材料课件实验四二元合金组织观察
第四章__二元合金相图
固溶体的分类
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：
置换固溶体与间隙固溶体
•按溶质原子在溶剂中的溶解度分：
有限固溶体和无限固溶体
•按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分：
无序固溶体和有序固溶体
• 1、置换固溶体 • (substitutional solid solution) • 溶剂原子被溶质原子所置换
杠杆定律
杠杆定律是确定状态图中两相区内两平衡相
的成分和相对重量的重要工具
由杠杆定律可算出合金中平衡两相的相对质
量（即质量分数）
二元合金系，杠杆定律只适用于相图中的两
相区, 且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个
端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合
金的成分点。
4、合金的不平衡结晶与树枝状偏析
成的固溶体。
形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直径
差别较小，容易形成置换固溶体。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称
之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为 有规则的排列，称为有序固溶体。
固溶体的溶解度
浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比 溶解度：在一定条件下的极限浓度 置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子
2、间隙固溶体（interstitial solid solution）
溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体 晶体结构类型
晶格畸变（lattice distortion）
由于溶质原子的介入，原子的排 列规律受到局部的破坏，使晶格 发生扭曲变形。
溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增 大，金属的强度及硬度升高的现象------固溶强化
T,C 1500 1400 a1 1300 1200 1100 a 1083 1000 Cu L 1455
第四章-二元合金相图PPT课件
1400
1400
（L+ ）
1300
1200
1200
1100
1000
1000
900
800
t
800 0
20
40
60
80
100
W (% )
Cu-Ni合金相图的建立
Cu
.
8
（二）二元匀晶相图分析
两线：液相线、固相线 1、相图分析 三区：液相、液相+固相、固相
1500
L
1400
1300
1200
+ L
1100
1100
Ma/Mb =(Cb-C)/（C-Ca）
1000
若M=Ma+ Mb为已知量，那么， 900
两相的绝对含量为：
800 0
Ca
Cb
20
40 C
60
80
100
Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca） N i
W (% ) Cu
Cu
Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）
Ca
C
Cb
Ma
A
1000
900
800
0
20
40
60
80
100
Ni
W (% )
Cu
.
Cu
9
三、合金的平衡结晶过程
所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、 原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达 到相平衡条件的一种结晶过程。
温
1500
度
1400
L
1
1300
2
1200
+ L
4二元合金相图
共晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
23
析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，
因而共晶组织较细,呈片、棒、点球等形状.
共晶组织形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固)
条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）24
Pb-Sn共晶合金组织
26
③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成 分变化到C点，液相成分变化到E点, 此时两相的相 对重量为：
QL ( QE ) C2 CE 100%, Q 2E CE 100%
27
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：
水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在 该温度下发生包晶反应：LC+P⇄β D 。该反应是
液相L包着固相, 新相 β 在L与α的界面上形核，
并向L和两个方向长大。 在一定温度下，由一个 液相包着一个固相生成
L L+
L+
+
另一新固相的反应称包
晶转变或包晶反应。
33
② 相区：相图中有:
三个单相区： L、 、； 三个两相区： L+、 L+、+ ；
A B
一个三相区：即水 平线CED。
13
③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分
别为Pb、Sn的熔点.
