二元合金的显微组织
材科基实验I 课件 3-纯金属及二元及三元合金的铸态组织
www.spaceflight.esa.int/impress/...wth.html Prepared by Prof. Guoquan LIU, USTB, China
Casting Parameters of Pure Al ingots
Al Ingot
No. 1 2 3 4 5
Prepared by Prof. Guoquan LIU, USTB, China
Alloy State Prepared UbySTPBro,fC. GhMEOiutnriccoiaghrqioeunsnaattnlruMLcIaUtug,rne.
80%Sn+20％Sb as-cast β + (βSn)+ βII nitric : HCl = 1:1
Alloy: State: Microstructure: Prepared byEPcrtoefn. tG: uoquan LIU, USOTrBig, iCnahlinMaagnification:
70％Pb＋ 30％Sn as-cast pro-eutectic + eutectic 4% nital solution 100
100
As-Cast Microstructures of Bi-Pb-Sn Ternary Alloys
Bismuth-Lead-Tin Alloys
（ ） 51%Bi + 32%Pb + 17%Sn （ ） 58%Bi + 16%Pb + 26%Sn （ ） 65%Bi + 10%Pb + 25%Sn
4# Steel Mould
Thickness:10mm No Preheating
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。
二元合金的相图
+ Ⅱ
组织组成物
Ⅱ
冷却曲线
t
组织中，由一定的相构成 的，具有一定形态特征的 组成部分。
X2合金结晶过程分析 （共晶合金）
T,C
L
T,C
L
(+ )
183
L+
M
L
E
L
L+
N
L(+ ) 共晶体
(+ )
+
Pb Sn X2
冷却曲线
t
(+ )
铅锡共晶合金的显微组织
液固相线距离愈小， 结晶温度范围愈小，则流 动性好，不易形成分散缩 孔，铸造性能好。 共晶成分的合金铸造 性能最好。
锻造、轧制性能：
单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀， 不易开裂，锻造、轧制性 能最好。
T,C
T,C L
1
L L+(+ )+
L+
183
L+
M
E
+
L+ N
2
(+ )+
(+ )+ + Ⅱ
Sn
Pb
X3
t
亚共晶合金的平衡结晶过程
(+ )+ + Ⅱ
β II
α
α+β
WSn50%的Pb-Sn合金的显微组织
(+ )+ + Ⅱ
L
T,C
3 F 4 X1
L+
M
c
LEL+ 来自L L+
e
N
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。
二元合金显微组织分析
0.5%HF水溶液 0.5%HF水溶液
T
500
400
L
A 327.5
300
200 M
19
100
+Ⅱ
0 0 F 10 20 Pb
L+
183
E
61.9
（
231.9 B
L+ N
97.5
+
+（+）+Ⅱ
） +（+）+ Ⅱ
+ Ⅱ
G
30 40 50 60 70 80 90 100
富Ni
富Cu
2. Cu—20%Ni合金扩散退火态——α晶粒
3. Pb—Sn共晶——（α +β）共晶（片状）
4. Pb—Sn亚共晶——α+（α +Sn过共晶——β+（α +β）共晶+ α Ⅱ
6. Pb—Sn离异共晶——α +β
7. Pb—Sb共晶——（α +β）共晶
实验用二元合金的成分和组织
序号 合金系 1 Cu-Ni 2 Cu-Ni 3 Pb-Sn 4 Pb-Sn 5 Pb-Sn
类别 匀晶 匀晶 共晶 亚共晶 过共晶
处理状态 铸态
扩散退火 铸态 铸态 铸态
6 Pb-Sn 离异共晶 7 Pb-Sb 共晶 8 Pb-Sb 亚共晶 9 Pb-Sb 过共晶 10 Al-Si 未变质 11 Al-Si 变质处理
WSn(%)
Sn
标明组织组成物的Pb-Sn合金相图
T700
600
