7共晶相图及共晶系合金的凝固和组织.ppt

1、1,2020/8/13,3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织,3.1 相图分析 3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织 3.3 共晶组织及其形成机理 3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织,2,2020/8/13,3.1共晶相图分析,两组元在固态部分溶解，形成有限的固溶体和，具有共晶转变 Ag-Cu、Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Cd-Sn、Au-Pt,Ag-Cu共晶相图,线条 和的液相线： AE和BE线 和的固相线： AC和BD 共晶线CED：三相平衡LECD，自由度为零，温度和相成分都恒定不变 固溶度线CF和DG：和固溶体的溶解度随温度的降低而减少,3,2020/8/13,单相区：自由度=

2、2 两相区：两相平衡，=1，温度和两相的成分固定一个参数，其它两个随之就固定不变，如T0温度和相的成分分别为k和h 三相区：为一条水平线,相区,4,2020/8/13,3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织,C点左边和D点右边的合金属于固溶体合金，与前述的固溶体合金在固态继续冷却时不同 CD线中间的合金在凝固时均有共晶反应发生，属于共晶型合金 E点合金称为共晶合金，C-E之间的合金称为亚共晶合金，D-E之间的合金称为过共晶合金,5,2020/8/13,最终组织为初和 含量： 初=4G/FG100% =F4/FG100% 相含量：？,x1合金凝固过程（固溶体合金）,T1T2：L 初，,T2T3：（

3、初）,T3：初 ， 晶界、缺陷处,P点：T3时成分,T3T4:和分别沿CF和DG变化。,6,2020/8/13,T1:L初， T2共晶反应： LECD ，全部液体凝固完毕,x2合金凝固过程（过共晶合金）,凝固完毕后的组织为： 初晶共晶， 初晶E2/ED100% 共晶2D/ED100% 相组成物的百分量： 2D/CD100% C2/CD100%,7,2020/8/13,T2：共晶+ ， 初= 初*（100-92）/100 T3，和的成分分别为F和G，相组成物的量发生变化，但组织组成物的特征保持原样,8,2020/8/13,T1T2:L初 ， T2：L共晶（+）， T2T3：析出次晶，可忽略不计。

4、,x3亚共晶合金凝固过程及其组织,9,2020/8/13,TE：LE共晶（CD） ， TE以下：析出次晶,x4共晶合金凝固过程及其组织,Ag-Cu共晶： 两相交替排列，组织较细密,10,2020/8/13,初晶形态:取决于初晶相的固/液界面微观结构,过共晶Pb-Sb的显微组织,Pb-70Sn的显微组织，500 x,1粗糙界面： 一般呈树枝状，显微组织中表现为各分枝的截面，呈不连续不规则的椭圆形，试样表面恰好通过枝晶主轴时，显示出完整的枝晶形貌，Ag-Cu合金和初晶皆呈树枝状,2光滑界面：一般呈规则的多边形，如方块、三角形，针状或条状等,过共晶Pb-Sb的显微组织,11,2020/8/13,（1

5、）有良好的流动性，能很好地填充铸模 （2）合金系中共晶的熔点最低，简化熔化和铸造工艺，降低能源消耗和坩埚腐蚀 （3）利用定向凝固使共晶两相获得细而均匀的定向排列，制造共晶复合材料 利用共晶熔点最低的特性配制各种易熔合金，如焊料、保险丝材料：铅和锡的共晶熔点为183，若制成铅、锡和铋三元共晶，其熔点降至96 工业中最普遍的共晶型合金有铸铁和铝硅系铸造合金，以及各种焊料合金,共晶合金的性能,12,2020/8/13,I合金（Pb10Sn） 组织：+II,PbSn共晶系合金平衡凝固,500 x,13,2020/8/13,II合金：全部共晶组织,共晶温度时两相相对含量：,14,2020/8/13,II

