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第8章 相平衡与相图 
                  8.3 二元系相图(6)

  3)共晶合金的非平衡凝固
     在缓慢冷却平衡状态下,只有共晶成分的合金可获得共晶组织。但在较快冷却的不平衡状态,液相处于过冷状态,此时共晶组织在更低温度、较宽的成分范围获得,如图8-14中影线所示液相线延伸的范围。
在过冷条件下,影线成分范围的液相同时处于α和β二相的过饱和区,因而在该成分范围的合金可全部获得共晶组织。这种非共晶成分所得到的共晶组织叫伪共晶。
    由于过冷度增大、结晶速度加快,液相成分来不及均匀化,其平均成分偏离液相线,故伪共晶区范围小于液相线延长所给的范围,如图8-15所示。在二组元熔点接近、共晶点居中的合金系具有对称形态,而在二组元熔点相差较大的合金系,共晶点偏向低熔点一侧,伪共晶区偏移一边,图8-16示出Al-Si系的伪共晶区范围。
    伪共晶区对称或偏移的原因与二组元相的结晶速度有关。二相结晶速度接近,同时接近形成伪共晶组织,伪共晶区具有对称形态。若二相结晶速度相差很大,则结晶较快的相成为先共晶的初生相,使伪共晶区偏移。而二相结晶速度取决于二相成分和液相成分的差异。与液相成分接近的一相具有较大的结晶速度,易生成先共晶的初生相,显然,以低熔点组元为基的相有较大结晶速度,伪共晶区偏向高熔点组元一侧,在Al-Si合金中伪共晶区偏向Si的一侧,使共晶成分过冷液体先析出α相,至液相平均成分进入伪共晶区,才发生共晶反应,形成伪共晶,因而共晶成分合金在过冷情况下得到亚共晶合金的组织。
           
  4)相图实例
             
     图8-17所示的是Pb-Sn二元共晶相图。Pb的熔点为327℃,Sn的熔点为231.9℃。α相为Sn在Pb中的有限固溶体,β相为Pb在Sn中的有限固溶体。aeb为液相线,acedb为固相线,cf是Sn在Pb固溶度曲线,dg是Pb在Sn中的固溶度曲线。
     该相图有3个单相区:即液相L、固溶体α和固溶体β。单相区之间有3个两相区:即L+α、L+β和α+β。在L+α、L+β与α+β两相区之间有共晶线ced,是三相平衡线。共晶点成分为Pb:38.1%,Sn:61.9%,共晶温度为183℃。
     共晶点成分的合金Ⅱ冷却到共晶温度时,将发生共晶反应,直到液相Le全部凝固完毕为止。此时共晶组织中 和 两个相的相对含量可由杠杆定律求得,即

    冷却到室温后, Pb-Sn共晶合金的显微组织如图8-18(a)所示,α和β呈层片状交替分布,其中黑色为α相,白色的为β相。
      w(Sn)=50%的合金Ⅲ属于亚共晶合金,该合金由液态缓慢冷却至1点时,开始结晶初晶α相。1~2点温度范围内,随着温度的缓慢下降,α固溶体的数量不断增多,而液相逐渐减少。当温度降至2点即共晶温度时,α相和剩余液相的成分分别达到c点和e点。此时两相的含量分别是:
        在te温度下,成分为e的液相发生共晶转变。忽略共晶组织(αc+βd)析出的次生相,亚共晶合金在室温时的组织是α+(α+β)+βⅡ。图8-18(b)该合金的显微组织。图中暗黑色树枝状是初晶α,其中的白色颗粒为βⅡ,黑白相间分布的是共晶组织(α+β)。
     w(Sn)=85%的合金Ⅳ属于过共晶合金。其平衡凝固过程及组织与亚共晶合金类似,所不同的只是初晶为β固溶体而不是α固溶体。其室温组织由初晶β、次生相αⅡ和共晶体(α+β)所组成。显微组织如图8-18(c)所示。
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