二元合金平衡(非平衡)显微组织分析全解
实验6-实验六 二元合金显微组织分析
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+FeC）。
345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。
组织金相显微组织分析
第三章金相显微组织分析第一节二元合金平衡（非平衡）显微组织分析金相显微组织是在金相显微镜下能够看到的合金内部组成物的直观形貌，它描述了各组成物的本质、形态、大小、数量和分布特征。
这些组成物由不同的相所组成。
合金的显微组织可以是一种相组成的单相组织，也可以是几种相组成的复合组织。
相：是具有同一聚集状态、同一结构、同一性质、并与其他部分在界面分开的均匀组成部分。
相图：是研究不同成分合金相平衡关系的一种图形。
组织：用肉眼或显微镜所观察到的不同组成相的形状，分布及各相之间的组合状态。
平衡组织：合金经缓慢冷却后具有的显微组织。
非平衡组织：合金经快冷后具有的显微组织。
二元合金：由两种组元组成的合金称为二元合金。
固溶体：以合金某一组元为溶剂，其晶体点阵中溶入其它组元原子（溶质）所组成的异类原子混合的结晶相，结构保持溶剂元素的点阵类型，其实质是固态溶液。
匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程。
共晶转变：具有E点成分的液相，在一定的温度下，同时结晶出一定成分的两个固相，即M点成分的α相与N点成分的β相。
包晶转变：由一个固相与液相作用形成另一个固相的过程，称为包晶转变。
晶内偏析（枝晶偏析）：在一个晶粒内部成分不均匀的现象，称晶内偏析。
离异共晶：当不平衡共晶体量很少时，其中与初生晶体相同的相，常与初生晶体连成一片，不能分辩，而共晶体的另一相则留在枝晶间，这种形式的共晶组织称离异共晶。
伪共晶：亚共晶和过共晶合金在快冷时，初生晶体数量减少，共晶体的实际成分偏离原共晶点，形成伪共晶，成分靠近共晶点的合金，快冷时，甚至来不及析出初生晶体即发生共晶反应，得全部共晶体。
这种由非共晶成分的合金而获得全部共晶体的组织，称为伪共晶组织。
脱溶：由α固溶体中析出另一种固相的过程，称脱溶，一般脱溶相称为次生相表示。
或次生固溶体，以βⅡ观察二元合金显微组织，应根据该合金系的相图，分析合金在平衡及非平衡冷却条件下可能出现的相及组织组成物。
典图3-1 Ni-Cu相图型二元合金的显微组织可分为以下几类：一、固溶体合金的显微组织具有匀晶转变的合金，如图3—1所示,在平衡冷却条件下,其室温组织均为单相固溶体。
第四章二元合金
⒍结构：
原子尺度的材料形貌（晶格类型、晶胞 尺寸等）用射线确定。
第一节 合金的相结构
一、 固溶体 合金在固态时，组元间会相互溶解， 形成一种在某种组元的晶格中包含有其它组元 的新相称为固溶体。
晶格与固溶体相同的组元－溶剂。 晶格与固溶体不同的组元－溶质。 固溶体又划分为：置换固溶体，间隙固溶体。
（一） 置换固溶体： 溶质的原子，对溶剂晶格上某些结点位置的 原子置换而形成的，见图4－1。 这种置换引起： ⒈ 固溶强化：“置换”，使溶剂晶格畸变，引 起 固溶体强度、硬度提高，物理性能变化。这是 提高合金机械性能的重要手段之一。 见图 4－2：
一、 化合物：
⒈ 定义： 合金中，当溶质含量超过溶解度时，将 析出新相，当新相的晶格与合金任一组元都不同， 则新相为化合物。 当新相的晶格与合金的另一组元（溶质）相同， 则为新固溶体。 ⒉化合物分类： 正常价化合物，电子价化合物，间隙化 合物，复杂结构间隙化合物见图4－6。
⒊ 化合物特点：
具有复杂晶格结构，熔点极高、高硬脆。 如能“弥散”于合金中是“强化相”。 是 很 多合金的重要组成相。
' 1
t ② 温度由t 1 降至 2 ，液态合金中继续生新核， 原有的核长大。固相量不断增多，液相量不断 减少，但总重量仍为1。 此时新 相核，含Ni为X X ，数量增多。 ' 原含Ni为 1 的核，其含Ni 量由于原子扩散作 X ‘ 用变为 X 2 。而剩余液相含Ni量变为 2 。 X 固相量进一步增多，液相量进一步减少， 但总量仍为1。 但：此时合金含镍量仍 为K 。
