实验六 二元合金显微组织分析
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
本次实验的目的是研究二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
实验中，我们使用了一种名为“二元合金相图”的实验方法。
该方法是通过改变合金中两种元素的比例，来研究合金的性质变化。
我们使用的合金是铝锰合金，它由铝和锰组成，比例分别为90％和10％。
实验过程中，我们首先将铝和锰的比例改变为80％和20％，然后将其熔炼，并将其冷却到室温，以观察其相变。
结果发现，当比例改变为80％和20％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
接下来，我们将铝和锰的比例改变为70％和30％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为70％和30％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
最后，我们将铝和锰的比例改变为60％和40％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为60％和40％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
经过上述实验，我们发现，随着铝和锰的比例的改变，合金的结构也会发生变化，出现新的相。
这表明，铝锰合金的组成和性质之间存在着密切的关系。
总之，本次实验成功地研究了二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
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4章_二元合金
类似于杠杆原理
固溶体合金的不平衡凝固过程
晶内偏析
一个晶粒内化学成分不 均匀的现象，称为晶内 偏析或枝晶偏析。
形成原因
冷却速度较快，原子扩 散来不及充分进行，会 使先结晶出来的固相含 Ni较多，后结晶出来的 固相含Ni较少。
Cu-Ni合金的铸态组织示意图
三、共晶相图
两组元 在液态时无限互溶，在结晶时发生共晶转变， 形成共晶组织的相图。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si
80%Ni
100%Ni
温 度
40%Ni
60%Ni
开始结晶点
20%Ni 0%Ni
结晶结束点
时间
Cu
20
40
60
80
Ni
Cu-Ni二元合金冷却曲线及相图
二、匀晶相图
两组元 在液态和固态时能无限互溶所构成的相图
Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr
相图分析
合金K L 液相线 L+α
固相线 Cu
间隙化合物：是由过渡族金属元素与原子半径较小的C、N、 H、B等非金属形成的化合物。
非金属原子与金属原子的半径 比小于0.59时形成间隙相 非金属原子与金属原子的半径 比大于0.59时形成间隙化合物
间隙相与间隙固溶体的区别
间隙相VC的结构
间隙化合物Fe3C的结构
钢中常见碳化物的硬度和熔点
类型 成分 TiC ZrC VC
组织：把能够在显微镜下清楚区别开，并具有一定形 态特征的组成部分，称为组织。 可以由一种相组成，也可以由几种相复合组成。
比重偏析
比重偏析： 因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象。 铸件上下部分的化学成分不一样。 防止措施： 在浇注时进行搅拌。
二元合金实验报告
实验五二元合金相图一、目的要求1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。
2.了解热分析法的测量技术。
二、基本原理相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。
二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。
由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。
图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。
图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。
在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef 两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。
测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。
常用的实验方法是热分析法。
热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。
将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。
冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。
若图4.2是图4.1中组成为P 的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。
因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。
二元合金相图(很好很强大)
(ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对重量百分比为：
QL
xx2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是
一次相为 ，二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ,共晶体 (+)都是组
织组成物。 相与相之间的
差别主要在 结构和成分 上。
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
Fe-Fe3C相图
⑷ 三相区的确定：二 元相图中的水平线 是三相区，其三个 相由与该三相区点 接触的三个单相区 的相组成。
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 共晶反应 包晶反应 共析反应
反应式
说明
L⇄ +
恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。
恒温下由一个液相包着
L + ⇄ 一个固相生成另一个新
铁碳合金相图
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠 光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
与共晶反应不同 的是，共析反应 的母相是固相， 而不是液相。
另外，由于固态 转变过冷度大， 因而共析组织比 共晶组织细。
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。
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实验六二元合金显微组织分析
一、实验目的
1.熟悉几种典型的二元合金平衡和非平衡显微组织及几种典型成分的铁碳
合金的平衡组织。
2.学会根据已知相图及显微组织观察分析各种组织的形成过程。
3.建立二元合金中成分、组织和性能之间变化的规律。
二、实验设备
1．金相显微镜30台；2. 标准金相试样5套；3. 标准金相挂图1套；4. 铁碳相图挂图1套。
三、实验内容
由于纯金属性能的局限，特别是在强度方面远不能满足工业的要求，故生产中使用的金属材料几乎都是合金。
实用合金有二元合金，也有多元合金。
而不少多元合金可粗略地作为二元合金来分析。
所以就金属材料的研究而言，二元合金是最基本的合金体系。
二元合金的主要分析方法，一是借助于合金相图以分析相的组成；二是借助于显微观察以分析显微组织的形状。
二元相图的种类很多，不同种类的二元合金经不同处理后的显微组织观察也有很丰富的内容。
本实验选配了几种典型成分的合金，经不同处理，供大家观察其组织，从而进一步熟悉不同的二元相图及二元系合金中成分、组织及性能之间的关系，同时了解平衡组织与实际铸造生产时所得到的非平衡组织之间的差异和联系。
铁碳相图是比较复杂的二元相图，它是由四种基本形式的相图—匀晶相图、包晶相图、共晶相图和共析相图所构成。
铁碳合金在工业生产中有着广泛的应用，铁碳合金的研究对生产实验有着重要的指导意义。
本实验准备了各种典型成分的碳钢退火态试样和铸态白口铸铁试样，供大家观察其平衡组织（铁碳合金不平衡组织的观察作为另一项实验的内容），以进一步了解钢（铁）的碳分、组织和性能三者之间的关系。
本实验所用试样如下：
1. 铁碳合金试样：
(1)纯铁退火态4%硝酸酒精腐蚀；
(2)20钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；
(3)45钢退火态 4%硝酸酒精腐蚀；
(4)60钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；
(5) T8钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；
(6)T12钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；
(7)T12钢退火态苦味酸钠腐蚀；
(8)T12钢球化退火4%硝酸酒精腐蚀；
(9)亚共晶白口铁铸态4%硝酸酒精腐蚀；
(10)共晶白口铁铸态4%硝酸酒精腐蚀；
(11)过共晶白口铁铸态4%硝酸酒精腐蚀；
2. 其它二元合金试样：
(1)纯铜退火态；
(2)含氧工业纯铜铸态；
(3)30%Ni-70%Cu 铸态；
(4)30%Ni-70%Cu 铸造后 900℃退火；
(5)纯Ni 退火态；
(6)12%Sb-88%Sn 铸态；
(7)20%Sb-80%Sn 铸态；
(8) 8%Sb-92%Sn 铸态；
(9)13%Sb-87%Pb 铸态慢冷；
(10) 135Sb-87％Pb 铸态快冷；
(11) 30％Sb-70％Pb 铸态快冷；
四、实验步骤
1.认真观察实验室准备的碳钢和其它二元合金各个试样的显微组织，联系
相图了解其组织形成过程。
2.抓住特征描绘每只样品的显微组织图，在图下注明材料名称、处理状态、
浸蚀剂、放大倍数和组织名称，并用箭头把组织名称标在组织图上。
3.计算45钢室温时自由铁素体、总的铁素体、渗碳体的含量。
4.讨论碳钢的碳分、组织与性能关系。
五、实验报告要求
1.描绘各样品的显微组织。
2.详细分析各种组织形成过程。
3.选择一、二个合金计算其平衡组织中各相的相对含量。
六、思考题
1.试分析含碳3.5%的Fe-C合金平衡冷却时组织变化过程，说明用杠杆定
律计算相组成物与组织组成物时应注意之点。
2.对匀晶合金、共晶合金、亚共晶合金以及包晶合金如何根据相图及观察
到的组织（平衡冷却与非平衡冷却之组织）分析冷却速度对组织形态的
影响。
3.试从相组成及形态特点分析低、中、高碳钢平衡组织的性能特点。