实验二 二组分合金相图的绘制

抛。 机械细磨：是在专用的机械予磨机上进行。将不同号的水砂纸剪成圆形，置
于予磨机圆盘上，并不断注入水，就可进行磨光，其方法与手工细磨一样，即磨 好一号砂纸后，再换另一号砂纸，试样同样转 90°，直到 800 号为止。
（3）抛光 目的是去除试样磨面上经细磨留下的细微划痕，使试样磨面成为光亮无痕的 镜面。 抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光。最常用的是机械抛光。机械抛光在 金相抛光机上进行。抛光时，试样磨面应均匀的轻压在抛光盘上。并将试样由中 心至边缘移动。并做轻微移动。在抛光过程中要以量少次数多和由中心向外扩展 的原则不断加入抛光微粉乳液，抛光应保持适当的湿度，因为太湿降低磨削力， 使试样中的硬质相呈现浮雕。湿度太小，由于摩擦生热会使试样生温，使试样产 生晦暗现象，其合适的抛光湿度是以提起试样后磨面上的水膜在 3～5s 内蒸发完 为准。抛光压力不宜太大，时间不宜太长，否则会增加磨面的扰乱层。粗抛光可 选用帆布、海军呢做抛光织物，精抛光可选用丝绒、天鹅绒、丝绸做抛光织物。 抛光前期抛光液的浓度应大些，后期使用较稀的，最后用清水抛，直至试样成为 光亮无痕的镜面，即停止抛光。用清水冲洗干净后即可进行浸蚀。 常用的抛光微粉见表 2.1。
（4）金相试样的显示
抛光后的金相试样置于金相显微镜下观察仅能看到铸铁中的石墨、非金属夹 杂物。金相组织只有显示后才能看到，金相组织显示的方法有化学浸蚀法，电解 浸蚀法，物理浸蚀法。常用的是化学浸蚀法。
化学浸蚀法就是利用化学试剂对试样表面进行溶解或电化学作用来显示金 属的组织。纯金属及单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程，因为晶界原子排列较 乱，不稳定，在晶界上的原子具有较高的自由能，晶界处就容易浸蚀而下凹，来 自显微镜的光线在凹处就产生漫反射回不到目镜中，晶界呈现黑色，见图 2.4a。 二相合金的浸蚀与纯金属截然不同，它主要是一个电化学过程。因为不同的相具 有不同的电位，当试样浸蚀时，就形成许多微小的局部电池，具有较高负电位的 一相为阳极被迅速溶解，而逐渐凹洼，具有较高正电位的一相为阴极，不被浸蚀， 保持原有的平面，两相形成的电位差越大，浸蚀速度越快，在光线的照射下，两 个相就形成了不同的颜色，凹洼的部分呈黑色，凸出的一相发亮呈白色，见图 2.4b。
步冷曲线Ⅲ仍为二元体系，ab 段与上述相同，到点 b 时，有固相析出，此 时体系失去了一个自由由度，继续冷却到点 c，除了一个固相还有另一个固相析 出，此时体系又减少了一个自由度，f＝0，冷却曲线上出现了一个水平台(cd 段)。 当液相消失后，又增加了一个自由度，f＝1，温度度继续下降。若无相变，均匀 冷却(de 段)。
绿色。具有较高硬度，比氧化铝抛光能力差
红色。颗粒圆细无尖角，变形层厚
通用抛光粉。用于粗抛光和精 抛光
适用于铝镁及其合金和钢中 非金属夹杂物的抛光 适用于淬火后的合金钢、高速 钢以及钛合金抛光 适用于抛光较软金属及合金
颗粒尖锐、锋利，磨削作用极佳，寿命长， 适用于各种材料的粗、精抛
10
变形层小
光，是理想的磨料
从相图的定义可知，用热分析法测绘相图要注意以下问题：
测量体系要尽量接近平衡态，故要求冷却时温度下降不能过快；如晶形转变 时，相变热较小，此方法不宜采用；对样品的均匀性与纯度也要充分考虑，一定 要防止样品的氧化和混有杂质，否则会变成另一多元体系(高温影响下特别容易 出现此类现象)；为了保证样品均匀冷却，加热温度稍高一些为好；热电偶放人 样品中的部位与深度要适当；测量仪器的热容及热传导也会造成热损耗，其对精 确测定也有较大影响．实验中必须注意，否则，会出现较大的误差，使测量结果 失真。
影响 DSC 升温曲线上吸热峰（或放热峰）的形状，对升温过程中吸热转变起始 温度影响很小，所以相图测量结果比热分析方法要精确，而且可以测量具有晶型 转变合金的相图。与热分析方法测量相图一样，对样品的均匀性与纯度要充分考 虑。
也可以采用记录降温过程 DSC 曲线的方法测量相图，但由于降温过程会出 现一定的过冷度，故要求冷却速度要尽量慢。
