二元合金显微组织分析.

1、实验四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

2、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。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

3、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，1Cu-20 % Ni合金为例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 进行说明。Cu-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。铜合金铸态组织图所示为单相固溶体组织存在晶内偏析、呈树枝状图4-1a为Cu-Ni二

4、元合金相图。由相图可知，二元铜镍合金不论含镍多少均为单一的 a相固溶体，由于液相线和固相线的水平距离较大，加之镍在铜中的扩散速度很慢，因而 CuN1二元合金的铸造组织均存在明显的偏析。凝固时，晶体前沿液体中出现了成分 过冷，形成负的温度梯度，故晶体以树枝状方式生长。电子探针微区分析结果表明，组织 中白亮部分（即枝干部位）含高熔点组元Ni的比例较高，比较耐腐蚀，因而呈白色；而暗黑部分（枝间部位）含低熔点组元Cu较多，不耐腐蚀，因而呈黑色。这种组织（图4-1b）称枝晶偏析组织（晶内偏析），枝干与枝间的化学成分不均匀。这种树枝状组织甚至可一直 保持到热加工之后。铜中加镍后，紫铜的颜色发生明显的改变，

5、含镍15%时颜色尚呈紫铜色，当增至2 0%的即呈银白色，故又称为白铜。4-1c ）。对铸造高温合金来说，这种树枝状组织是有益的，它能够提高高温强度，而对一般需 进行塑性变形加工的合金来说，由于增加了形变阻力，因而是无益的，此时可以用扩散退 火来减小或消除这种不均匀的组织。消除了晶内偏析的CuN1合金的显微组织特征为 单相固溶体，其内晶粒和晶界清晰可见（图2.2二元合金中初晶和共晶特征在凝固过程中，首先从液相中析出的相称为初晶相。初晶的形态在很大程度上取决于 液-固界面性质。若初晶是纯金属或以纯金属为溶剂的固溶体，一般具有树枝状特征，金相 磨面上呈椭圆形或不规则形状。若初晶为亚金属，非金属或中间

6、相，图 4-1a二元系相图Cu-Ni图4-1C Cu-30%Ni合金显微组织状态：均匀化退火腐蚀剂:2%K2Cr2O+8%HS0水溶液放大倍数:100X组织分析：等轴状的 a固溶体晶粒八.图4-1b Cu-30%Ni合金显微组织状态：非平衡结晶腐蚀剂：FeCI 3酒精溶液+10%HCl溶液放大倍数:120 X组织分析：非平衡结晶形成的树 枝状组织，白色富含Ni, 黑色富含Cu般具有较规则外形（如多边形、三角形、正方形、针状、棱形等）同时从液相中析出的组织通常称为共晶组织。二元共晶由两相组成，由于组成相性质、 凝固时冷却速度、组成相相对量的不同，可构成多种形态。共晶体按组织形态可分为层片 状、球

7、状、点状、针状、螺旋状、树枝状、花朵状等几类。二元共晶由两相组成，一般比 初晶细。具有良好的工艺性和抗蚀性。简Al-Si系合金是航空工业应用最广泛的一类铸造合金, 单二元Al-Si合金，如ZL-7，铸造性很好，但强度较低。添加其他组元，如镁、铜后，由Al-Si二元合金相图（图 4-2a）,于增加了热处理强化效应而提高了合金的机械性能。根据共晶成分是12.6 %硅，共晶温度为577C,硅在a固溶体中的溶解度在 577C时为1.65 %, 室温时降至0.05 %。铸造合金为了保证良好的铸造工艺性，一般希望接近共晶成分。Al-Si系的特点是共晶点含硅量不太高，这样既可保证合金组织中形成大量的共晶体，

8、以满足铸 造工艺方面的要求，而又不至于因第二相数量过多而使材料的塑性严重降低。ZL-7合金的含硅量为10.213.0%，即处于共晶点附近，平衡组织为a+ Si。共晶硅呈粗针状或片状，有时组织中也可能出现少量块状初生硅。此外，因合金中杂质铁允许含 量较高，因此还存在一些杂质相，如如 2 Si 2Al 9)和P (FesSiAl 12)。-G2 口3lAce(3CCI2CCI口口a -MAniii I力r-fcrlii dIIIIII繼殛gg 8l_ -.1= 三1T -111EO二元系相图30SL _卫尿萤图 4-2aAl-SiilSi5图4-2b Al-12.6%Si合金显微组织图4-2C A

