实验6-实验六 二元合金显微组织分析
二元合金的制备与显微组织分析
不同成分Al-Si合金在不同冷却条件 下组织形成过程分析
• 由Al-Si相图可知，w（Si）≤1.65%时：发生固溶转变，液 相随温度降低，析出α固溶体，温度继续降低直至全部 液相转变为α-固溶体，最后阶段Si在α-固溶体中过饱和， 多余的si从固溶体中析出。冷却过程为： L→L+α→α→α+β。当快速冷却时产生非平衡共晶组织。 • 1.65%≤ W（si）﹤11.6%时，发生亚共晶转变，冷却过 程为 L→L+α→（α+β）共+βⅡ，快冷时产生部分伪共晶。 • W（Si）=11.6%时，发生共晶转变，共晶反应为L→α+β， 在共晶温度以下，α、β各自沿溶解度曲线析出二次α、β， 冷却过程为L→α+β→（α+β）共+αⅡ+βⅡ。 • 11.6%≤w(Si) ﹤98%时，过共晶反应，冷却过程为 L→L+β→β+（α+β）共+αⅡ
102精制砂模
铸态，砂模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：共晶 图中为共晶组织，为两相交替的针 状组织，共晶的流动性好，所以缩 孔不多，比较金属模和砂模，由于 砂模的冷却速度比金属模慢，所以 从整体上说，金属模更倾向于柱状 晶，砂模更倾向于等轴晶，柱状晶 组织更为致密，但是晶区交界面较 为脆弱，且易富集杂质，等轴晶晶 粒相互咬合，裂纹不易扩散，但致 密度不如柱状晶，从图上也可看出， 金属模的组织比砂模更均匀细密。
实验小结
• 经过本次试验，基本了解了铸造铝合金的 流程，金相样品的制备方法。
• 通过实验将理论与实际结合起来，对所学 的知识理解更深刻。 • 实验中用到了自动化的仪器，磨制与抛光 都是机器完成的，成为不小的遗憾。
过共晶金属模
铸态，金属模，氢氟酸腐蚀， 500× 组织：硅的初生相+共晶组织 硅是高熔点物质，它的初生相是 深色规则多边形，分布在共晶组织 之间，由于过共晶合金组织中有大 量块状初生硅，切削加工性差，但 是这类合金红膨胀系数小，耐磨且 抗热裂性好，主要用于制造活塞等 耐磨件。过共晶成分中硅含量比共 晶多，所以它的流动性比共晶成分 好，故而缩孔比共晶少。
二元合金的显微组织
二元合金的显微组织内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）实验三二元合金的显微组织（Microstructures of Binary Alloys）实验学时：1 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的运用二元共晶型相图，分析相图中典型组织的形成及特征。
二、概述二组元在液态下互溶，而在固态下有限互溶，且具有共晶转变特征的相图叫二元共晶相图。
本次实验，以Pb—Sn系合金相图为例分析共晶、亚共晶、过共晶等不同成分合金的结晶过程及结晶后所形成组织的特征。
简略相图如下：⒈共晶合金含Sn61.9%的合金为共晶合金（图中合金Ⅰ）。
当从液态缓慢冷却时，在温度Te发生共晶转变，既Le→αc +βd。
这一过程在Te温度下一直到液相完全消失为止。
所得到的共晶组织由αc 和βd两个固溶体组成。
它们的相对量可用杠杆定律计算：继续冷却时，将从α和β中分别析出βⅡ和αⅡ。
由于从共晶体中析出的次生相常与共晶体中的同类相混在一起，很难分辨，这样，在结晶过程全部结束时合金获得非常细密的两相机械混合物。
样品制备中的腐蚀剂是4%的硝酸酒精，显微镜中，α相呈暗色，β相呈亮色。
参见图3-1。
（3-1）铅锡二元共晶（3-2）铅锡二元亚共晶⒉亚共晶合金凡成分位于共晶点e以左，c点以右的合金（如图中的合金Ⅱ）叫亚共晶合金。
合金Ⅱ熔化后在液相线与固相线之间缓慢冷却时，不断地从液相中结晶出α固溶体。
随着温度的下降，液相成分沿ac线变化，逐渐趋向于e 点；α相的成分沿固相线ac变化，并逐渐趋向于c点。
当温度降到共晶温度时，α相和剩余液相的成分将分别到达c点和e点。
这时，成分为e点的液相发生前述的共晶转变，直到剩余液相全部转变为共晶组织为止。
这时，亚共晶合金的组织是由先共晶α相和共晶体（α+β）所组成。
在共晶温度以下继续冷却的过程中，将分别从α和β相中析出βⅡ和αⅡ。
实验六二组分合金相图的测定
实验六 二组分合金相图的测定一、目的要求1、测绘Pb—Sn二元物系相图2、了解热分析法的测量技术和热电偶测温技术二、原理热分析法是观察物系在冷却或加热时温度随时间的变化，画出温度与时间的关系曲线，这类曲线称为步冷曲线。
从步冷曲线的转折及其平坦之处，来判断相变化的关系。
通常的做法是：在进行二组分物系的热分析时，我们常常要准备好一系列不同组成的混合物。
如配制含A组分的组成100％、90％、80％……10％直到组分B为100％）先将混合物体系加热全部熔化，然后让其在一定环境中缓慢自行冷却，观察在均匀时间间隔下，所发生的温度变化。
取纵坐标为温度、横坐标为时间，就可以从每一组成画出一条步冷曲线。
当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一平滑的步冷曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。
