购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

3.3 组元间液相互溶,固相不互溶的二元系
——简单二元低共熔(共晶)系

当两个组元的物理和化学性质差别较大,一个组元加入到另一组元中都会使原组元熔点(液相限)温度下降,这时就会出现如图3-3所示的简单二元低共熔(共晶)型相图。在液相中,A和B完全混溶为均匀的单一液相L;在固相中,则是由互不相溶的固相A和固相B构成的A+B两相混合结构。

图3-3 简单二元低共熔(共晶)型相图

在图3-3中, T A —e T B —e 分别是组元A和B因对方的加入,使熔化温度随组成改变而变化的关系曲线,称为液相限曲线,是单相的液相区L和液+固(L+A或L+B)两相区的分界线,也就是均匀液相L存在温度值的下限。

两条液相限曲线交汇于 e 点。合金在这点上冷却时,从液相中同时结晶出A和B,因此常称 e 点为共晶点(eutectic point),它的化学反应为

降温时它的化学平衡反应方程由左向右;升温时,反应方程由右向左,A和B以液相限上最低的温度共同熔化,所以 e 点又常称为低共熔点。在这个点上的平衡反应称为低共熔(共晶)反应,是液相L和A、B三个相共存的三相平衡。根据相律可计出这点的自由度为

F =2(组元数)+1(恒压)-3(相数)=0

自由度为0,相应的几何图形是“点”,在相图学中常称为零变点。通过 e 点的水平线 A′—e—B ′反映了这一零变平衡。

部分实例列在图3-3中左上方的方框中。在观察一些二元共晶系实例的相图后,可以看到二元系中低共熔(共晶)点位置的偏向和两个组元的熔点高低有很大的关系。图3-4所示为三个典型的二元共晶系相图,从图中可以看出,共晶点的位置总是偏向低熔点组元的一方,两个组元熔点温度相差越大偏得越厉害。

在第一个In-Si系中In(熔点156℃)和Si(熔点1396℃)相差极大,共晶点偏向In,几乎和组元In轴重合;第二个Pb-As系组元熔点相差约493℃,共晶点处在As的摩尔分数为7.4%之处,而第三个Bi-Cd系二组元的熔点相差仅50℃,共晶点的位置大致居中。当然,上述这种规律的表现只是定性的,还难以导出定量的关系。

现在来讨论二元系中某组成的熔态合金冷却“过程”中相平衡的变化。在图3-3中,组成为 m 的合金,它在高温时呈均匀的液态L,冷却到温度为 T 1 时,合金的状态点到达1点,开始结晶出B晶体,这时液相的组成是 l 1 。温度降低至 T 2 ,合金的状态点就到达2点。这时平衡的两相是液相和B,液相的组成变为 l 2 。用 l 2 —T 2 结线把平衡着的两个相连接起来,表现出它们之间的相平衡关系。状态点2在中间将结线截为两段,根据杠杆规则,在这个温度下, l 2 —2线段的长度代表了合金中B的含量,2 —T 2 的长度代表了 l 2 点对应的液相的含量。

图3-4 三个典型的二元共晶系相图

温度降到 T 3 ,合金的状态点到达3,此时液相的组成点改变到 l 3 ,与之平衡的是温度为 T 3 的B。根据杠杆规则,结线上表示固相B含量的 l 3 —3,相对于液相含量3 —T 3 大大增加了。继续降温,液相的比例进一步减少,直到温度降到 T e ,液相成分则到达 e 点,这时可以看到剩下的代表液相含量的4 —T e ,比代表固相含量的 e —4更短了。此时从剩下的液相中同时析出B和A,开始 的低共熔(共晶)平衡反应,结线变成了 A —e—B ′三相平衡线。温度再降低,液相就会消失,剩下A+B两个固相。

合金的组成如果落在 e 点左侧,A的结晶过程也是相似的。可以看到,无论哪种情况总是先析出A或B,其液相最后都将归于 e 点,剩下的都是A+B两个混合固相。

如果一个合金的组成正好是 e 点,那么结晶一开始就会同时析出A+B。低于 e 点的温度,体系就只存在固体A+B的混合相,不会有先析出的A或B的初晶。混合相的共晶形貌究竟是怎样的?现在来看看它们的金相图形:在通常冷却的条件下,因为有冷却速度这个动力学因素的影响,A和B同时结晶生长时相互掣肘,析出的“共晶”都不是平衡的。较缓慢冷却时,较高熔点的那个相,常是以不规则的片状生长,而快速冷却时则会呈枝状或条状的生长,不能成长为完整的多面体结晶。当用金相方法观察合金试片时,常常是截取合金锭,将断面磨光、抛光后在金相显微镜下进行观察,此时片状晶呈现的图形就被截成了线状的(图3-5a),而枝状晶呈现的图形则被截成了蠕状的或点状的(图3-5b)。各个共晶系的金相图形并不完全相同,总之是一种细碎均匀的混杂结构。

图3-5 Al-Si(12.7%)共晶结构的金相图片

【在金相学中常称这种混杂均匀结构的金相图形为“典型的”共晶结构。这种命名对金相图片结构的分类有很大的实用价值。但是这“典型的”图形根本不是平衡时的结构,和平衡的相图直接联系在一起并无道理。其实平衡的共晶结构毫无特征,只不过是在熔点低的那个组元背底上,分布着熔点高的那个组元不同晶型的块状晶罢了。当将e点液态合金以无限缓慢冷却速度让其结晶,或将块状共晶合金进行充分退火后再制成金相试片,在金相显微镜下就可以看出真实平衡的“共晶合金”结构了。】

图3-5a所示是Al-Si共晶合金的金相。Si的摩尔分数为12.7%,共晶点比较靠近Al,含量高的Al成为白色的连续相,而含量较低的高熔点Si成为黑色的分散相。

在实际工作中,常将A、 e 之间成分的合金称作亚共晶合金,而将成分介于 e 、B之间的合金称作过共晶合金。它们的金相图形的特征是在共晶的背底上分散着A(亚共晶时)或B(过共晶时)不同形态大块的初晶。

完全符合这一简单低共熔(共晶)类型体系的典型实例并不多,多数是组元带有部分固溶体的共晶系,将在后面3.5.2节中讨论。 ksbbheemBwMDRDqBi1y2a38emxaD/ne4XKTvUUDxIw9e2prJZ51bUqUtI/diULDq

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×