第三节  共晶相图

两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶解或不能溶解，冷却时发生共晶反应的合金系所形成的相图，称为二元共晶相图。具有这类相图的合金系有Pb-Sn、Cu-Ag、Zn-Sn等。

一、相图分析

图3-4所示的是Pb-Sn合金相图，下面就以此相图为例进行分析。

             

                                     wSn/%

图3-4  Pb-Sn共晶相图

Pb-Sn合金相图中,ACD为液相线,AECFD为固相线。合金系有三种相：Pb与Sn形成的液溶体L相，Sn溶入Pb中的有限固溶体α相，Pb溶入Sn中的有限固溶体β相。相图中有三个单相区（L、α及β相区）；三个双相区（L+α、L+β及α+β相区）；一条L+α+β的三相共存线（水平线ECF）。

C点为共晶点，该点成分为共晶成分，该点所对应的温度为共晶温度，当共晶成分的合金从液相冷却到共晶温度时，从C点成分的液相L共同结晶出E点成分的α相和F点成分的β相：

L_C←→α_E＋β_F

     这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。发生共晶反应时三相共存，各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行。水平线ECF为共晶反应线，凡是成分在EF之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。

    ES线为Sn在Pb中的溶解度线（或α相的固溶度线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。Sn含量大于S点的合金从高温冷却到室温时，从α相中析出β相以降低其Sn含量。从固态α相中析出的β相称为二次β，常简写为βⅡ。这种二次结晶可表达为：α→βⅡ

     FG线为Pb在Sn中的溶解度线（或β相的固溶度线）。在Sn含量小于G点的合金冷却时同样会发生二次结晶，析出二次α：β→αⅡ。

二、典型合金的结晶过程

对于具有共晶相图的合金系，根据其结晶特点不同，可分为三种类型合金，共晶成分

的合金称为共晶合金；化学成分低于或高于共晶成分的合金分别称亚共晶合金或过共晶

合金。

图3-5  Pb-Sn合金系的典型合金

这三种合金的结晶过程如下。

1.共晶合金。当合金成分为C点成分的合金(图3-5中合金Ⅰ)冷却到液相线C点时发生共晶反应，即，L_C←→α_E＋β_F同时结晶出αE 和βF 两相的共晶体。从183℃继续冷却时，共晶体中α相和β相将各自沿ES和FG溶解度曲线变化而改变其固溶度，从α和β中分别析出β_Ⅱ和αⅡ。由于共晶体中析出的次生相常与共晶体中同类相结合在一起，所以在显微镜下难以分辨出来，因此在室温下共晶合金组织可写成（α+β）。

2.亚共晶合金。在E点与C点之间成分的合金称为亚共晶合金，如图中合金Ⅱ。当合金Ⅱ冷却到液相线上1点时开始发生匀晶反应，从液相中结晶出α固溶体，称为初生α固溶体，随着温度下降，初生α不断增加，液相量不断减少，液相成分沿液相线AC变化，初生α的成分沿固相线AE变化。当温度降到2点(共晶温度)时，初生α的成分为E点成分，剩余液相的成分达到C 点成分(共晶成分)，发生共晶反应生成共晶体。当温度继续下降到室温时，初生α相中的溶Sn量沿ES 线变化，析出βⅡ。最终的组织为初生α+β_Ⅱ+（α+β），转变过程如下：

LL+αα+（α+β）α+β_Ⅱ+（α+β）

   3.过共晶合金。在图3-6中C点与F点之间成分的合金称为过共晶合金，如图中合金Ⅲ。其详细结晶过程与亚共晶合金相似，也包括匀晶反应、共晶反应和二次结晶等三个转变阶段；不同之处是初生相为β固溶体，二次结晶过程为β→αⅡ。所以室温组织为β+αⅡ+(α+β)，转变过程如下：

LL+ββ+（α+β）β+α_Ⅱ+（α+β）

4.固溶体合金。在图3-6 中E 点左侧和F 点右侧的合金在冷却过程中不会发生共晶反

应。如图中合金Ⅳ，仅发生匀晶反应和二次结晶等二个转变阶段，最终合金室温组织为α+βⅡ。转变过程如下：       

LL+ααα+β_Ⅱ

同理，F点右侧的合金在冷却过程中会结晶出β相，并从β相中析出αⅡ，最终组织为β+αⅡ。