因物性的不同，二元合金相图有多种不同类型，Sn-Bi 合金、Al-Si 合金相图 是具有低共熔点、固态下部分互溶的二元相图。本实验测定 Sn-Bi 二元体系或 Al-Si 二元体系的相图。合金种类、成分设计及测量方法由学生自己设计，样品 测量完毕后制成金相试样，与相图结合对比分析其金相组织。
3.金相试样制备过程（包括取样（镶嵌）、磨制、抛光和浸蚀） （1）取样 取样部位的选择应根据检验的目的选择有代表性的区域。一般进行如下几方 面的取样。 原材料及铸锻件的取样：原材料及铸锻件的取样主要应根据所要检验的内容 进行纵向取样和横向取样。 纵向取样检验的内容包括：非金属夹杂物的类型、大小、形状；金属变形后 晶粒被拉长的程度；带状组织等。 横向取样检验的内容包括：检验材料自表面到中心的组织变化情况；表面缺 陷；夹杂物分布；金属表面渗层与覆盖层等。 事故分析取样：当零件在使用或加工过程中被损坏，应在零件损坏处取样然 后再在没有损坏的地方取样，以便于对比分析。 取样的方法：取样的方法因为材料的性能不一样，有硬有软，所以取样的方 法也不一样。软材料可用锯、车、铣、刨等来截取；对于硬的材料则用金相切割 机或线切割机床截取，切割时要用水冷却，以免试样受热引起组织变化；对硬而 脆的材料，可用锤击碎，选取合适的试样。 试样的大小以便于拿在手里磨制为宜，通常一般为 φ12×15mm 圆柱体或 12×12×15mm 正方体。取样的数量应根据工件的大小和检验的内容取 2-5 个为宜。 镶嵌：截取好的试样有的过于细小或是薄片、碎片，不宜磨制或要求精确分
一、实验内容
实验二 二组分合金相图的绘制
1.热分析法或差热扫描量热分析方法测量相图 2.金相试样的制备 3.金相显微镜的使用和金相组织观察与分析 相图是多相(两相及两相以上)体系处于相平衡态时体系的某物理性质(最常 见是温度)对体系的某一自变量(如组成)所做的图形。由于该图能反映出相平衡 的情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元的相图常以组成为变量， 其物理性质大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件(如自变量 不同)下相平衡的情况，故在研究多相体系的性质和多相体系平衡的演变(例如， 冶金工业中钢铁、合金冶炼过程，化学工业中原料分离制备过程)等问题时都要 用到。 有关各种体系和不同类型相图的解析及阐明在物理化学课程中占有重要地 位。制作相图有很多方法，统称为物理化学分析。而对凝聚相研究(如固—液相， 固—固相等)，常用的方法是借助相变过程中温度变化而获得的，观察相变热效 应的变化情况，以确定体系的相变化关系，最常用的方法就是热分析及差热扫描 量热分析方法。本实验就是用热分析法和差示扫描量热分析法绘制二元合金相 图，并将所得试样制备成金相试样进行金相组织观察和分析。 二、相关知识点 1.热分析法绘制相图
步冷曲线Ⅱ为二元体系，ab 段与上述相同。当到点 b 时，有固相析出，此 时固相与液相组成不同，但在整个相变过程中只有一个固相(固溶体)与液相平 衡，自由度 f＝l。由于有凝固潜热放出，故温度随时间变化比较缓慢，当到点 c 时，液相消失，只有一个固相(固溶体)，若无相变．温度又均匀下降(cd 段)。
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析边缘组织的试样就需要镶嵌成一定的形状和大小。常用的镶嵌方法有机械镶 嵌、塑料镶嵌或环氧树脂冷嵌。如图 2.3 所示。
机械镶嵌：用不同的夹具将不同外形的试样夹持。夹持时，夹具与试样之间、 试样和试样之间应放上填片，填片应采用硬度相近且电位高的金属片，以免浸蚀 试样时填片发生反应，影响组织显示。
塑料镶嵌：是在专用镶嵌机上进行，常用材料是电木粉，电木粉是一种酚醛 树脂，不透明，有各种不同的颜色。镶嵌时在压模内加热加压，保温一定时间后 取出。优点是操作简单，成型后即可脱模，不会发生变形。缺点是不适合淬火件。
浸蚀平面 晶界被浸蚀 铁素体(阳极) 渗碳体(阴极)
a
b
a 铁素体 b 珠光体
图 2.4 单相合金和双相合金浸蚀示意图