如以锡(Sn)和铋(Si)的二组分物系为例(图1)：l为纯Sn的步冷曲线。
5为纯Si的步冷曲线。
它们的平坦线段表示各自的凝固点。
曲线2、4的转折点都表示开始有一种固体凝结出来；各线的下面部分都呈现出一个平坦线段，这表示两种固体同时析出。
曲线3亦是如此。
图6-1 根据步冷曲线绘制相图图6-2 有过冷现象时的步冷曲线只是冷却过程中它没有转折点，只有一个平坦线段。
上述各线在平坦线段(温度为135℃)析出的固体是由两种金属的微小晶体组成的混合物，称为低熔混合物，是液体全部变为固体的单纯相变化过程。
故在一段时间范围内，温度不变。
在2、4曲线有转折点，它除有固体析出的同时液体也存在，因此是转折点，当达到最低共熔温度时，出现平坦部分。
以混合物的组成为横轴，以温度为纵轴，将这一系列组成不同的步冷曲线(T-t)图上转折点温度、平坦段温度，画出对应的组成的温度点，用圆滑的曲线连接转折点，用直线连接平坦段点，就得到二组分物系的相图。
二元合金显微组织分析
5. Pb—Sn过共晶——β+（α +β）共晶+ α Ⅱ
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6. Pb—Sn离异共晶——α +β
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7. Pb—Sb共晶——（α +β）共晶
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8. Pb—Sb亚共晶——α+（α +β）共晶+ βⅡ
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9. Pb—Sb过共晶 β +（α +β）共晶+α Ⅱ
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10. Al—11.7%Si合金铸态——（α+Si）共晶
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Pb
WSb(%)
Sb
Pb-S编辑b课合件 金相图
1. Cu—20%Ni合金铸态——α枝晶
富Ni
富Cu
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2. Cu—20%Ni合金扩散退火态——α晶粒
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3. Pb—Sn共晶——（α +β）共晶（片状）
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4. Pb—Sn亚共晶——α+（α +β）共晶+ βⅡ
三、实验报告要求： 详见电子实验报告
实验用二元合金的成分和组织
序号 合金系 类别 处理状态
显微 组织
1 Cu-Ni 匀晶
铸态
α 枝晶
2 Cu-Ni 匀晶 扩散退火
α
3 Pb-Sn 共晶 4 Pb-Sn 亚共晶 5 Pb-Sn 过共晶
铸态 铸态 铸态
（α +β）共晶 α+(α +β）共晶+ βⅡ β+(α +β）共晶+ α Ⅱ
氯化铁盐酸水溶液 氯化铁盐酸水溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液
典型二元及三元合金显微组织分析
先析出相β以树枝晶的形式析出 共晶组织有黑色的点状、颗粒状的α相密集地分布在β相基体上
二元合金
80%Sn+20%Sb α相呈现黑色，β相为白色
三元合金
58%Bi+16%Pb+26%Sn 二元共晶+三元共晶
三元合金
65%Bi+10%Pb+25%Sn
Bi+二元共晶+三元共晶
三元合金
三元共晶
典型二元及三元合金显微典型二元及三元合金显微组织分析组织分析金属材料实验室金属材料实验室一实验目的一实验目的学会运用二元合金相图和三元合金相图分学会运用二元合金相图和三元合金相图分析合金的结晶过程析合金的结晶过程初步掌握二元共晶相图中的典型组织及特初步掌握二元共晶相图中的典型组织及特征并了解非平衡状态下的组织及特征征并了解非平衡状态下的组织及特征掌握掌握pbpbsnsnbibi三元合金系的几种典型组织三元合金系的几种典型组织熟悉初生相两相共晶及三相共晶的组织熟悉初生相两相共晶及三相共晶的组织特征特征二元合金亚共晶组织二元合金亚共晶组织30sn的pbsn合金的亚共晶组织先析出相以树枝晶的形式析出共晶组织有黑色的点状颗粒状的相密集地分布在相基体上二元合金共晶组织二元合金共晶组织619sn的pbsn合金的共晶组织共晶组织有黑色的点状颗粒状的相密集地分布在相基体上二元合金过共晶组织二元合金过共晶组织先析出相以树枝晶的形式析出共晶组织有黑色的点状颗粒状的相密集地分布在相基体上80sn的pbsn合金的共晶组织二元合金二元合金80sn20sb相呈现黑色相为白色三元合金三元合金58bi16pb26sn二元共晶三元共晶三元合金三元合金65bi10pb25snbi二元共晶三元共晶三元合金三元合金三元共晶典型二元及三元合金源自微 组织分析金属材料实验室
二元合金显微组织分析.
