北科大材科基实验金属及合金凝固组织的观察和分析

金属及合金凝固组织的观察和分析

张文

北京科技大学材料学院

铸锭组织分为三个区，最外层是细晶区，金属液体浇入铸模后，与温度较低模壁接触的液体会产生强烈的过冷，产生大量的晶核，并向液相内生长。如果浇铸温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体会很快全部冷却到熔点一下，因此各处都能形核，造成全部等轴细晶粒的组织。但在一般情况下，只有那些仍然靠近模壁的晶粒长成而形成细晶区。柱状晶区，金属浇铸后，模壁被金属加热温度不断升高，由于结晶时潜热的释放吗，使模壁处的温度梯度降低。细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长。等轴晶区，在凝固过程中，开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随溶液对流漂移移到铸锭中心部分。如果中心部分溶液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。匀晶凝固过程是晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。共晶凝固过程是从液相同时结晶处两个固相。一般把成分在共晶成分左边并有共晶反应的合金称亚共晶合金，而在右边的称过共晶合金，合金成分偏离共晶成分但冷却时仍发生共晶反应的合金，在冷却过程中先结晶出固溶体晶体，然后在生成共晶。包晶凝固过程是有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另一种固相的恒温转变过程。

1 实验材料及方法

1.1实验材料

光学显微镜

表格 1 铝锭成分表

Table 1 Aluminum composition

铝锭浇铸条件

样品号模壁材料模壁厚度/mm模子温度/℃浇铸温度/℃1砂10室温680

2钢10500680

3钢10室温780

4钢10室温680

Table 2 Alloy composition

样品成分样品成分

1-a25%Ni+75%Cu铸造3-a80%Sn + 20%Sb

1-b25%Ni+75%Cu 退火3-b35%Sn + 65%Sb

2-a70%Pb + 30%Sn4-a51%Bi + 32%Pb +

17%Sn 2-b38.1%Pb + 61.9%Sn4-b58%Bi + 16%Pb +

26%Sn 2-c20%Pb + 80%Sn4-c65%Bi + 10%Pb +

25%Sn

1.2实验方法

1.用肉眼观察5种浇铸方法所获得的铝锭的横截面和纵截面；

2.调节金相显微镜的放大倍数为100倍；

3.在显微镜下分别观察1-a至4-c样品，并用手机拍照记录。

2 实验结果

2.1纯铝注定观察

1号样品组织大部分是等轴晶区；2号样品组织大部分是等轴晶区；3号样品组织大部分是柱状晶区；4号样品是标准样品，它的组织图既有中心等轴晶区，又有柱状晶区；5号样品组织大部分是等轴晶区。

纯金属的成分是固定的，都为纯铝，从模壁材料、浇铸温度、模壁厚度、模子温度四方面分析。1号样品与标准样品比较，其模壁材料为砂，相对于钢的导热性能较差，因此1号铸锭在冷却中的冷却速率较慢，不易造成浇铸熔体中大的温度梯度，整体冷却均匀，从而形成粗大等轴晶。因此模壁材料的选取对铸锭等轴晶的形成有影响。2号样品与标准样品比较，模子温度为500℃，相对于铝的浇铸温度680℃相差不大，因此存在的温度梯度较小，冷却速率较慢，从而存在大量的等轴晶和少量的柱状晶。因此高的模壁温度有助于形成等轴晶。3号样品与标准样品比较，浇铸温度为780℃，比标准的浇铸温度高100℃，在铸模中会有大的温度梯度，从而有大量柱状晶，因此高的浇铸温度容易形成柱状晶区。5号样品与标准样品比较，模壁厚度为3mm，比标准的模壁厚度小7mm，冷却速率较快，整体冷却均匀，从而存在大量等轴晶，因此薄的模壁有利于等轴晶的形成。

a b

图 1 a 25%Ni+75%Cu 铸造金相图100倍b 25%Ni+75%Cu 退火金相图100倍Figure 1 (a) 25%Ni+75%Cu cast metallographic 100x (b) 25%Ni+75%Cu annealing metallographic 100x

样品1-a 25%Ni+75%Cu铸造，从图1-a知其金相组织为树枝状，存在枝晶，由于在冷却过程中冷却速度较快，溶质分子来不及扩散，从而得到枝晶。图中黑色枝晶含Cu较多，可以认为是Cu相。由于Ni的熔点较高，因此当温度降低时Ni先析出。

样品1-b 25%Ni+75%Cu 退火，从图1-b知其金相组织中出现大的多边形晶粒，有Cu存在于晶粒中。退火的冷却速度下降的较慢，因此溶质原子扩散的均匀，从而其组织比较均匀。

图2 （a ）70%Pb + 30%Sn 金相图 100倍（b ）38.1%Pb + 61.9%Sn 金相图 100倍（c ）20%Pb + 80%Sn

金相图 100倍

Figure 2 (a)70%Pb + 30%Sn metallographic 100x (b)38.1%Pb + 61.9%Sn metallographic 100x (c)20%Pb +

80%Sn metallographic 100x

样品2-a70%Pb + 30%Sn ，分析知其成分处于三相点左侧，在冷却过程中首先出现液相和α相，温度降到共晶线以下，出现α+β相，从图2-a 知金相组织中黑色枝晶相为α相，白色相中存在α+β相，可以通过测量金相组织中黑白部分面积比来确定共晶时α和β相的比例。

样品2-b38.1%Pb + 61.9%Sn ，分析知其成分正好为三相点，因此随着温度的降低，液相在三相线对应的温度下直接析出共晶（α+β），而没有单独的α或β相析出。

图 3铅锡相图

Figure 3 Lead-Tin phase diagram

从图3中计算共晶时Pb 与Sn 的相对含量：

Pb 相对含量=97。9−619

97。9−19。5×100%=45.9%

Sn 相对含量

=1-45.9%=54.1%

a b c