④ 固溶线: 溶解度
A
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。
第四章 二元合金
2.1.2置换固溶体： 2..1.2.1形成置换固溶体造成的后果－固溶强化； 固溶强化：当溶质原子溶入溶剂晶格时，将 造成晶格畸变，如图所示，使强度、硬度增 加的现象；
2.1.2.2影响固溶度的因素： ①原子尺寸因素：组元间的原子半径越接近，则 固溶体的固溶度越大。 原因：晶格畸变；
2
• 当温度缓冷到 3点，温度冷 却到t3时，结 晶结束，得到 与原合金成分 相同的α固溶 体。
结晶规律： ①在温度不断下降过程中，液相的成分不断的沿着 液相线变化， α相的成分不断的沿着固相线变化； ② α相的数量不断增多，液相的数量不断减少，在 一定温度下，两相的相对含量可以用杠杆定律计 算。
•综上所述，形成无限固溶体的必要条件： ①晶体结构相同； ②电化学性质（负电性）相近； ③原子尺寸相近； ④溶质元素的原子价要小；
2.1.3间隙固溶体：原子半径很小的溶质原子溶入到 溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而 是填入到晶格的间隙中，形成间隙固溶体。
说明：
①间隙固溶体只能是有限固溶体； ②形成条件：
3.3杠杆定律（只适用于两相区） 杠杆定律适用于二元系合金中，在两相区中确 定相的相对含量。 在Cu-Ni二元合金 中，Ni的含量为C% 的合金Ⅰ在温度t1时， 两相平衡 L 通过温度t1作一水平 线段arb，CL、Cα分 别表示液、固两相 的成分。
下面计算液相和固相的相对含量。设合金的总 质量为1，液相的质量为WL，固相的质量为Wα， 则WL+ Wα=1
• 宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织；
• 微观组织：用显微镜观察到的组织；
• 电子显微组织：用电子显微镜观察到的组织；
2、相的分类
根据相的晶体结构特点分为两大类：固溶体和 金属化合物。
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。
第五章 二元合金组织的观察
第五章 二元合金组织的观察一、概述合金的种类不同，合金状态图的形式也不同，有的则十分复杂，但任何复杂的二元合金状态图，都是由一些简单的基体状态图组合起来的。
这些基本类型有匀晶状态图，共晶状态图和包晶状态图等。
熟悉掌握这些相图，是分析合金的结晶过程，组织转变规律及组织特制的必要知识。
1、二元匀晶相图及合金的结晶过程和组织特征这类状态图的特点是合金的二组元在液态与固态下均能完全互溶，Cu －Ni 合金就是其中的一种，如图1所示。
具有这种类型状态图的合金，结晶过程及所获得组织都具有独特的特征，现以合金钢为例，简要叙述如下：改合金加热至液态后自高温缓慢冷却至t 1温度时，开始从液相中结晶处α1固溶体，此时与其平衡存在得液态是L 1，由图可见，α1要比原液相含有较多的Ni 组元。
继续冷却到t 2温度时，合金的相平衡关系则变为：222t L α−−→←−−为了达到这种新的平衡，在t 1温度结晶出的α1相，必须改变为与α2相同的成分，液相成分也必将由L 1向 L 2变化。
在温度不断下降过程中，固相的成分将不断的沿固相线变化，液相的成分也不断的沿液相线变化。
同时固相的量不断增多，而液相量逐渐减少。
在一定温度下两相的相对量可用杠杆定律求出。
当冷却到t 3温度时，结晶全部完了，得到了与原合金成分相同的α固溶体。
在显微镜下观察，固溶体的组织特征与纯金属相似，为多边形晶粒所组成。
但在实际生产中，由于冷却速度比较快，因此，合金不可能完全按照平衡条件进行结晶。
2、二元共晶状态图及合金的结晶过程与组织特征二元合金具有共晶转变特征的状态图叫做共晶状态图，在这种合金系中，二组元在液态下无限互溶，而在固态下可有限互溶。
下面以Pb －Sn 合金（参看图2）为例分析其共晶、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形态的特征。