实验四二元合金显微组织分析组织和结构是有区别的，主要表现在它的尺度不同。
组织是显微尺度，结构是原子尺度。
组织是指用肉眼和显微镜观察到的金属内部情景，如晶粒尺寸和形状以及组成物的特点等。
而结构是指组成金属的同类或异类原子在三维空间的排列情况。
目前一般是用Ｘ射线衍射分析才能确定。
合金在室温下可以同时存在几种晶体结构，即可以多相共存，因而组织比纯金属复杂很多。
合金的组织，既可由单相组成，也可由两相甚至多相组成。
不同的相可以构成不同的组织。
单相合金是以金属为溶剂的固溶体。
两相或多相合金的组织中，数量较多的一相，称为基体相，大多是以金属为溶剂的固溶体。
其余的相可以是合金的另一组元为基体形成的固溶体或另一组元的纯金属；也可是合金各组元形成的化合物或以化合物为溶剂的固溶体。
合金的相组成是说明合金由几种相和那几种相组成。
合金的显微组织分析就是进一步分析相组成、相分布和相形态，即研究各相的生成条件、数量、形状、大小以及它们之间的相互分布状态。
1．实验目的根据凝固理论，利用二元相图，在金相显微镜下，识别二元合金组织特征，进行显微组织分析。
二．合金中的基本组织特征合金成份不同时，二元合金可构成不同的组织，成份相同、但凝固及处理条件不同时，也可构成不同的组织。
合金的显微组织与合金的成份、组成相的性质、冷却速度及其他处理条件、组成相相对量等因素有关，一般可有以下几种形貌：2.1 单相固溶体固溶体结晶时，先从溶体中析出的固相成分与后从溶体中析出的固相成份是不同的。
冷却速度慢（平衡凝固）时，固相原子经过充分扩散，因而可以得到成份均匀的单相固溶体；冷却快时，固相原子来不及扩散均匀，从而使凝固结束后晶粒内各部分存在浓度差别，故各处耐腐蚀性能不同，浸蚀后在显微镜下呈现树枝状特征。
下面以Cu-20％Ni合金为例进行说明。
C u-20％Ni的铜合金铸态组织图所示为热力学不平衡组织，在固态均匀化退火后，则出现类同纯金属一样的多边形晶粒，Cu-20％Ni的铜合金均匀化退火组织图所示为单相固溶体平衡组织。
二元合金组织分析
Fe-C共晶组织(4.3%C, 100X) 组织分析：莱氏体组织 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶
金相显微分析技术
材料实验中心
Ａl-Cu合金
Al-4.5%Cu合金组织 组织分析：次晶CuAl2(θ)分布于α晶界 和晶内 浸 蚀 剂：0.5% HF水溶液 放大倍数：450X
金相显微分析技术
材料实验中心
Ｚn-Mg合金
金相照片
Sb-16%Fe合金包晶组织（４５０Ｘ） 组织分析：由于包晶反应不能完全进行，灰色为先析出 相ε，包围着其周围白色为包晶反应产物FeSb2化合物， Sb-Fe相图 黑色为共晶中的Sb相（浸蚀剂：FeCl3盐酸水溶液）
金相显微分析技术
材料实验中心
金相照片
左图 Al-Si合金相图
右上 Al-12%Si合金 组织 组织分析：块状初 晶+针状共晶 浸蚀剂：未浸蚀 放大倍数：100X
右下 Al-12%Si合金 变质处理组织 组织分析：树枝状 初晶+共晶 浸蚀剂：混合酸 放大倍数：100X
金相显微分析技术
材料实验中心
铁碳相图
金相显微分析技术
材料实验中心
铁碳组织
共析组织(0.77%C,450X) 组织分析：片层状铁素体（F）+ 渗碳体（Fe3C）A→F+ Fe3C 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
二元合金组织分析
金相实验室: 师 琳
合金中基本组织特征