第二节 二元合金相图
⒈ 几个名词、术语： 合金系： 由给定组元配制成的一系列成分不同 的合金，即合金系。 例： 二个组元—二元合金系。 三个组元—三元合金系。 多个组元－多元合金系。 平衡（相平衡）： 合金中参与结晶或相变过程的各相浓度 不再改变时的状态。
第四章 二元合金相图与合金凝固
第四章二元合金相图与合金凝固本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al2O3-SiO2二元系相图相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图1.填空1 相律表达式为_____________________________。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和____________________。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用_________________热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为________________状。
金相实验报告——二元共晶系合金的组织观察与分析
西安交通大学实验报告课 程：金相技术与材料组织显示分析 实验 日期：年 月 日专业班级： 组别 交报告日期： 年 月 日姓 名： 学号 报 告 退 发： （订正、重做）同 组 者： 教师审批签字：实验名称：二元共晶系合金的组织观察分析实验目的：1. 熟悉共晶系合金的显微组织特征；2. 掌握用相图分析合金结晶组织的方法。
实验原理概述：相图是分析显微组织的最基本的依据。
以下是Pb-Sn 合金的相图：1. 固溶体位于相图的两端，这类合金在结晶终了将得到单相固溶体，a 固溶体和β固溶体，将其冷到固溶度线以下将析出二次β或二次a ，通常呈粒状或小条状分布于晶界与晶内。
2.共晶线上的合金成分处于共晶线上的合金，在温度讲到共晶温度时，都要发生共晶反应，组织中有共晶组织特征。
按成分分为亚共晶合金、共晶合金和过共晶合金。
3.枝晶偏析与离异共晶、伪共晶当二元合金不平衡洁净时，固相成分分散不均匀，固相成分偏离平衡相图上固相线的位置，结晶后的组织成分不均匀，先结晶的枝杆，含高熔点组元多，后结晶的枝间含低熔点的组元多，即所谓的枝晶偏析现象。
结合相图，分析所画组织的结晶过程：1.亚共晶结晶过程：其室温下显微组织都是α+βⅡ组成，只是两相的相对量不同。
从液相冷却至液相线首先从L相中析出α相，在继续冷却到共晶线时发生共晶反应析出β相成为两相固溶体。
2.共晶结晶过程：当液相成分为共晶成分时，液态冷却到共晶线时才开始析出，并同时析出α和β相，其析出成分比例也为共晶比例。
3.过共晶结晶过程：其过程和亚共晶结晶过程相似，不同的是当液相冷却至液相线时先析出β相，再到共晶线发生共晶反应是才析出α相。
用杠杆定律计算所画共晶合金中两相的相对量：因Sn的质量分数为61.9%，则由杠杆定律：α相的含量wtα=X100%=38.1%；β相的含量wtβ=X100%=61.9%。
第4章第2~3节二元合金相图
3）特征线（5条）
aeb 为液相线；amenb 为固相线； mf、ng — 代表两固溶体ɑ 和β溶 解度曲线； men — 一段水平线又称共晶反应 线，成分在该范围内的合金都将 发生共晶反应。
4）特征区（7个区）
3个单相区： L、ɑ 和β；
3个双相区：（L+ ɑ ）、（L+β） 和（ ɑ +β）；
+βn），称为共析反应，即 γe →（ɑm +βn）
结晶产物为共析体：
呈片层状的特征，但比共 晶体要细密。
3、men为共析反应线：
成分在该范围内的合金都 将发生共析反应。
三、相图与合金性能之间 的关系
（一）合金成分与力学性能之 间关系
（二）合金成分与合金铸造性 能之间关系
（一）合金成分与力学性能和物理性能
温 度 T
时间 t
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi%
