二元合金显微组织分析
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。
二元合金
匀晶相图
§2 二元合金相图
32-11
二、匀晶相图
❖匀晶相图
➢特点：液态、固态均无限互溶 ➢同类： Cu-Ni、 Cu-Au、
Au-Ag、Fe-Cr等
§2 二元合金相图
32-12
相图分析
❖ 典型的点: ❖ 典型的线: ❖ 典型的区: ❖ 结晶过程: ❖ 杠杆定律:
§2 二元合金相图
α相
能充分进行而产生 的化学成分不均匀 的现象。
§2 二元合金相图
32-29
五、共析相图
§2 二元合金相图
S1S2+S3
c d＋e
32-30
一、合金形成单 相固溶体
纯金属与 合金的差别
Fig.4-21 固溶体合金 的力学性能、物理 性质与合金成分的 关系
§3 相图与性能的关系
32-31
§3 相图与性能的关系
32-35
①高于300℃ ②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始 ③在183℃，共晶转变完毕 ④冷至室温。
有含
10 28
哪
些％
相锡
， 并
， 在
第
求 相
相 应
题
的温
相度
对下
量，
32-36
②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始
L+α
QL
28 19 61.9 19
100%
21%
Q
61.9 28 100% 61.9 19
⑴金属模浇注与砂模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件； ⑷浇注时采用震动与不采用震动； ⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 2．分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程 和显微组织上的异同之处。 3．为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金、要进 行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
二元合金的显微组织
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。
%4.45195.979.615.97c =--==cd ed α%6.54%100)1(=⨯-=c d αβ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 。
在显微镜下，除了从先共晶α相晶粒内或边界上析出的βⅡ 有可能观察到外，共晶组织中析出的βⅡ和αⅡ 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。
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
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
第5章 二元相图与合金凝固(1-4)-二元相图分析
四、二元相图的建立
建立相图的关键是要准确地测出各成 分合金的相变临界点(临界温度)。 临界点的测试方法： 热分析法，硬度法，电阻法， 膨胀法，金相分析， X射线结构分析等。 常用热分析法：由于合金凝固时的结 晶潜热较大，结晶时冷却曲线上的转折比 较明显。
与纯金属相比，固溶 体合金凝固过程有两个特 点： （1）成份起伏。 （2）异类原子互相扩散。
（1）固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不 同，需要成份起伏。（晶粒的形核位置是那些结构起伏、 能量起伏和成分起伏都满足要求的地方） （2）固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。
Ｌ 温度 成分 质量分数
α
变化趋势 成分 质量分数 变化趋势
t1 t2 t3 t4
l1 l2 l3 l4
100%
2 X0 2 l2 3 X 0 3 l3
α1 α2 α X 0 l3 3 l3
0%
100%
液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少， 固相的量不断增多； 同时液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。
图 可能产生离异共晶示意图
三、包晶相图
１.相图分析
由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个 固相的转变称为包晶转变。 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶， 并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。
L
包晶转变
• • • • • •
• • • •
点 A点 B点 C点 D点 P点 E点 线 ACB线为液相线 APDB线为固相线 CDP线是包晶转变线 ,PE线为Ag在Pt中的 固溶度曲线，DF线为 Pt在Ag中的固溶度曲 线 相区 单相区 两相区 三相线
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。
23.二元合金共晶相图及结晶
7
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
x1合金凝固过程
温度3
遇上固溶度线，α析 出βⅡ βⅡ优先从α晶界析出
其次是晶粒内缺陷
961.9 A
αB
T/℃
8.8
3
温度4 由α和βⅡ 组成 α和βⅡ 的体积百分含量
3F
F4
Ag
0.35
α成分变化线
% 4G 100%
FG
Ⅱ%＝
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
2.10 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
Eutectic Phase Diagram
• 1 相图分析
• 2 共晶系合金的平衡凝固和组织 • 3 共晶组织及其形成机理