根据二元相图及凝固条件，二元合金可构成 不同组织，其形态组成本性、冷却速度、组成相 相量不同可有多种形貌，现分别介绍如下。
单相固溶体
由于先后从溶体中析出固相成分不同，冷却快时，来不及 扩散均匀，凝固结束，晶粒内各部分存在浓度梯度，故各处腐 蚀性能不同，浸蚀后在显微镜下呈现树枝状特征，如图7-2a所 示单相固溶体组织存在晶内偏析、呈树枝状。图7-2a所示为热 力学不平衡组织，在固态均匀化退火后，则出现类同纯金属一 样的多边形晶粒，如图7-2b所示单相固溶体平衡组织。
二元合金平衡(非平衡)显微组织分析
亚共晶
过共晶
共晶（平衡）
共晶（非平衡）
Cu－Ni平衡组织
Cu－Ni非平衡组织
亚共晶
共晶
过共晶
Cu－Sn包晶反应不完全
二元合金平衡及非平衡显微 组织分析
实验目的 掌握二元相图基本类型及各组成部分的特点； 学会用相图分析不同成分合金的凝固过程并 掌握其室温组织的实际形貌特征； 了解其它常见合金室温共晶体形貌特征。
实验内容
二元合金平衡组织分析
`
二元合金非平衡显微组织分析
一、端部固溶体（非平衡组织）
离异共晶（Al－Cu合金） 枝晶偏析（Cu－Ni合金）
Cu--Ni匀晶相图
平衡组织（退火）
非平衡组织（枝晶偏析）
二、伪共晶组织
（Al－Si合金）共晶点处伪共晶组织
三、包晶反应不完全（Cu绘制Ni—Cu二元匀晶相图中平衡结晶与非平衡结晶显微组织示意图、 并标出组织组成物；（2个） 2.绘制Pb—Sn二元共晶相图中平衡结晶的共晶，亚共晶，过共晶显微 组织示意图，并标出组织组成物；（3个） 3.绘制Al－Cu合金端部固溶体的显微组织示意图，并标出组织组成物； （1个） 4.绘制Al—Si二元共晶相图中平衡结晶的共晶，亚共晶，过共晶以及 具有共晶成份在非平衡结晶下合金的显微组织形貌，并标出组织组成 物； （4个） 5.绘制Cu—Sn包晶反应不完全显微组织、并标出组织组成物。 完成实验报告
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序号: 1200134000101
组别: 5
深圳大学实验报告课程名称：材料科学基础实验
实验项目名称：二元合金显微组织分析
学院：材料学院
专业：材料科学与工程
指导教师：钱海霞
报告人：叶淳懿学号：2016200084 班级：
实验时间：2018.12.19
实验报告提交时间：
教务部制
数据处理分析
纯铁，退火态，4%硝酸酒精腐蚀，物镜10倍，铁素体(α相)
由图可知，经过4%硝酸酒精腐蚀的退火态纯铁拥有大小较为明显和均匀的晶粒，且均为铁素体(α相)。
由熔融态纯铁随着温度下降，先析出δ相铁；随着温度继续下降，δ相铁发生转变变成γ相铁。
当温度降至912℃时，γ相铁开始转变为α相铁，即图中铁素体。
20钢，退火态，4%硝酸酒精腐蚀，物镜10倍，铁素体，珠光体
经过4%硝酸酒精腐蚀的退火态20钢图中有浅色与黑色两种晶粒分散分布，其中浅色为铁素体，黑色为珠光体。
为亚共析钢。
20钢冷却时先匀晶转变析出δ相固溶体，之后发生包晶转变析出γ相，此时仍有δ相，但随着温度降低全部转变为奥氏体。
温度继续冷却，开始析出铁素体，并逐渐增多。
在770℃发生共析转变形成珠光体（α+Fe
C）。
3
45钢，退火态， 4%硝酸酒精腐蚀，物镜10倍，铁素体，珠光体
45钢也是亚共析钢，由图可知，相比起20钢，黑色的珠光体含量更加多，且珠光体的晶粒更大。
45钢冷却时先匀晶转变析出δ相固溶体，之后发生包晶转变析出γ相，此时仍有液相，但随着温度降低全部转变为奥氏体。
其余过程与20钢相比并无太大差异，不再赘述。
60钢，退火态，4%硝酸酒精腐蚀，物镜10倍，铁素体，珠光体