20%Ni的冷却曲线
温 度 T
时间 t
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi%
纯Cu的冷却曲线
温 度 T
时间
Cu t
20
40
60
80
Ni
wNi%
汇总
L L+α
α
温 度 T
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi%
二、二元相图的基本类型
及应用
（一）匀晶相图 （二）共晶相图
过共晶合金： 成分位于e-n点之间合金。
共晶反应：
具有一定成分的液体（Le）在 一定温度（共晶温度）下同时结 晶两种成分的固溶体（ɑm +βn） 称为共晶反应，即
实验二：二元合金组织观察
实验六：二元合金组织观察一、实验目的观察几种不同类型的二元合金显微组织，结合状态图分析讨论各类合金的组织特点二、实验说明1． Cu-Ni合金铜和镍两组元在液态及固态下都能无限互溶，在L+α两相区，自由度为1，结晶是在一个温度区内进行的（图5所示）。
任一Cu-Ni合金由液态极缓慢地冷却到室温时，可得到均匀的单相α固溶体，但在快速冷却（生产条件）时，扩散未能充分进行，使凝固过程偏离平衡条件而出现枝晶偏析，显微组织呈树枝状组织，枝干为富Ni的α（高熔点组元先凝固），枝间为富Cu的α（低熔点组元多）2． Pb-Sn合金Pb-Sn合金为液态下无限溶解，固态下有限互溶的共晶系（图6）。
当缓慢冷却时，合金按照相图平衡凝固。
合金Ⅰ为共晶组织（α+β），室温下全部为层片交替的共晶体，合金Ⅱ室温组织为β+（α+β）。
由于固溶体溶解度的变化，从初晶或共晶的α会析出β，（α+β）共晶保持共晶的特征，经4%硝酸酒精浸蚀，黑色为α相，白色为β3． Sn-Sb合金图7为Sn-Sb合金状态图，从图中可知，Sn-Sb在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，具有如下两个包晶反应：其中β是金属化合物SnSb，冷却到325～320℃间转变为有序相β′；α是Sb在Sn中的固溶体；γ是Sn在Sb中的固溶体。
合金Ⅰ，室温显微组织为α固溶体的基体上分布由β′相，有时能看到β′呈枝晶状（达不到平衡条件所至）且在其上观察到αⅡ。
合金Ⅱ，冷却时首先析出γ固溶体，到425℃进行包晶反应，生成β相（包晶），反应结束仍有过剩液相，随后冷却过程，液相不断结晶成β，一直到结晶完毕，继续冷却β转变为β′。
若是平衡条件下最后得到均匀的单相组织β′。
但在包晶转变过程中，扩散极为困难，达不到平衡条件，所以当试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，往往能看到白色的外包着灰色的β（富Sb）而基体为L转变成的β（暗黑色，富Sn）。
三、实验材料及设备1．典型试样（见下表）2．金相显微镜四、实验步骤及内容1．熟悉匀晶、共晶、包晶三类相图2．结合相图对已制好的典型试样进行观察3．绘制典型合金的组织示意图五、实验报告要求1．绘制六种典型合金的组织示意图，用箭头标明示意图中所示的组织，并注明处理状态、腐蚀剂和放大倍数。
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，1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。
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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－Sn合金）
Cu－Sn包晶反应不完全
实验任务
1.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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Cu－Ni平衡组织
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Cu－Sn包晶反应不完全