6、I合金：亚共晶， Pb50Sn，,组织：共晶II,15,2020/8/13,VI合金：过共晶合金（ Pb70Sn ）,组织： + II +共晶,16,2020/8/13,例题：,1按下列数据，做出A-B二元共晶相图: (1)TATB(TA,TB分别是A，B的熔点)； (2) (3)B在A中的溶解度随温度下降而减少，室温时为WB=0.03；A在B中的溶解度不变。 2.一个二元共晶反应如下： 求（1）WB=0.50的合金凝固后，初与（+）共晶的相对量；相与相的相对量。 （2）若共晶反应后初和（+）共晶各占一半，问该合金成分如何：,17,2020/8/13,3.3 共晶组织及其形成机理,共晶组织的基

7、本特征：两相交替排列 两相的形态多种多样：层片状、棒状（或带状）、纤维状（或点状）、针状、螺旋状、蛛网状及骨骼状（枝状）等,层片状(cd-Sn),250,棒状,18,2020/8/13,共晶组织形态,纤维状(Al-Ni)(横截面),150,针状(Al-Si),100,19,2020/8/13,螺旋状(Zn-MgZn2),500,蛛网状(Al-Si),100,骨骼状(Al-Ge),500,FeC（石墨）共晶中的石墨晶体 a-电子扫描照片，显示石墨晶体互连；b-金相照片,20,2020/8/13,共晶组织形态与固/液界面结构有关，按共晶两相的固/液界面特性分成三类： （1）粗糙-粗糙界面（即金属-

8、金属型）共晶 （2）粗糙-平滑界面（即金属-非金属型）共晶 （3）平滑-平滑界面（非金属-非金属型）共晶 金属合金只涉及前两类,21,2020/8/13,包括金属-金属共晶和金属-金属间化合物共晶 具有简单规则的组织形态：层片状，棒状或纤维状 影响成长形态的主要因素是热流方向和两组元在液体中的互相扩散,1粗糙-粗糙界面共晶（金属-金属型共晶，规则共晶）,22,2020/8/13,T2：和均达到过饱和要形核析出 若领先形核并成长，成分为h，含B量比原液体e少，剩余的B量被排出在界面近旁的液体中，浓度达到k，促使相在相上形核长大，成分为i， 相界面液体中的含A量变至比k点更高的j点。含A量较高的液

9、体有利于析出相 、反复的互相促进，交替形核，形成相间排列的晶体,共晶凝固时的固/液界面的 平衡相浓度,形核机理-以稳态的定向凝固为例：,23,2020/8/13,相界面的液体成分为k，相界面的液体成分为j，两相间的横向浓度差为j-k 界面液体中的纵向浓度差为k-e（或j-e）， 横向浓度差大，横向扩散距离很短，横向原子扩散强烈， 所以在同样条件下，共晶凝固速度比单相溶体要快得多,层状共晶成长时界面前沿的横向原子扩散,长大机理-以稳态的定向凝固为例：,k,j,k,j,j,远处液体浓度e,24,2020/8/13,一个共晶晶粒中的每一单片层并不都需要单独形核，各片层间多半是通过搭桥连接起来,共晶的

10、形核,层片共晶形核和成长 (a)单独的片； (b)相在片上形核； (c)相在片边缘搭桥分枝,球团共晶形核和成长 (a)相在相上形核； (b)两相搭桥分枝成长； (c)球团成长前沿的分枝情况,25,2020/8/13,共晶的形貌,1.当共晶中一相的体积分数30%时，主要形成棒状共晶；若两相界面能各向异性较大时，也可形成层片状共晶； 2.当共晶中一相的体积分数为30%50%时，层片状共晶； 3.某些条件下产生不稳定的界面，形成初晶、胞状晶或树枝状共晶。,26,2020/8/13,Al-CuAl2共晶合金的纵截面 (a)胞状共晶组织；(b)树枝状共晶组织,(a)单相不稳定性（偏离于共晶成分） (b)