• 4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
2020/4/9
柏振海 baizhai@
2020/4/9
柏振海 baizhai@
21
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
Pb－Sn亚共晶合金平衡凝固的组织
亚共晶III合金： Pb－50％Sn组织α＋（α＋β）共晶＋βII
2020/4/9
βII
α+β
α
柏振海 baizhai@
层片状(Pb-Cd),×250
棒状
纤维状(Sn-Pb)(横截面),×150 针状(Al-Si),×100
螺旋状(Zn-MgZn2),×500蛛网状(Al-Si),×100 骨骼状(Al-Ge),×500
2020/4/9
柏振海 baizhai@
25
1
中南大学材料科学与工程学院
金相实验报告——Pb-Sn二元相图测定及其组织分析
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：Pb-Sn二元相图测定及其组织分析
实验目的：
1．掌握用热分析法测定材料的临界点的方法；
2．学习根据临界点建立二元合金相图；
3. 自制二元合金金相样品，并分析组织；
实验概述：
相图中临界点测定方法有很多种，有热分析法、热膨胀法、电阻测定法、显微分析法、磁性测定法等等。
把熔化的合金自高温缓慢冷却，在冷却过程中每隔相等的时间进行测量，记录一次温度，由此得到某一成分下合金的冷却曲线。
金属或合金无相变发生时，温度随时间均匀的降低，一旦发生了某种转变，水平台阶或者转折点的温度就是相变开始或终了的温度。
利用热分析法测定Pb-Sn合金转变点，是通过一定数量不同合金成分步冷曲线综合得到的。
简述热分析法测定二元相图的方法：
测定一系列不同Pb-Sn合金成分下的由液体缓慢冷却至完全凝固的数据，作步冷曲线，找出转折点或者平台，即对应转变开始或者完成所对应的温度，由此，综合这一系列的温度和其所对应的成分即可作出平衡态下的相图。
实验结果分析：
合金成分是亚共晶状态，在由液态缓慢冷却时，先析出初生α相，由于合金成分离共晶点很近，初生α相的量非常少，故沿晶界非连续分布，到达共晶点温度时，剩余液相按共晶成分恒温析出至完全，最后冷却到室温，组织没有发生变化。
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。
第七章 二元系相图
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 固溶体的平衡凝固－B
固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个 显著特点： ⑴.固溶体合金凝固时结晶出来的固相成分 与原液相成分不同。上述结晶出的晶体与母相 化学成分不同的结晶称为异分结晶 ( 又称选择 结晶 ) ；纯金属凝固结晶时结晶出的晶体与母 相化学成分完全一样称为同分结晶 ⑵.固溶体凝固需要一定的温度范围，在此 温度范围内，只能结晶出一定数量的固相。
由一系列自由能曲线求得两组元 组成匀晶系的相图
由一系列自由能曲线求得两组元组成共晶系的相图
7.2.5 二元相图的几何规律
二元相图应遵循如下规律: (1) 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡 相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相的成分必 须沿着相界线随温度而变化。 (2) 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区 分开，而不能以一条线接界(即两个单相区只能交于一点而 不能交于一条线)。两个两相区必须以单相区或三相水平线 分开。即 : 在二元相图中，相邻相区的相数差为 1 ，这个规 则为相区接触法则。 (3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温 反应。在这条水平线上存在3个表示平衡相的成分点，其中 两点在水平线两端，另一点在端点之间，水平线的上下方 分别与3个两相区相接。 (4) 当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分 界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区。
第七章 二元系相图 及其合金凝固
本章要求
1. 几种基本相图： 匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、 共 晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（Pt-Ag合金相 图）。 2. 相律，杠杆定律及其应用。 3. 二元合金相图中的几种平衡反应： 共晶反应、共析 反应、包晶反应、包析反应 、偏晶反应、熔晶反应、 合晶反应。 4. 二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。 5. 熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织 的结构。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析 。熟练 杠杆定律在Fe-C合金的应用。
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%
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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α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Ｃｕ－Ｎｉ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，含镍１５％时颜色尚呈紫铜色，当增至２０％的即呈银白色，故又称为白铜。
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Ｃｕ－Ｎｉ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4-1c）。
