二元合金显微组织分析

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(Fe ２Si ２Al ９)和β（Fe ３SiAl １２）。

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