型合金切削加工性能不够好。而具有两相组织的合金的切削加工性一般比较好。,92,(4)热处理工艺性能:可借助于相图判断合金能否通过热处理强化，并能为热处理提供数据。,93,相图与工艺性能的关系,94,1）相图中无固态相变的合金不能进行热处理强化，但能进行消除枝晶偏析的扩散退火。2）具有同素异构转变的合金可以通过再结晶退火和正火热处理细化晶粒;,95,3）具有溶解度变化的合金可通过时效处理方法来强化合金;4）某些具有共析转变的合金，如Fe-C合金中的各种碳钢，先经加热形成固溶体Y相，然后快冷(淬火)，则共析转变将被抑制而发生性质不同的非平衡转变，由此获得性能不同的组织。,96,7.3.7 合金的性能与相图的关系,合金性能,组织性质,组成相性质,一、判断合金的力学性能和物理性能,二、判断合金的铸造性能,流动性缩孔热裂倾向,97,根据相图判断材料的工艺性能 铸造性能：根据液固相线之间的距离X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。,