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3.3 共晶相图及其合金的结晶 1 定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图。 Pb-Sn 、 Pb-Sb 、 Ag-Cu 、 Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶相图。 共晶转变式： L （液）→ α （固） + β （固）. A. B. E. C. D. F. G. 相 区： 单相区 ： L 、 α 、 β 两相区： L+α 、 L+β 、 α+β 三相区： L+α+β 共晶转变式： L E α M + β N. 3.3.1 相图分析
E N D
3.3 共晶相图及其合金的结晶 1 定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶相图。 共晶转变式： L（液）→α（固）+ β（固）
A B E C D F G 相 区： 单相区 ：L、α、β 两相区： L+α、L+β、α+β 三相区： L+α+β 共晶转变式： LE αM + βN 3.3.1 相图分析 液相线:AEB； 固相线:ACEDB 固溶体溶解度线： FC, GD 共晶线： CED水平线； 共晶点：E点
A Ⅰ B E C 结晶过程示意图 D F G E : 共晶点(包含共晶的成分与温度) 共晶转变式：LE → αC+ βD 3.3.2 典型合金的平衡结晶过程及组织 (1) 成分Ⅰ(共晶成分)结晶过程 冷却曲线
L L A Ⅰ LE LE αC + βD B E C D αF + βG F G β α α 实际转变过程复杂： αC→αF+βG βD→βG+αF 注意： (1) 共晶转变产物(α+β) 多相邻间隔协同长大，称为共晶体或共晶组织； β (2)共晶体中随后析出的二次相多依附于原共晶体生长，故往往观察不到。
成分Ⅱ Ⅱ A L α+ L B E C D αC + LE αC+ (αC+βD) αF+βG+(αF+βG) F G βⅡ 共晶体(组织) 先共晶相 (2) 成分Ⅱ(亚共晶成分)结晶过程 亚共晶成分： C~E 亚共晶转变式： L → αc + (αC +βD)
成分Ⅲ A Ⅲ L B L + β E C D ( LE + βD ) (αC +βD) +βD F (αF+ βG) +βG G 过共晶成分： E~D 过共晶转变式： βD + (αC +βD) 共晶组织 先共晶相 (3) 成分Ⅲ(过共晶成分)结晶过程
Ⅳ A B E C D F G (4) 成分Ⅳ(匀晶成分)结晶过程 成分Ⅳ L L → α ( L+α) α α →β αF+βG —— 成分Ⅳ为匀晶转变 (A-C; D-B)
A B E C D F G (α先共晶和α共晶) (βⅡ和β共晶) (5) 合金的组织构成 成分在F~G之间的合金均由 α+β相构成；但不同合金中两相的形成过程与形貌各不相同。 亚共晶合金： α+ β 共晶合金与过共晶合金呢？
A B E C D F G 各成分合金的组织构成 βⅠ+αⅡ αⅠ β先共晶+αⅡ +(α+β)共晶 α先共晶+βⅡ +(α+β)共晶 αⅠ+βⅡ (α+β)共晶
A B E C D F G 例题：计算Pb-30%Sn合金冷却到室温时的相构成与组织构成，共晶体中各相所占的比例以及βⅡ的百分含量。 4 问题：共晶体中两相所占的比例如何计算?