L
630.74
500
L+
二元合金显微组织分析-PPT精选
6. Pb—Sn离异共晶——α +β
7. Pb—Sb共晶——（α +β）共晶
8. Pb—Sb亚共晶——α+（α +β）共晶+ βⅡ
9. Pb—Sb过共晶 β +（α +β）共晶+α Ⅱ
10. Al—11.7%Si合金铸态——（α+Si）共晶
ZL102
变质处理 α枝晶+ （α+Si）共晶
1
二元合金显微组织分析
一、实验目的： 1. 掌握根据相图分析合金凝固组织的方法； 2. 熟悉典型共晶系合金的显微组织特征； 3. 了解初晶及共晶形态。
二、实验内容概述： 1. 具有共晶反应的二元合金及其组织形态 Al-Si 针状、Cu-O 球状、Zn-Mg 螺旋状、Pb-Zn
片层状、Pb-Zn 树枝状 2. 匀晶、亚共晶、过共晶的组织形态。
铸态 铸态 铸态 铸态 铸态 铸态
显微 组织 α 枝晶
α （α +β）共晶 α+(α +β）共晶+ βⅡ β+(α +β）共晶+ α Ⅱ
α +β （α +β）共晶 α+（α +β）共晶 β+（α +β）共晶 （α+Si）共晶 α+（α+Si）共晶
浸蚀剂
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
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 1 Cu-Ni 2 Cu-Ni 3 Pb-Sn 4 Pb-Sn 5 Pb-Sn
类别 匀晶 匀晶 共晶 亚共晶 过共晶
处理状态 铸态
二元三元合金显微组织观察
白色β枝晶 +（α+β）共晶+ α Ⅱ 500×
5%Pb-66%Bi-29%Sn合金 白色Bi方块+（Bi+Sn)共晶+（Bi+Sn+Pb)共晶 500×
16%Pb-58%Bi-26%Sn合金 较亮的（Bi+Sn)共晶+（Bi+Sn+Pb)共晶 500 ×
25%Pb-60%Bi-15%Sn合金 Bi初晶+（Bi+Sn+Pb)共晶 500 ×
二元三元合金显微组织观察
实验目的
通过铅锡及铅锡铋合金显微 组织观察，熟悉铸态合金组织的 形态特征，巩固合金组织与状态 图的关系。
二元合金
根据二元相图及凝固条件，二元 合金可构成不同组织，其形态因组成 相特性、冷却速度、组成相相对量不 同可有多种特征。
以Pb-Sn系合金相图为例分析其共晶、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 组织的特征。
三元合金
三元相图是研究三元合金成分、组织 和性能之间关系的理论依据。利用三元相 图的投影图可分析合金的凝固过程，可知 合金应有的显微组织。 以Pb—Sn—Bi三元相图为例，分析不 同成分合金的凝固过程及显微组织特征。
Pb
பைடு நூலகம்
二元共晶线： E1E、E2E、E3E 三元共晶点： E
E2
9 8 6 7
E1
Ⅱ。
(100倍）
过共晶合金
过共晶合金的结晶过程与亚共晶相 似，所不同的是先共晶相不是α，而是β 固溶体。结晶后的组织由初生β相和共 晶(α十β)组成。
70％Sn的Pb—Sn合金Ⅳ的显微组织： 亮白色卵形组织为初生相β，黑白相间 分布的为(α十β)共晶组织。
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。
第六章二元合金相图PPT课件
（a）片层状
（b）短棒状
（c）球状
30
（f）菜花状层片 （c）纤维状
立体形态
(d) 六角螺旋状
（a）片层状
（b）短棒状
（c）球状
31
2.共晶组织金相形态形成原因：共晶组织的形态与 两相的本质、两相的相对量、两相凝固时固液界面形 貌及其冷却速度有关。 从热力学分析，共晶组织中两相的形态和分布，应 尽量使其界面积最小，界面能最低。
26
室温组织中组织组成物的相对重量为α初＋（α＋β） : （二次相忽略）
W 6 61 1..9 9 1 59 0100% 27.74% W ( )6 5 1 0 .9 1 1 9 91 0 0 % 7 2 .2 6 %
27
室温组织中相组成物的相对重量为α＋β (近似值):
W 101 00 050100% 50%
b’表示50%Cu合金结晶完成;
bb’线段上的点表示合金正在结晶过程中，处于L和
α两相区;
3.确定合金的相变温度;
4.杠杆定律：
