5.3.2 二元共晶相图

①共晶相图： 当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转

变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。 如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。Pb-Sn合金相图是典型的二元共晶相图,见图5.26, 下面以它为例进行讲解。首先分析相图中

的点,线和相区。

图5.26 铅锡相图 一、相图分析

1、点： tA，tB点分别是纯组元铅与锡的熔点，为327.5C和231.9C。 M点：为锡在铅中的最大溶解度点。N点：为铅在锡中的最大溶解度点。 E点：为共晶点，具有该点成分的合金在恆温183℃时发生共晶转变LE→αM+β

N

共晶转变：是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。

o

o

F点：为室温时锡在铅中的溶解度。G点：为室温时铅在锡中的溶解度。 2、tAEtB线：为液相线，其中tAE线：为冷却时L→α的开始温度线，EtB线：为 冷

却时L→β的开始温度线。 tAMENtB线：为固相线，其中tAM线：为冷却时L→α的终止温度线，tBN线：

为冷却时L→β的终止温度线。

MEN线：为共晶线，成分在M~N之间的合金在恒温183℃时均发生共晶转变LE→（αM+βN）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体

或共晶组织。 MF线：是锡在铅中的溶解度曲线。NG线：是铅在锡中的溶解度曲线。

3、相区

（1）单相区：在tAEtB液相线以上,为单相的液相区用L表示，它是

铅与锡组成的合金溶液。 tAMF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。 tBNG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。 （2）两相区：在tAEMtA区为L+α相区，在tBENtB区为L+β相区。在

FMENGF区为α+β相区。 （3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。由相律可知三相平衡

共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。

具有共晶相图的二元系合金，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下几类：①成分对应于共晶点（E）的合金称为共晶合金，如Pb-Sn相图中含Sn61.9%的合金。②成分位于共晶点（E）以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，如含Sn19%~61.9%的合金都是亚共晶合金。③成分位于共晶点（E）以右，N点以左的合金称为过共晶合金。如含Sn61.9%~97.5%的合金都是过共晶合金。④成分位于M点以左，N点以右的合金称为端部

固溶体合金。如含Sn小于19%和大于97.5%的合金都是端部固溶体合金。

二.共晶系典型合金的平衡凝固过程分析 1.端部固溶体合金（10%Sn-Pb合金）

由图5.26可以看出，合金①冷却到t1温度时开始发生匀晶转变从L→α。随着温度的降低α量不断增加，L量不断减少，并且α相的成分沿固相线tAM变，L相的成分沿液相线tAE变。当冷却到t2温度时L全部转变成α相，继续降低温度α相自然冷却不发生成分和相的变化。当冷却到t3温度时，Sn在α固溶体中达到饱和状态，因此随着温度的降低，它处于过饱和状态，多余的Sn以β固溶体的形式从α固溶体中析出，这时α固溶体的平衡成分沿MF线变化，相对量逐渐减少，而析出的β固溶体的平衡成分沿NG线变化，相对量逐渐增加。通常将固溶体中析出另一种固相的过程称为脱溶转变，脱溶转变的产物一般称为次生相或二次相。次生相β固溶体用βⅡ表示，以区别从液相中直接凝固出的β固溶体。由于次生相是从固相中析出的，而原子在固相中的扩散速度慢，所以次生相一般都较细小，并分布在晶界上或固溶体的晶粒内部。由上述分析可知该合金在室温时的组织为α+βⅡ，见图5.27。图中黑色基体为α相，白色颗粒为βⅡ相。图5.28

为该合金的平衡凝固过程示意图。

图5.27 10%Sn-Pb 合金显微组织 500×

图5.28 10%Sn-Pb 合金凝固过程示意图

由相图可以看出F点以左，G点以右的合金凝固过程与匀晶合金完全相同，而成分位于F点和M点之间的所有合金的平衡凝固过程都与上述合金相同,显微组织都为α+βⅡ ,只是α和βⅡ 的相对量不同。合金成分越接近M点，其含βⅡ越多，

而越接近F点，其含βⅡ越少。 另外由相图还可以看出，成分位于N点和G点之间的所有合金的平衡凝固过程与上述合金相似，所不同的是它从L→β，从β→αⅡ 。由于某些固溶体合金的溶解度随温度的降低而降低，因此可以通过热处理来控制次生相的析出量和大小，从而达到改善合金性能的目的。所以，由相图不仅可以判断合金的特性，还可以

指导热处理生产。

2．共晶合金（61.9%Sn-Pb）

由相图可以看出共晶合金②从液态缓慢冷却到tE温度时, 在恒温下从液相中同时结晶出两个成分不同的固相,即发生共晶转变LE→αM+βN (L61.9%→α19%+β97.5% )由于发生共晶转变时是三相平衡,所以可以用相律证明它是在恒温下进行的。共晶转变在恒温下一直进到液相完全消失,继续冷却αM 和βN分别析出次生相βⅡ 和αⅡ,成分分别沿着MF和NG线变化。 由于析出的αⅡ和βⅡ与共晶体中的α和

β常常混合在一起,所以在显微镜下很难分辨。因此该合金在室温时的组织一般

认为是由(α+β) 共晶体组成。

图5.29 铅锡共晶合金的显微组织 200×

见图5.29, 它是由黑色的α相和白色的β相呈层片状交替分布。图5.30为该合

金平衡凝固的示意图。

图5.30 共晶合金凝固过程示意图

合金的显微组织： 是指在金相显微镜下能够观察到的组成部分。

共晶合金的显微组织是由α和β两相组成,所以它的相组成物为α和β两相。

相组成物：是指组成合金显微组织的基本相。

组织组成物： 是指合金在结晶过程中,形成的具有特定形态特征的独立组成部

分。

如共晶合金的组织组成物为100%的（?+?）共晶体。

而相组成物的相对量可用杠杆定律计算，如在tE温度时的相对量为EN97.5?61.9?M%??100%??100%?45.4%?%?100%??%?54.6%NMMN97.5?19或