（5）化学操作注意事项 1）试样进行化学浸蚀时应在专用的实验台上进行，对有毒的试剂应在抽风 橱内进行。 2）试样浸蚀前应清洗干净，磨面上不允许有任何赃物以免影响浸蚀效果。 3）根据材料和检验要求正确选择浸蚀剂见表 2.2。
表 2.1 常用的抛光微粉
材料
氧化铝 AL2O3
氧化镁 MgO 氧化铬 Cr2O3 氧化铁 Fe2O3 金刚石粉 （膏）
莫氏硬度
特点
适用范围
9 5.5～6
8 6
白色。α 氧化铝微粒平均尺寸 0.3μm，外形 呈多角形。γ 氧化铝粒度为 0.1μm，外形呈 薄片状，压碎后更为细小 白色。粒度极细而均匀，外形锐利呈八面体
对于一些不能加热和加压的试样可采用环氧树脂冷嵌。
试样
垫片
环氧树脂
试样 金属套管
塑料或电木
a
b
c
a 机械镶嵌法 b 环氧树脂冷嵌 c 塑料镶嵌法 图 2.3 金相试样镶嵌方法
（2）磨光 目的是得到一个平整光滑的表面。磨光分粗磨和细磨。 粗磨：一般材料可用砂轮机将试样磨面磨平；软材料可用锉锉平，磨时要用 水冷却，以防止试样受热改变组织。不需要检查表层组织的试样要倒角倒边。 细磨：目的是消除粗磨留下的划痕，为下一步的抛光作准备，细磨又分为手 工细磨和机械细磨。 手工细磨：选用不同粒度的金相砂纸（180、240、400、600、800），由粗到 细进行磨制。磨时将砂纸放在玻璃板上，手持试样单方向向前推磨，切不可来回 磨制，用力均匀，不宜过重。每换一号砂纸时，试样磨面需转 90°，与旧划痕垂 直，以此类推，直到旧划痕消失为止。试样细磨结束后，用水将试样冲洗干净待
步冷曲线基本类型可分为三种，如图 2.1 所示。一个系统若在步冷过程中相 继发生几个相变过程，那么步冷曲线将是一个很复杂的形状，对此曲线要逐段分 析，可大致看出都是由几个基本类型组合而成的。
图 2.1 中，步冷曲线 I 为单元体系步冷曲线。当冷却过程中无相变发生时， 冷却速率是比较均匀的(ab 段)．从点 b 开始有固体析出，这时放出的凝固潜热与 环境散热达到平衡，此时 f=0，温度不变。当液体全部结晶完了，温度才开始下 降(cd 段)。固态下无相变，温度也均匀下降。
4）注意掌握浸蚀时间，一般是磨面由光亮逐渐失去光泽而变成银灰色或灰
序 浸蚀剂名
号
称
成分
适用范围
使用要点
黑色。主要根据经验确定。通常高倍观察时浸蚀宜浅，低倍观察可深些。 试样浸蚀适度后，应立即用清水冲洗干净，滴上乙醇吹干，即可进行显微分析。
热分析法是先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 30 s 或 1 min)读一次体系温度。将所得温度值对时间作图，可得 一曲线，称为步冷曲线或冷却曲线。根据冷却曲线的形状来判断系统中是否发生 了相变化。对若干个组成不同的系统进行测定，绘制步冷曲线，在步冷曲线上找 出转折点和水平台的温度，然后在温度—成分坐标上确定相应成分的转折温度和 水平台的温度，最后将转折点和恒温点分别连接起来，就得到了相图。
图 2.1 步冷曲线
对纯净金属或由纯净金属组成的合金，当冷却十分缓慢、又无振动时．有过 冷现象出现。液体的温度可下降至比正常凝固点更低的温度才开始凝固，固相析 出后又逐渐使温度上升到正常的凝固点。如图 2.2 中曲线Ⅱ就表示纯金属有过冷 现象时的步冷曲线、b′为过冷温度，b″为正常相变温度；而曲线 I 为无过冷现象 时的步冷曲线。
图 2.2 过冷步冷曲线
2.差示扫描量热分析法绘制相图 差热扫描量热分析法是将均匀体系（机械混合均匀或加热熔融成均一液相后 浇注成均一体系）以一定的加热速度缓慢加热熔点以上某一温度（估算），自动 记录加热过程中热流量随时间或温度的变化曲线，称为差示扫描量热（DSC）曲 线。当体系发生相变化时，DSC 曲线上出现吸热峰，根据 DSC 曲线上放热峰的 起始位置来判断系统在什么温度下发生了相变化。对若干个组成不同的系统进行 测定，记录 DSC 曲线，在 DSC 曲线上找出所有峰的起始温度，然后在温度—成 分坐标上确定相应成分的各峰的起始温度点，最后将各点分别连接起来，就得到 了相图。 用差示扫描量热分析法可以测出体系中相变热很小的晶型转变，升温速度只