成分为b的合金在温度T1时处于两相共存，两相的重
量比是一定的，wL、wS分别为T1温度时的剩余的液
相及结晶出的固相。
9
（1）利用杠杆定律可确定平衡两相区内平衡两相成分 CL 及Cα
的降低由α→βⅡ （二次相）。 NG线-A组元在β固溶体中的溶解度曲线。随着温度
的降低由β→αⅡ 。（二次相）。 22
二、共晶系典型合金的平衡结晶过程
合金分类: 共晶合金-E点成分合金； 亚共晶合金- M～E间合金； 过共晶合金- E ～ N间合金； 端部固溶体合金-M、N以外
二元系合金的显微组织分析实验指导书
二元系合金的显微组织分析实验指导书一、实验目的1）掌握根据相图分析合金凝固组织的方法。
2）熟悉典型共晶系合金的显微组织特征。
3）了解初晶及共晶形态。
4）分析二元合金的不平衡凝固组织，掌握其组织特征及某与平衡组织的差别二、原理概述研究合金的显微组织时，常根据该合金系的相图，分析其凝固过程，从而得知合金缓慢冷却后应具有的显微组织。
显微组织是指各组成物的本质、形态、大小、数量和分布特征。
特征不同，即使组成物的本质相同，合金的性能也不一样。
具有共晶反应的二元合金系有：Pb-Sb、Pb-Sn、Al-Si、Al-Cu、Cu-O、Zn-Mg等。
根据合金在相图中的位置，可分为端部固溶体、共晶、亚共晶和过共晶合金来研究其显微组织特征。
1、端部固溶体合金端部固溶体合金位于相图两端。
如Pb-Sn相图中含锡的质量分数小于19％的合金，见图3-1；Pb-Sb相图中含锑的质量分数小于3.5％的合金，见图3-2。
这类合金慢冷凝固终了得到单相固溶体α，继续冷却到固溶度曲线以下，将析出二次相βⅡ，一般合金中的二次相常呈粒状或小条状分布在α固溶体的晶界和晶内。
图3-3为含锡10％的Pb-Sn合金的显微组织，其中暗色的基体为铅基固溶体α，亮色颗粒为二次相β，记为βⅡ，β是以锡为基体的固溶体。
图3-1 Pb-Sn相图图3-2Pb-Sb相图图3-3 Pb-10%Sn合金的显微组织2、共晶合金位于二元相图中共晶点成分的合金液体L E 冷至共晶温度t E 时，发生共晶反应，b a t E EL βα+→凝固终了得共晶体组织。
共晶体是由两种一定成分的固相（b a βα+）组成，两相的本质和成分可由相图上得知。
如Pb-Sn 合金的共晶体中两个相的本质分别为以铅和锡为基的固溶体α和β，在共晶温度时，α和β中锡的质量分数分别为19％和97.5％（见图3-1）。
而在Pb-Sb 合金中，由于铅在锑中的固溶度很小，β相的成分接近纯锑，故其共晶体由α＋Sb 所组成。
二元合金相图的建立
图3-2 (a)为工业用Cu一Ni合金相图。图中A点为纯铜的 熔点，B点为纯镍的熔点。A1B为液相线，液相线以上为液相 区，用L表示;A3B为固相线，固相线以下为固相区，用α表示; 液相线与固相线之间为两相区，用L+ α表示。
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3.1 二元合金相图
在显微镜中分辨不出来，通常看成没有组织变化。图3-8为 Pb-Sn共晶合金的显微组织，黑色的为 α相，白色的为β 相。
(3 ) III成分合金( wsn= 19%-61. 9%)。该成分段的合 金称为亚共晶合金。Pb-Sn亚共晶合金平衡结晶过程如图3-9 所示。
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3.1 二元合金相图
3.1.2共晶相图的建立
两组元在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且 发生共晶转变的相图，称为共晶相图。所谓共晶转变是指一定 成分的液态合金，在一定的温度下，同时结晶出两种成分一定 的固相的转变。所生成的两相机械混合物称为共晶体。如PbSn , Pb-Sb , Al-Si , Ag-Cu等都属于共晶相图。
项目三 二元合金相图的建立
3.1 二元合金相图 3.2 铁碳二元合金相图
3.1二元合金相图
合金的结晶过程及所得的组织比纯金属复杂得多。合金中
组元种类及数量的变化，将引起合金组织与性能的变化。为了
掌握合金组织与性能之间的关系，必须了解合金的结晶过程，
了解合金中各组织的形成及变化规律。相图是研究这些问题的
