二元合金显微组织分析.docx

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1、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

2、-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

3、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-20Ni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。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-Ia为CU-Ni二元合金相图。由相图可知，二元铜银合金

4、不论含银多少均为单一的相固溶体，由于液相线和固相线的水平距离较大，加之银在铜中的集中速度很慢，因而Cu-Ni二元合金的铸造组织均存在明显的偏析。凝固时，晶体前沿液体中消失了成分过冷,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-lb）称枝晶偏析组织（晶内偏析），枝干与枝间的化学成分不匀称。这种树枝状组织甚至可始终保持到热加工之后。铜中加锲后，紫铜的颜色发生明显的转变，含银15%时颜色尚呈紫铜色，当增至2O%的即呈

5、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，此时可以用集中退火来减小或消退这种不匀称的组织。消退了晶内偏析的Cu-Ni合金的显微组织特征为单相固溶体，其内晶粒和晶界清楚可见（图4-lc）。2.2 二兀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章外形。若初晶为亚金属，非金属或中间相，图4-laCU-Ni二元系相图图4-lbCu-30%

6、Ni合金显微组织 状态：非平衡结晶腐蚀剂:FeCL酒精溶液+10%HCl 溶液放大倍数：12OX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-lcCu-30%Ni合金显微组织状态：匀称化退火腐 蚀 剂:2%便入07+8%减0冰 溶液放大倍数:IOOX组织分析:等轴状的固溶体 晶粒一般具有较规章外形（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

7、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。简洁二元AI-Si合金，如IZL-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。依据AI-Si二元合金相图（图4-2a）,共晶成分是12.6%硅，共晶温度为577C,硅在a固溶体中的溶解度在577C时为L65%,室温时降至0.05%。铸造合金为了保证良好的铸造工艺性，一般盼望接近共晶成分。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，以满意铸造工艺方面的要求，而又不至于因其次相数量过多而使材料的塑性严峻降低。ZL-7合金的

8、含硅量为10.213.0%,即处于共晶点四周，平衡组织为a+Si。共晶硅呈粗针状或片状，有时组织中也可能消失少量块状初生硅。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a（Fe2Si2AL）和。（FeBSiAh2妊图4-2aAl-Si二元系相图图4-2bAl-12. 6%Si合金显微组织状态：铸造、慢冷腐蚀齐J:未蚀放大倍数：12OX组织分析:过共晶组织，Si(块状初品)+ (Al+Si)细针状共Ia图4-2cAl-12.6%Si合金显微组织状态：铸造、快冷腐蚀剂:0.5%HF水溶液放大倍数：10OX组织分析:亚共晶组织，Al(树枝状初品臼色+ (Al+Si)细计状共Ia在Al1

9、0%Fe合金中，初晶相比例较大，呈长条状(图43a)从ALFe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，共品成份点为99.95%A1,因而初晶相比例较大。图4-3aAITo%Fe合金显微组织状态：铸造腐蚀剂：未蚀放大倍数：12OX组织分析：(FeAh)3rw+(+A1)共IttMg-Zn二元相图(图4-4)比较简单，其中某些转变至今尚未完全确定。富镁端于343C进行共晶转变:L-+Mg2Zn3:330C时，发生共析转变:Mg2Zn3-a+MgZn,MgZn化合物具有六方结构，a=5.33A,C=17.16A,熔点为349。在共晶温度下，锌在镁中溶解度

10、为8.4%,300C时为6.0%,250*0时为3.3020(C时为2.0150C时为L7%,室温下则小于1.0%o在Mg-ZlI系中强化相为MgZIb它对合金性能的影响与MgI7AL2对Mg-AI系的影响相像，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+(MgZn2)-Mg2Znn,于364。C进行共晶反应：L-Zn+MgzZn”。Zl3%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4-4Zn-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。. i图4-6bCu-O.5%0合金显微组织状态

11、：铸态，腐蚀剂：未蚀图4-6aCu-O二元合金相图组织分析：初晶Cu+共晶IOOx图4-7Cu-P二元合金相图2。50 4 50IZOOj1 I1p-Q10 ZO 30 40 WTi.%图4-8aCu-Ti二元合金相图图4-8bCu-10.28%Ti合金显微组织状 态：铸态腐蚀齐J:硝酸高铁酒精溶液放大倍数：200组织分析：(+Cu3Ti) ,+Cu3Ti 初Iit隐藏共晶是指当时晶比例很大、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，只见相孤独地分布在另一相上或晶间（图4-9）,称为隐藏共晶（或离异共晶）。图4-9bCU-2%Bi合金显微组织状态：

12、铸态腐蚀剂：未蚀放大倍数：10OX图4-9aCu-Bi二元相图组织分析：固溶体+隐藏共品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、相互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4T0a）即属此类。图4-IOaCu-1O%1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+Al4Cu92.4 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，初晶相和四周溶液反应，形成新相，反应在固相一一液相界面上发生，组织中消失包晶反应生成物

13、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集中，连续进行包晶转变，因此，最终可得到匀称的多边形晶粒，与单相固溶体组织相比，组织上并没有特别之处。当铸造生产时，冷却比较快的条件下，集中来不及充分进行，凝固的组织中经常看到残留的、被包晶反应形成的新相所包围的先结晶固相。对于非包品成分的合金，具有过度的先结晶固相时，即使缓慢冷却，也会消失“包晶”组织。快速凝固时，先结晶相的残留量增多（图4-11）。图4TlbFe-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，由于冷却较快消失共晶如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

14、晶界处消失了非平衡共晶。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、隐藏共晶组织、晶内偏析都属于非平衡组织，经集中退火，可促使组织趋向平衡状态。Al-Mn系(相图见图4T2a)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4T2b所示。依据相图可知，这种合金含Mn在L01.6%的范围内，平衡组织应为a+。(MnAl6),其中的P相是降温时从a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a相晶粒边界消失共晶组织，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a+(MnAk),组织组成为初晶(MnAk

15、)+(a+)共品(图4-13a);在半连续铸造条件下，包晶反应L(MnAL)P(MnAk)不完全，因而消失B(MnAl6)包围Y(MnAl4)的不完全包晶组织(图4-13b),所以，最终的组织组成物为做包)+(a+)it,图4-12aAI-Mn二元系相图腐蚀剂：10%NaOH水溶液放大倍数：340组织分析：+(MnAk)+(+B)共品图4-13aAl-10%Mn合金的显微组织状 态：退火腐蚀齐U： 10%NaOH水溶液放大倍数：组织分析：P(MnAl6)+ (+)三.试验步骤图4-13bAl-10%Mn合金的显微组织状 态：半连续铸造腐 蚀 剂：10%NaOH水溶液放大倍数：510组织分析：。

16、(包)+(a+B)共品学完二元系相图后，进行本试验，由试验室供应一组试样，同学们采用二元相图，判别各合金组织类型，分析各种组织形态特征，弄清二元合金组织分析方法。四.试验报告内容1 .在观看后，按下表的格式，将各合金的显微组织特征(包括状态、腐蚀剂、放大倍数、组织组成或相组成等)纪录下来。2 .简要说明观看过程的试验技巧、体会。表4-1试验结果纪录表参考文献1 .梁克中.金相原理与应用.中国铁道出版社：1983年.2 .北京钢铁学院金相教研室.专业基础试验：1981年7月.3 .史美堂等（上海交通高校），柏斯森（太原重型机械学院）.金属材料及热处理习题集与试验指导书.上海科学技术出版社：199

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