9、l-12.6%Si合金显微组织状态：铸造、慢冷状态：铸造、快冷腐蚀剂:未蚀放大倍数:120X腐蚀剂：0.5%HF水溶液放大倍数：100X组织分析：过共晶组织,组织分析：亚共晶组织,Si（块状初晶）+（ Al+Si ）细针状共晶Al（树枝状初晶白色）+（ Al+Si ）细针状共晶4-3a）。从Al-Fe二元相图（图在AI-10%Fe合金中，初晶相比例较大，呈长条状（图 4-3b）可知，富 Al的Al-Fe系二元合金也有同样规律，也存在共晶反应，共晶成份点为99.95%AI，因而初晶相比例较大。图4-3a Al-10%Fe合金显微组织铸造未蚀状态： 腐蚀剂放大倍数组织分析120 X0(FeAl 3

10、) 长条状初晶+ ( 0 +Al)共晶图4-3b Al-Fe 二元系相图Mg-Zn二元相图(图4-4 )比较复杂，其中某些转变至今尚未完全确定。富镁端于343C进行共晶转变：L7a+ MgZrn； 330C时，发生共析转变：MgZrnfa + MgZn MgZn化合物具有六方结构，a = 5.33 ?,c= 17.16?,熔点为349C。在共晶温度下，锌在镁中溶解度 为 8.4%, 300C时为 6.0%, 250C时为 3.3%, 200C时为 2.0%, 150C时为 1.7%，室温下则 小于1.0%。在Mg-Zn系中强化相为 MgZn它对合金性能的影响与Mg?Al 12对Mg-Al系的影

11、响相似，但 MgZn在Mg-Zn系中强化效果更大一些。在富Zn端于3819进行包晶反应：L+s(MgZn2)7 MgZn”，于364乜进行共晶反应：LZn+ MgZn% Zn-3%Mg合金接近共晶成份点， 组织中几乎都是共晶体，呈螺旋状。4图4-5-图4-8列出了其他一些合金的二元相图及典型成份合金的显微组织，供学习时 参考。oc 39107二元合金相图图 4-5 Al-Ni£ZOOIIMHg aaai.B *050<350 fI:¥瀧豫1會A7仝八图4-6b Cu-O.5%0合金显微组织10001状态：铸态，腐蚀剂：未蚀图4-6a Cu-0二元合金相图组织分析：初晶

12、 Cu+共晶100 X*C120020图4-7a Cu-P二元合金相图图 4-7 Cu-P二元合金相图CIZOQ：10£0 <C50lOOt |«|»|IIJI 1 111fTlj|t何勺門屮帆图4-8b Cu-10.28%Ti合金显微组织300Cv ID » 30 4050状 态:铸态图4-8a Cu-Ti 二元合金相图腐蚀剂:放大倍数:硝酸高铁酒精溶液200X组织分析：（ot+CwTi）共晶 +Cu3Ti初晶隐蔽共晶是指当初晶比例很大、共晶比例很少时，初晶析出后，剩余液相量极少，则共晶中一相附着初生相上，而不呈现共晶特征，只见一相孤独地分布在另

13、一相上或晶间（图4-9），称为隐蔽共晶（或离异共晶）。图4-9a Cu-Bi 二元相图图 4-9bCu-2%Bi合金显微组织态:剂:放大倍数:组织分析:铸态未蚀100Xa固溶体+隐蔽共晶2.3二元合金中共析组织特征共析转变产物组织一般是两相大致平行、互相交替的片层所组成的领域，也有呈球状的，比共晶更为细小。Cu-Al系共析组织（图 4-10a ）即属此类。JiW-.图4-10a Cu-10%Al合金的显微组织状态：铸造腐蚀剂:放大倍数:组织分析:0.5%HF水溶液100 X(Cu)初晶 + Al 4CU9；N»議 > G Waw :i U*3 帚 K »60 *S图4