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3.2 铁碳二元合金相图
3.2.1 铁碳合金的基本相
Al-Si试验
3 铸造铝合金的熔炼 铝合金的熔炼是铝铸件生产过程中的一个重要环 节，它包括选择熔炼设备和工具，炉料处理与配比 计算以及控制熔炼工艺过程。 A 熔炼炉与坩埚 铝合金以及其它铸造有色合金熔炼中的问题是 元素氧化烧损量大，合金液吸气量多。因此熔炼炉 应保证金属炉料快速熔化，缩短熔炼时间，以减少 合金元素烧损和吸气；降低燃料、电能消耗；延长 炉龄。常用的熔炼炉有：电阻坩埚炉、电阻反射炉 、中频炉、焦炭坩埚炉、油坩埚炉等。 B 坩埚 熔炼铝合金的坩埚有铸铁，铸钢(材质多为含铬耐热 铸铁或中硅耐热球铁)坩埚和石墨坩埚两种。
6熔炼工艺
为得到优质铝合金液，溶液中应注意的几项原则叙述如下： 炉料成分准确，清理干净并且充分预热 熔炼工具及坩埚应仔细清理，喷涂适当的涂料并经充分干燥， 严格避免铁器工具直接与铝液接触。 所用覆盖剂，精炼剂及变质剂必须脱水处理，熔剂使用前应烘 烤。 避免炉气与铝液直接接触，必要时使用覆盖剂。 快速熔化但应避免合金过热。 熔炼过程中尽量保持氧化膜完整，避免不必要的搅拌，搅拌时 搅拌勺应上下运动，不要破坏表面氧化膜。 精炼后，熔液应当除渣，镇静5~15分钟进行变质处理或浇注。
5 配料
A 通过配料计算，确定各种金属炉料的配比和用量，以满足 合金的化学成分和质量要求，并使各种金属炉料得到合理利 用。 B 掌握熔炼合金的牌号和化学成分，熔炼合金液重量，所用 各种炉料(纯金属料，预制合金锭，中间合金，配炉料成分和 回炉料)的配比和用量。 C 掌握合金元素在熔炼过程中的烧损量。元素的烧损量与金 属炉料状态，加入方法，熔炼设备和熔炼工艺等因素有关， 变化范围较大。 熔炼铝合金时各元素的烧损量一般以烧损率来表示，各种元 素的烧损率如下： 硅：1%~10% 镍：0.5%~1% 铜：0.5%~1.5% 铍： 0.5%~1% 镁：2%~10% 钛：1%~20%锌：1%~3% 铝： 1%~5% 锰：0.5%~2%
实验九-金属及合金凝固组织的观察和分析
实验九金属及合金凝固组织的观察和分析摘要：通过对金属及合金凝固组织的观察和分析，掌握样品组织的的一般特点。
并结合相图了解几种类型二元合金、三元合金的结晶过程及结晶后的组织，掌握金相组织的分析方法。
关键词：相图、合金凝固组织，结晶过程正文：一、实验背景了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点，并结合相图了解几种类型二元合金，三元合金的结晶过程及结晶后的组织。
同时通过实验加深对课程中“凝固”“相图”两章的认识，了解实际组织与组织示意图的关系，达到掌握金相组织分析方法的目的。
二、实验内容1、金属材料的组织分析显微组织指光学显微镜下能够看到的金属材料内部所具有的各组成相的直观形貌。
包括各种相，相的形状、大小、分布以及相对量等。
宏观组织指30倍以下的放大镜或者人的眼睛直接能够观察到的金属材料内部所具有的各组成物的直观形貌。
经侵蚀后的样品在显微镜下可以看到各种形态的组织一般可以归纳成:①单相组织，在显微镜下看到的是许多多边形晶粒组成的多晶体。
可以研究它的晶界、晶粒形状、大小以及晶粒内出现的亚结构。
②两相，可以观察到有两相的花样。
③多相。
2、影响组织变化的条件:①合金成分。
成分不一样,组织就不一样。
②工艺条件。
凝固条件、锻压条件、热处理工艺等。
3、金属及合金凝固组织的观察与分析①铝铸锭低倍组织观察。
②二元合金(匀晶、共晶、包晶)Ni-Cu, Pb-Sn Sn-Sb。
③三元合金(共晶)Bi-Pb-Sn。
三、实验设备及材料1．光学显微镜2．标准样品1）铝锭（用于低倍组织观察）2）显微组织分析样品①二元合金的显微组织观察（分析时参考附录中的相图）1）匀晶类型（Ni-Cu系）样品：a）25%Ni+75%Cu，处理过程：铸造。
b）25%Ni+75%Cu，处理过程：退火。
2）共晶类型（Pb-Sn系）样品：a）70%Pb + 30%Sn；b）38.1%Pb + 61.9%Sn；c) 20%Pb + 80%Sn；铸造。
3）包晶类型（Sn-Sb系）样品：a）80%Sn + 20%Sb；b) 35%Sn + 65%Sb。
二元合金显微组织分析