(6) 共晶组织形态 共晶体(共晶组织)定义： 由共晶反应形成的细密的两相或多相机械混合物
层片状 棒状 球状 针状 共晶组织形态：见 P 91
螺旋状 蛛网状 针状 放射状 共晶组织形态
Pb-Sn亚共晶合金 Pb-Sn共晶合金 Pb-Sn过共晶合金 Pb-Sn合金的显微组织
3.3.3 不平衡结晶现象 （1）伪共晶 定义：由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为～ 形成条件： 过冷度或冷却速度控制在右图阴影区
（2）离异共晶 定义：当先共晶相数量较多而共晶组织较少时，先共晶相形成后，共晶组织中与先共晶相相同的那一相会依附在先共晶相上上生长， 致使另一相单独存在于晶界，从而失去共晶组织的特征，这种两相分离的共晶称为～ 形成条件：成分控制在M或N附近
Al-4%Cu合金的铸态组织 均匀退火后
3.4 包晶相图及合金的结晶 1 定义：两组元在液态无限溶解，在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。 Pt－Ag、Sn－Sb、Cu－Sn、Cu－Zn 包晶转变式： L+ α → β
2 相图分析 液相线 A C B 固相线 A P D B 溶解度曲线： P E、D F 单相区 L、α、β； 两相区 L＋α、L＋β、α＋β 三相区 P D C（包晶转变线） 包晶转变
LD 合金Ⅰ α+ L (αP + LC) βD βF+αE Ag Pt 组织组成： β+αⅡ
合金Ⅱ LD α+ L αP + LC αP+(αP+LC) αP+ βD 组织组成： α+βⅡ+β+αⅡ Ag Pt
LD 合金Ⅲ α+ L αP + LC LC+(αP+LC) LC + βD β+α Ag Pt 组织组成： β+αⅡ
实际中受扩散条件限制，包晶转变往往不完全 ——非平衡态
3.5 其它类型的二元合金相图 3.5.1 组元间形成化合物（稳定化合物、不稳定化合物） 稳定化合物的相区呈直线 Mg2Si Fe3C
3.5 其它类型的二元合金相图 3.5.2 具有固态转变 共析转变、包析转变、固溶体异晶转变等
共析转变： γ → α ＋ β —— 一个固相中同时析出两个新的固相
3.6 相图与分析和使用 相图与机械性能和物理性能 固溶体强硬度较纯金属高 线性 共晶成分附近性能突变 纯金属导电性较固溶体高
流动性好 偏析倾向小 减少分散缩孔→为集中缩孔 相图与合金的铸造性能 偏析倾向
3.7 铸锭的组织与缺陷 铸造缺陷： 偏析、疏松、缩孔等 ——结晶的温度范围、成分范围越大，偏析、缩孔等越严重。 铸造性能取决于结晶区间：液固相线之间距离越大(温度和成分的间距)，铸造性能越差。
3.7.1 铸锭三晶区的形成 1、铸锭三晶区 1表层细晶区 2中间柱状晶区 3中心等轴晶区 铸锭结构图
（一）表层细晶区 形成原因： （1）过冷度ΔT大。 （2）模壁作为非均匀形核的位置。 特点： ——晶粒细小，组织致密， 机械性能好， ——薄，无实用意义
（二）柱状晶区 形成原因： (1) 细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度ΔT较低，不易形成新的晶核； (2) 细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大； (3)晶体沿垂直于模壁 (散热最快)相反方向择优生长成柱状晶。
特点：组织粗大而致密； 为“铸造织构” 铸造织构：铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织称为～。 ——又称“结晶织构”
细晶区中： 晶粒的<001>无序取向 柱状晶区中： 晶粒的<001>一致取向 最大散热方向 注意：晶粒外形(外貌)与晶粒取向的差别 另有：形变织构
（三）中心等轴粗晶区 形成原因： （1）液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。 （2）未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作为非均匀形核的核心。 （3）散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。 ——长成等轴晶。 由于过冷度ΔT不大，晶粒较粗大。
3.7.2 铸锭组织的控制 一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。 塑性好金属铝、铜等——发展柱状晶 塑性相对较低的金属、钢等——发展等轴晶
（一）促进柱状晶生长的方法： 总体： (1) 加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力 ——促进散热的方向性 (2) 降低液相内部非均匀形核的可能性
具体： (1) 提高铸锭模的冷却能力。 如： 金属模代替砂型模； 增加金属铸模的厚度等 注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件 原因：若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。 例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器， 连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。
（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。 具体：提高浇注温度与浇注速度。
（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。 熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。
（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用 例如： 1、磁性铁合金<001>方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。 ——发展柱状晶，获得最好的磁学性能。 2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。 ——使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。
燃气轮机叶片定向凝固生产技术与装置 感应加热炉 叶片
（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法 降低浇注温度和浇注速度，减小液体过热度，在液体中保留较多非均匀形核核心； 小铸件：可用↑过冷度的方法↑形核率； 大铸件：变质处理；
3.7.3 铸锭缺陷 (自学) 缩孔 气孔 夹杂物
