材料科学基础第四节2.ppt

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4.3 二元共晶相图 大多数二元合金在固态并不能完全相熔,只能部分互熔,形成有限固熔体,并具有共晶转变特性。如:Pb-Sn; Al-Si; Al-Cu; Mg-Si; Al-Mg等合金。 4.3.1 相图分析:一般的二元相图中有三个基本相:液相L;固相α和固相β。α相为成分B熔于成分A中形成的固熔体;β相为成分A熔入成分B中形成的固熔体。 我们以Pb-Sn相图为例讨论二元相图。 图中有三个单相区:L;α;β。三个两相区:L+α;L+β;α+β。一个三相区(线段MEN):L+α+β。 共晶转变指具有E点成分的液相,当冷却至温度tE时,将同时结晶出两个成分不同的固相:M点成分的α相和N点成分的β相。其共晶反应式为: LE tE αM+βN 发生共晶转变的温度称为共晶温度。 凡成分在MN范围之内的合金,冷却到温度tE时都会发生共晶反应,称MN线为共晶线。E点称为共晶点或共晶成分。 共晶反应的产物是两个固相的混合物,称为共晶体或共晶组织。 成分对应于共晶点的合金叫共晶合金;B成分低于E的合金叫亚共晶合金;B成分高于E的合金叫过共晶合金;成分位于M点以左和N点以右的合金叫端部固熔体合金。 相图中的M点和N点分别表示α相和β相的最大溶解度极限。随着温度的降低,α相和β相的溶解度将分别沿着曲线MF和NG变化,故称此两条线为固熔线。 4.3.2 共晶系合金的平衡凝固组织 按相变特点和组织特征,共晶系合金的平衡凝固组织分为:端部固熔体,亚共晶合金,共晶合金和过共晶合金四类。 4.3.2.1 端部固熔体合金:以Pb-Sn合金(wC=0.1)为例。先画出该合金的冷却曲线。从降温过程可以看出:在温度t1时开始结晶出α固熔体;在t2时结晶完毕,为单相固熔体晶粒;在t2到t3之间无相变,也无组织变化。 冷却到t3遇到固熔线以后,Sn在α中的熔解度将不断减少,多余的Sn就以β固熔体的形式从α中析出。在从t3冷至t4时,α和β相的平均成分分别沿着MF线和NG线变化。这种由过饱和固熔体分离出另一种相的过程称为脱熔转变。脱熔相一般称为次生相,本例的次生相为β相,用βⅡ表示。 本例合金的室温组织为α+β?。 βⅡ一般分布在原α相晶粒的晶界上,有时也在晶内析出。 次生相从固相中析出,相界圆滑,呈小颗粒状(见图4-20)。 第二相的出现会影响合金性能。若第二相硬度较高并呈弥散状分布,则会使合金强化;若第二相沿晶界呈网状分布则会降低合金塑性。 第二相的形态和分布可通过热处理控制。 4.3.2.2 共晶合金(wSn=0.619):该成分合金从熔体冷却到共晶温度时,发生共晶转变: L0.619 183oC α0.19+β0.975 熔体全部凝固成共晶组织,也称共晶体,用(α+β)共表示。 共晶体中两个相的相对含量可由杠杆定律计算: αM=EN/MN×100%=45.4% βN=ME/MN×100%=54.6% 共晶转变完成后继续冷却时,共晶体中的α与β相都要发生脱熔转变,分别析出 βⅡ和αⅡ。 由于共晶体中的次生相常依附于共晶体中的同类相析出,所以在显微镜下难以识别。Pb-Sn二元共晶合金在室温下 的组织见图4-18,黑 色部分为α相,白色 部分为β相,两相呈 片状交替分布。 4.3.2.3 亚共晶合金(wSn=0.5):成分位于ME之间的Pb-Sn合金都属于亚共晶合金。凝固过程和组织都极为相似。 当合金从液态冷却到t1时,结晶出α相,随温度降低,α相增多,L和α的成分分别沿tAE和tAM线变化。降温至t2时,α相的成分变至M点,L相的成分变至E点。此时剩余的液相发生共晶转变,并在冷却曲线上形成平台,直至液相全部消失为止。 凝固后的组织为α初+(α+β)共(α初指从液相中直接结晶出来的固熔体)。 继续冷却,α和β相都要发生脱熔转变。室温下合金组织为α初+βⅡ+(α+β)共。这里的共晶体中析出的次生相在显微镜下不能分辨。该合金的显微组织如图4-22所示。图中黑色树枝晶为初生α固熔体,由于直接从液体中结晶,故比较粗大;分布在树枝间隙中黑白相间的组织为(α+β)共晶体。从相图上看,该合金室温下仍处于α+β两相区内,是由α和β两个相所组成。 分析显微组织的时候要注意区别组织组成物和相组成物。 组织组成物是在结晶过程中形成的,有清晰轮廓的独立部分。如α初,βⅡ, (α+β)共等都是组织组成物; 相组成物是指组成显微组织的基本相,有确定的成分及结构,但没有形态的概念。如合金中的α相和β相等等。 合金中组织组成物的相对量可以根据相平衡概念,利用杠杆定律间接计算。以室温下Sn-Pb合金为例(wSn=0.5): (α+β)共=Mt2/ME×100%=72.26% 此式为t2温度(183

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