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，非金属或中间相，图4-1a Cu-Ni二元系相图一般具有较规则外形（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。
Al-Si系合金是航空工业应用最广泛的一类铸造合金，具有良好的工艺性和抗蚀性。
简单二元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，由于增加了热处理强化效应而提高了合金的机械性能。
根据Al-Si二元合金相图（图4-2a），共晶成分是12.6％硅，共晶温度为577℃，硅在α固溶体中的溶解度在577℃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，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10.2～13.0%，即处于共晶点附近，平衡组织为α＋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α(Fe２Si２Al９)和β（Fe３SiAl１２）。
图4-1b Cu-30%Ni合金显微组织状态：非平衡结晶腐蚀剂:FeCl3酒精溶液+10%HCl溶液放大倍数:120⨯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 图4-1c Cu-30%Ni合金显微组织状态：均匀化退火腐蚀剂:2%K2Cr2O7+8%H2SO4水溶液放大倍数:100X组织分析:等轴状的α固溶体晶粒图4-2a Al-Si二元系相图图4-2b Al-12.6%Si合金显微组织图4-2c Al-12.6%Si合金显微组织状态: 铸造、慢冷状态: 铸造、快冷腐蚀剂:未蚀腐蚀剂:0.5%HF水溶液放大倍数: 120X 放大倍数: 100X组织分析:过共晶组织，Si(块状初晶)+（Al+Si）细针状共晶组织分析:亚共晶组织，Al(树枝状初晶白色)+（Al+Si）细针状共晶在Al-10%Fe合金中，初晶相比例较大，呈长条状（图4-3a）。
从Al-Fe二元相图（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%Al，因而初晶相比例较大。
图4-3a Al-10%Fe合金显微组织状态: 铸造腐蚀剂: 未蚀放大倍数: 120组织分析: θ（FeAl3）长条状初晶+（θ+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343℃进行共晶转变：L→α＋Mg2Zn3；330℃时，发生共析转变：Mg2Zn3→α＋MgZn。
MgZn化合物具有六方结构，α＝5.33Å，ｃ＝17.16Å，熔点为349℃。
在共晶温度下，锌在镁中溶解度为8.4%，300℃时为6.0%，250℃时为3.3%，200℃时为2.0%，150℃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Mg１７Al１２对Mg-Al系的影响相似，但MgZn在Mg-Zn系中强化效果更大一些。
在富Zn端于381︒C进行包晶反应：L＋ε(MgZn2)→Mg2Zn11，于364︒C进行共晶反应：L→Zn＋Mg2Zn11。
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。
图4-4 Zn-Mg二元系相图图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。
图4-5 Al-Ni二元合金相图图4-6b Cu-0.5%O合金显微组织上状态：铸态，腐蚀剂：未蚀图4-6a Cu-O二元合金相图组织分析：初晶Cu+共晶 100⨯图4-7a Cu-P二元合金相图图4-7 Cu-P二元合金相图图4-8b Cu-10.28%Ti合金显微组织状态：铸态度腐蚀剂：硝酸高铁酒精溶液放大倍数：200⨯图4-8a Cu-Ti二元合金相图组织分析：(α+Cu3Ti)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一相上或晶间（图4-9），称为隐蔽共晶（或离异共晶）。
图4-9b Cu-2%Bi合金显微组织状态：铸态腐蚀剂：未蚀放大倍数：100⨯图4-9a Cu-Bi二元相图组织分析：α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。
图4-10a Cu-10%Al合金的显微组织状态：铸造腐蚀剂：0.5%HF水溶液放大倍数： 100⨯组织分析：（Cu）初晶 + Al4Cu9图4-10b 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——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，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4-11a Fe-16%Sb合金的显微组织状态：铸造腐蚀剂：3%硝酸酒精溶液放大倍数： 100组织分析：包晶反应不平衡组织+隐蔽共晶图4-11b Fe-Sb系二元相图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，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1.0~1.6 %的范围内，平衡组织应为α+β(MnAl6)，其中的β相是降温时从α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α相晶粒边界出现共晶组织，这种组织属于非平衡共晶组织。
Al-10%Mn合金在平衡凝固条件下的相组成为α+β(MnAl6)，组织组成为初晶β(MnAl6)+ (α+β)共晶（图4-13a）；在半连续铸造条件下，包晶反应L+γ(MnAl4)→β(MnAl6)不完全，因而出现β(MnAl6)包围γ(MnAl4)的不完全包晶组织（图4-13b），所以，最终的组织组成物为β(包γ)+(α+β)共晶。