试验四二元合金显微组织分析组织和结构是有区分的，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看到的金属内部情景，如晶粒尺寸和外形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状况。
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，因而组织比纯金属简单许多。
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0两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，即讨论各相的生成条件、数量、外形、大小以及它们之间的相互分布状态。
1. 试验目的依据凝固理论，采用二元相图，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，固相原子经过充分集中，因而可以得到成份匀称的单相固溶体；冷却快时，固相原子来不及集中匀称，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。
Cu-20⅜Ni的铜合金铸态组织图所示为热力学不平衡组织，在固态匀称化退火后，则消失类同纯金属一样的多边形晶粒，Cu-20%Ni的铜合金匀称化退火组织图所示为单相固溶体平衡组织。
二元合金平衡(非平衡)显微组织分析
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
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）
返回
亚共晶过共晶共晶（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
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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→α
c +β
d。
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α
c 和β
d
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β
Ⅱ和α
Ⅱ。
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β
Ⅱ和α
Ⅱ。
在显微镜
下，除了从先共晶α相晶粒内或边界上析出的β
Ⅱ
有可能观察到外，共晶组织中
析出的β
Ⅱ和α
Ⅱ
一般不易辨认。
合金中组织组成物的相对量也可以用杠杆定律来
计算。
亚共晶组织中的初晶α呈枝晶状分布。
参见图3-2。
⒊过共晶合金
凡成分位于共晶点e以右，d点以左的合金（如图中的合金Ⅲ）称为过共晶合金。
这类合金的结晶过程类似于亚共晶合金，所不同的是：先共晶相不是α，而是β固溶体。
结晶后的组织是由先共晶β相和共晶体（α+β）所组成。
初晶β也呈枝晶状分布。
参见图3-3、3-4。
（3-3）铅锡二元过共晶（100倍）（3-4）铅锡二元过共晶
（25倍）
⒋离异共晶
靠近相图上的c点和d点成分的合金，由于初生相较多，发生共晶转变时，液相的量已所剩不多，且呈壳状分布在初生相的周围。
此时，共晶转变过程中的某
一个相不再形核，而是在初生相上成长；同时析出的另一个相被排挤到晶界上，使得失去了共晶组织的形态特征，这种现象称为离异共晶。
参见图3-5。
（3-5）铅锡二元离异共晶（从左侧靠近d点，100倍）
一、实验材料和设备
金相显微镜，Pb-Sn合金的典型样品。
二、实验内容和步骤
⒈介绍Pb-Sn相图。
⒉参照相图分析典型合金的组织。
三、本次实验的总结报告
本实验仅作为观察演示性实验与实验二《非均匀形核的观察与应用》同时进行，作为实验四《铁碳平衡组织观察》的预备铺垫。
需要记录的显微组织如下，对于离异共晶的显微组织，请根据图（3-5）的参考作用，从理论上分析描绘出含21%Sn（从右侧靠近C点）的合金在结晶过程中发生的离异共晶现象（注意考虑二次相析出的情况，与图3-5共同的地方及区别点）。
共晶亚共晶过共晶
离异共晶
简单说明一下，同学自己描绘的离异共晶显微组织的理论依据：。