11、两相不稳定性（第三组元的影响）,局部液体成分偏离共晶成分，两共晶相之一从共晶界面单独长出去，出现初晶加共晶的显微组织,第三组元被排出在两相界面前沿产生成分过冷区，在某一临界G/R值下，如同固溶体合金一样，也会产生胞状共晶或树枝状共晶,不稳定的界面,27,2020/8/13,主要指金属非金属型共晶，如Fe-C系和Al-Si系两类共晶，具有不规则或复杂规则的组织形态 主要原因是由于非金属相晶体结构上的特性不同，使其成长时具有明显的各向异性,2粗糙平滑界面共晶（金属非金属型共晶，不规则或复杂规则共晶）,28,2020/8/13,规则共晶界：两相排列整齐，凝固后的组织完全规则，层片厚度仅受成长速度的影

12、响 不规则共晶的界面：两相排列不齐，组织粗大，非金属相位向各不相同，非金属相两枝间的平均间距大，两枝间的间距差别也大,规则共晶界面,Al-Si共晶成长形貌示意图,29,2020/8/13,Al-Si系的共晶点含12.7%Si（重量），二者相互固溶度很少，Al相的体积分数远大于Si相,以Al-Si合金为例说明第二类共晶成长界面特性：,Al-Si共晶成长形貌示意图,Si相界面排出的Al浓度高，导致更大的成分过冷而加速Si的成长； Al相界面较宽，排出的Si量少，成分过冷小，生长速度慢；而且当Al界面达到一定宽度之后，从Si中排出的Al不能及时补充Al的表面，即Al中间部分出现凹陷，落后于界面前沿；

13、,随成长而远离的Si晶枝前沿溶质多，成分过冷大，达到一定间距（分支）时，产生分支，以避免枝间距过大 愈长愈接近的晶枝达到一定极限值时，Si量耗尽就停止成长; 在每个共晶领域内的Si晶基本上都是连成一个整体。,30,2020/8/13,3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织,1“伪共晶组织”：由非共晶合金所获得的全部共晶组织。 将形成全部共晶组织的成分和温度范围称为“伪共晶区”或“配对区”，伪共晶区的成分范围随过冷度增大而增宽,(a)粗糙粗糙界面系的对称型； (b)粗糙平滑界面系的歪斜型,实际冷却速度较快，使共晶系合金的凝固过程和显微组织与正常状态发生偏离,31,2020/8/13,对称型伪共晶区

14、；,伪共晶区形状由组成相的结晶动力学特性所决定,对称性伪共晶区：两个相的单独成长速率与过冷度的关系差别不大，伪共晶区向共晶点下面两边呈对称性地扩大Pb-Sn，Ag-Cu，Cd-Zn,非平衡凝固的亚（或过）共晶合金的组织中，共晶组织的量比平衡状态多 过冷至伪共晶区，则获得全部伪共晶组织,32,2020/8/13,歪斜的伪共晶区：,粗糙光滑界面系的歪斜型伪共晶区；,两个相的结晶速率与过冷度的关系差别很大，晶体结构复杂和平滑界面的相的成长速率随温度下降而降低较快，伪共晶区歪斜地偏向该相的一边：Al-Si，Fe-C，Sn-Bi,33,2020/8/13,Al-Si系的伪共晶区歪斜于Si的一边，所以一般

15、铸造的共晶（甚至过共晶）合金获得亚共晶组织，过共晶合金一定要过冷至伪共晶区才可获得全部共晶组织。,Al-Si系的伪共晶区 (a)Al-Si系等轴成长时的伪共晶区； (b)过共晶Al-Si合金的显微组织， 200；,34,2020/8/13,要获得纤维状细小的Si组织，可以通过以下方式： （1）合金从液态激冷（淬火）可获得纤维状Si组织； （2）工业上，加入少量Na、P或Sr进行变质处理获得细小分支的Si纤维组织,Al-Si系的晶粒细化,(a) 加钠盐变质后伪共晶区往右上移 (b)加钠变质后，过共晶合金缓冷也可获得伪共晶或亚共晶组织 200,Na的变质原理： 阻止Si晶成长，促使其产生更多细小分支； 提高Al的界面过冷度，加速Al成长； 增加Si晶核形成数目。,35,2020/8/13,在固溶度端点以外的合金，在非平衡凝