由图可知60钢仍是亚共析钢，但绝大部分已经是珠光体了，浅色的铁素体只占其中很小的一部分。
45钢冷却时直接匀晶转变析出γ相，无δ相析出。
其余过程与20钢相似，不再赘述。
T8钢，退火态，4%硝酸酒精腐蚀，物镜40倍，铁素体，渗碳体，珠光体
T8钢为共析钢，从图中可看到黑绿色为渗碳体，浅色为铁素体。
他们共同构成了珠光体。
T8钢在冷却时，先匀晶转变析出γ相，液相逐渐消失。
温度降低至727℃时，发生共析转变，奥氏体全部形成珠光体。
温度继续降低会从铁素体中析出少量二次渗碳体。
T12钢，退火态，4%硝酸酒精腐蚀，物镜40倍，二次渗碳体，珠光体
T12钢也是过共析钢，图中有白色网状和暗黑色。
白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体。
T12钢在冷却时，先匀晶转变析出γ相，液相逐渐消失。
温度继续降低，γ相C(二次渗碳体)，呈网状分布。
温度降低至727℃时，发生共析转中析出Fe
3
变，形成珠光体。
T12钢，退火态，苦味酸钠腐蚀，40倍物镜，二次渗碳体，珠光体
同样是T12钢，与硝酸酒精腐蚀不同的是，使用苦味酸钠腐蚀黑色的为二次渗碳体，浅白色为珠光体。
亚共晶白口铁，铸态，4%硝酸酒精腐蚀，40倍物镜，珠光体，变态莱氏体
图中有大块黑色晶粒及黑白交错的部分。
深黑色部分为珠光体，其余部分为变态莱氏体。
亚共晶白口铁冷却时先结晶出奥氏体，继续冷却发生共晶转变生成莱氏体。
在生成莱氏体时，初生相奥氏体和共晶奥氏体中都会析出二次渗碳体。
温度降至727℃时，所有奥氏体发生共析转变成为珠光体。
共晶白口铁，铸态，4%硝酸酒精腐蚀，40倍物镜，变态莱氏体，珠光体
深黑色部分为珠光体，其余部分为变态莱氏体。
合金从熔融态冷却至1148℃时，发生共晶转变，生成莱氏体。
继续冷却时奥氏体中析出二次渗碳体。
冷却至727℃时，发生共析转变，形成珠光体。
继续冷却还会析出Fe3C，最后得到室温莱氏体（变态莱氏体）。
过共晶白口铁，铸态，4%硝酸酒精腐蚀，40倍物镜，一次渗碳体，变态莱氏体
白色条片状为一次渗碳体，其余为变态莱氏体。
冷却时先结晶出渗碳体，以条状形态生长，其余的转变与共晶白口铁相同，不再赘述。
取45钢含碳量为0.45%，则由杠杆定理可计算其在室温下的总铁素体（α相）含量为w(α)=(6.69-0.45)/(6.69-0.0008)=93.28%.
所以渗碳体（Fe3C）含量为w(Fe3C)=1-93.28%=6.72%。
取T12钢含碳量为1.2%，室温下的α相含量为w(α)=(6.69-1.2)/(6.69-0.0008)=82.07%，所以Fe3C含量为w(Fe3C)=1-82.07%=17.93%
同理，3.5%铸铁室温下的α相含量为w(α)=(6.69-3.5)/(6.69-0.0008)=47.69%，
Fe3C含量为w(Fe3C)=1-47.69%=52.31%
5%铸铁室温下的α相含量为w(α)=(6.69-5)/(6.69-0.0008)=25.26%，
Fe3C含量为w(Fe3C)=1-25.26%=74.74%
45钢在727℃发生共析转变前，铁素体含量w=(0.77-0.45)/(0.77-0.0218)=42.77%.
此后，奥氏体转变为珠光体。
所以室温时铁素体含量为42.77%，珠光体含量为1-42.77%=57.23%
注：1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充。
2、教师批改学生实验报告时间应在学生提交实验报告时间后10日内。