14、-10b Al-Cu 二元系相图2.4二元合金中包晶组织特征在正常凝固条件下，包晶成分的合金在冷却到液相线以下温度时，首先析出初晶相； 冷却到包晶转变温度以下时，初晶相和周围溶液反应，形成新相，反应在固相一一液相界 面上发生，组织中出现包晶反应生成物包围着先析出相的特征。在缓慢冷却时，原子可以 通过新相向界面扩散，继续进行包晶转变，因此，最后可得到均匀的多边形晶粒，与单相 固溶体组织相比，组织上并没有特殊之处。当铸造生产时，冷却比较快的条件下，扩散来 不及充分进行，凝固的组织中常常看到残留的、被包晶反应形成的新相所包围的先结晶固 相。对于非包晶成分的合金，具有过量的先结晶固相时，即使缓慢冷却，

15、也会出现“包晶”组织。快速凝固时，先结晶相的残留量增多（图4-11）。图 4-11aFe-16%Sb合金的显微组织态:剂:放大倍数:组织分析:铸造3%硝酸酒精溶液100 X包晶反应不平衡组织+隐蔽共晶II HF *00 1 IgoV屮 4 Vi 二fV I12* nLJ = .d80o-»o|JIiWJrtt'-r7r -II IFi* to ZO40»3 MSH, jh M JfrJh* IL:二Uj iadfWio y'f4曼 = - "2.5二元合金中非平衡共晶组织特征固溶体区的合金，由于冷却较快出现共晶如Al-Cu系中含4.5%Cu的合金，

16、在平衡状态下应为单相固溶体加次晶，由于冷却快，在晶界处出现了非平衡共晶。2.6二元合金中其他非平衡组织特征不完全包晶组织、非平衡共晶组织、伪共晶组织、隐蔽共晶组织、晶内偏析都属于非平衡组织，经扩散退火，可促使组织趋向平衡状态。Al-Mn系(相图见图4-12a )也存在这类组织。例如LF21铝合金在半连续铸造条件下的组织如图4-12b所示。根据相图可知，这种合金含Mn在1.01.6 %的范围内，平衡组织应为 ot+P(M nAI 6)，其中的P相是降温时从a相 中脱溶析出的。当冷却速度较快时，余留液相的成份点右移，从而在G相晶粒边界出现共晶组织，这种组织属于非平衡共晶组织。fI rIIyw 厂A

17、I-10%Mn合金在平衡凝固条件下的相组成为 a+P(MnAI 6)，组织组成为初晶 P(MnAI 6)+ (0+P)共晶 (图4-13a);在半连续铸造条件下，包晶反应 L+Y(MnAl4)T P(MnAI 6)不完全，因 而出现P(MnAI 6)包围MnAI 4)的不完全包晶组织(图4-13b),所以，最终的组织组成物为P(包 +(+ P)共晶。H|图 4-12aAl-Mn二元系相图图4-12b LF21铝合金的显微组织状 态:半连续铸造腐蚀剂:10%NaOH水溶液放大倍数:组织分析:2图4-13a AI-10%Mn合金的显微组织状 态:退火340X0+ P(MnAI 6)+ (ot+P)

18、共晶图4-13b AI-10%Mn合金的显微组织状 态:半连续铸造腐蚀剂:10%NaOHK 溶液腐蚀剂:10%NaOI水溶液放大倍数:放大倍数:组织分析:P(MnAI 6)+ (a+ 0共晶组织分析:510XP(包+(ot+P)共晶三.实验步骤学完二元系相图后，进行本实验，由实验室提供一组试样，同学们利用二元相图，判别各合金组织类型，分析各种组织形态特征，弄清二元合金组织分析方法。19四.实验报告内容1.在观察后，按下表的格式，将各合金的显微组织特征（包括状态、腐蚀剂、放大倍数、 组织组成或相组成等）记录下来。2.简要说明观察过程的实验技巧、体会。表4-1实验结果记录表序合金系成分号状态等由二元相图分析该合金组织（画出示意图）金相显微镜下所观察的组织（画出示意图）1说明：说明：2说明：说明：3说明：说明：4说明：说明：5说明：说明：6说明：说明：7说明：说明：梁克中.金相原理与应用.中国铁道出版社:1983 年.北京钢铁学院金相教研室.专业基础实验:1981年7月.史美堂等（上海交通大学）实验指导书.上海科学技术出版社:，柏斯森（太原重型机械学院）.金属材料及热处理习题集与1999年3月.李宝银，韩雅静，张勇编.赵振果审.光学金相技术实验指导书.天津大学出版社：1995年3月.赵忠金属材料热处理机械工业出版社:1987