1）含Sn 小于19％的合金由图2可见，含10％Sn 的合金，缓慢冷却到液相线时，从液体中开始结晶出α固溶体。
二元合金优秀课件
➢ 组元：组成合金的独立的、最基本的单元。 组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物
➢ 合金系：由给定组元配制成一系列成分不同 的合金组成的一个系统。
合金的结构与二元合金
相的定义
机械工程材料
➢相：在金属或合金中，凡具有相同的化学成分、
相同的晶体结构并以界面相互分开的均匀组成 部分。
液态物质为液相，固态物质为固相。
合金的结构与二元合金
电子化合物的结构特点
机械工程材料
电子浓度和晶体结构具有一定的对应关系， 且成分可变，可形成以电子化合物为基的固溶 体。
生成这种合金相时, 元素的每个原子所贡献 的价电子数Au、Ag、Cu为1个, Be、Mg、Zn 为2个, Al为3个, Fe、Ni为0个。
合金的结构与二元合金
➢固态合金中两类基本相：固溶体和金属化合物 ➢合金的相状态：合金在一定条件下的相组成情
况，包括相的种类和相对量。
合金的结构与二元合金
组织的定义
机械工程材料
➢组织：在显微镜下所观察到的，具有一定大
小、形状和分布的金属内部的微观形貌。
➢ 在金属或合金中，由于形成的条件不同，各 种相将以不同的数量、形状、大小相互结合， 因此，在显微镜下，可以看到金属或合金具 有各种不同的组织。
体结构均不相同
合金的结构与二元合金
1.固溶体
机械工程材料
溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂 晶格类型而形成的相。
它总是以一种元素(与合金晶体结构相同) 作为溶剂，另一种或多种元素作为溶质的。 固溶体用α、β、γ……来表示。
合金的结构与二元合金
固溶体的分类
机械工程材料
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分： 置换固溶体与间隙固溶体
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实验四二元合金组织观察
目的
1．加深对二元合金相图的认识，学习利用相图分析合金的铸态组织；
2．学习显微组织示意图的绘制方法。
一、相图及相关的组织转变
铸造组织就是从液态冷却凝固后未进行其它有改变组织的处理，如冷态压力加工、热处理等，所以其组织可以直接用相图的凝固冷却过程的组织变化来分析。
1．固溶体的凝固时，析出的固相成分和原液体有一定的差别。
金属的结晶生长通常都是以树枝晶方式，未达到平衡时便有晶内偏析，成树枝状分布。
2．共晶转变是液体可以在恒温下，同时析出两固相，其产物为两相交替分布的共晶体。
由于构成共晶体的两相自身的性能差别，形成的共晶体的形貌也各不相同。
常见的有层片、棒状、纤维、球状、针状、骨骼状、螺旋状等。
3．具有共晶转变的非共晶成分的合金，在平衡冷却时，共晶转变前有先共晶的初生相析出，它们在液体中自由生长，到达共晶温度剩余液体发生共晶转变，生成的共晶体填充剩余空间，所以初生相保留生长的形状。
一般金属性强的往往一树枝状生长，形貌为排列有一定规律的卵圆形；呈非金属强的初生相生长成多面体，观察形貌为多边形。
4．具有包晶转变时，剩余的初生固相通常在生成相的晶粒内部，由于包晶反应的消耗，初生相为残缺不全。
二、实验内容
观察几种典型合金的铸造组织形貌，
①．Cu－Sn6%合金较快冷却凝固组织，认识枝晶偏析组织。
②．Pb－Sb12.6％共晶组织，由于锑几乎接近非金属，对铅的溶解度较小，呈现亮色针
状，黑底为铅为基的固溶体。
③．Pb－Sb5％合金有暗色树枝状的铅为基的固溶体初晶析出。
④．Pb－Sb75％合金有亮色块状的锑为基的固溶体初晶析出。
⑤．Cu－Zn36％合金，常称两相黄铜，具有包晶转变。
组织中暗色的为残余α相，亮色
的是包晶转变生产的β相。
⑥．Cu－Sb70%合金也是具有初生行析出后发生共晶转变，其初生相为化合物η相(Cu2Sb),
组织中初生相为粗片，片间有层片状的共晶体。
三、实验报告要求
画出前五个组织示意图，每一个注明组织特征，简述形成组织的原因(或过程)。
附件
为帮助进行组织分析，提供相关的相图。