二元合金顯微組織分析

1、實驗四 二元合金顯微組織分析組織和結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的，主要表現(xiàn)在它的尺度不同。組織是顯微尺度，結(jié)構(gòu)是原子尺 度。組織是指用肉眼和顯微鏡觀察到的金屬內(nèi)部情景，如晶粒尺寸和形狀以及組成物的特 點等。而結(jié)構(gòu)是指組成金屬的同類或異類原子在三維空間的排列情況。目前一般是用射 線衍射分析才能確定。合金在室溫下可以同時存在幾種晶體結(jié)構(gòu)，即可以多相共存，因而組織比純金屬復(fù)雜 很多。合金的組織，既可由單相組成，也可由兩相甚至多相組成。不同的相可以構(gòu)成不同的 組織。單相合金是以金屬為溶劑的固溶體。兩相或多相合金的組織中，數(shù)量較多的一相，稱為基體相，大多是以金屬為溶劑的固 溶體。其余的相可以是合金的另一組元為基體形成的

2、固溶體或另一組元的純金屬；也可是 合金各組元形成的化合物或以化合物為溶劑的固溶體。合金的相組成是說明合金由幾種相 和那幾種相組成。合金的顯微組織分析就是進(jìn)一步分析相組成、相分布和相形態(tài)，即研究 各相的生成條件、數(shù)量、形狀、大小以及它們之間的相互分布狀態(tài)。1 實驗?zāi)康母鶕?jù)凝固理論，利用二元相圖，在金相顯微鏡下，識別二元合金組織特征，進(jìn)行顯微 組織分析。二合金中的基本組織特征合金成份不同時，二元合金可構(gòu)成不同的組織，成份相同、但凝固及處理條件不同時， 也可構(gòu)成不同的組織。合金的顯微組織與合金的成份、組成相的性質(zhì)、冷卻速度及其他處 理條件、組成相相對量等因素有關(guān)，一般可有以下幾種形貌：2.1 單相固

3、溶體固溶體結(jié)晶時，先從溶體中析出的固相成分與后從溶體中析出的固相成份是不同的。 冷卻速度慢（平衡凝固）時，固相原子經(jīng)過充分?jǐn)U散，因而可以得到成份均勻的單相固溶 體；冷卻快時，固相原子來不及擴(kuò)散均勻，從而使凝固結(jié)束后晶粒內(nèi)各部分存在濃度差別，1故各處耐腐蝕性能不同，浸蝕后在顯微鏡下呈現(xiàn)樹枝狀特征。下面以Cu-20 Ni 合金為例進(jìn)行說明。Cu-20 Ni 的銅合金鑄態(tài)組織圖所示為熱力學(xué)不平衡組織，在固態(tài)均勻化退火后，則 出現(xiàn)類同純金屬一樣的多邊形晶粒， Cu-20 Ni 的銅合金均勻化退火組織圖所示為單相固溶 體平衡組織。銅合金鑄態(tài)組織圖所示為單相固溶體組織存在晶內(nèi)偏析、呈樹枝狀圖 4-1a 為

4、 Cu-Ni 二元合金相圖。由相圖可知，二元銅鎳合金不論含鎳多少均為單一的 相固溶體，由于液相線和固相線的水平距離較大，加之鎳在銅中的擴(kuò)散速度很慢，因而 二元合金的鑄造組織均存在明顯的偏析。凝固時，晶體前沿液體中出現(xiàn)了成分 過冷，形成負(fù)的溫度梯度，故晶體以樹枝狀方式生長。電子探針微區(qū)分析結(jié)果表明，組織 中白亮部分（即枝干部位）含高熔點組元 Ni 的比例較高，比較耐腐蝕，因而呈白色；而暗 黑部分（枝間部位）含低熔點組元較多，不耐腐蝕，因而呈黑色。這種組織（圖4-1b）稱枝晶偏析組織（晶內(nèi)偏析） ，枝干與枝間的化學(xué)成分不均勻。這種樹枝狀組織甚至可一直 保持到熱加工之后。銅中加鎳后，紫銅的顏色發(fā)生明

5、顯的改變，含鎳時顏色尚呈紫銅色，當(dāng)增至 的即呈銀白色，故又稱為白銅。對鑄造高溫合金來說，這種樹枝狀組織是有益的，它能夠提高高溫強(qiáng)度，而對一般需 進(jìn)行塑性變形加工的合金來說，由于增加了形變阻力，因而是無益的，此時可以用擴(kuò)散退 火來減小或消除這種不均勻的組織。消除了晶內(nèi)偏析的合金的顯微組織特征為 單相固溶體，其內(nèi)晶粒和晶界清晰可見（圖4-1c ）。2.2 二元合金中初晶和共晶特征在凝固過程中，首先從液相中析出的相稱為初晶相。初晶的形態(tài)在很大程度上取決于 液- 固界面性質(zhì)。若初晶是純金屬或以純金屬為溶劑的固溶體，一般具有樹枝狀特征，金相 磨面上呈橢圓形或不規(guī)則形狀。若初晶為亞金屬，非金屬或中間相，圖

6、 4-1a Cu-Ni 二元系相圖圖 4-1b Cu-30%Ni 合金顯微組織狀 態(tài)：非平衡結(jié)晶腐蝕劑 :FeCl 3 酒精溶液 +10%HCl 溶液放大倍數(shù) :120組織分析 : 非平衡結(jié)晶形成的樹 枝狀組織，白色富含 Ni ， 黑色富含 Cu圖 4-1c Cu-30%Ni 合金顯微組織狀 態(tài)：均勻化退火腐 蝕 劑 :2%K2Cr2O7+8%H2SO4 水 溶液放大倍數(shù) :100X組織分析 : 等軸狀的 固溶體晶粒一般具有較規(guī)則外形（如多邊形、三角形、正方形、針狀、棱形等） 。同時從液相中析出的組織通常稱為共晶組織。二元共晶由兩相組成，由于組成相性質(zhì)、 凝固時冷卻速度、組成相相對量的不同，可

7、構(gòu)成多種形態(tài)。共晶體按組織形態(tài)可分為層片 狀、球狀、點狀、針狀、螺旋狀、樹枝狀、花朵狀等幾類。二元共晶由兩相組成，一般比 初晶細(xì)。Al-Si 系合金是航空工業(yè)應(yīng)用最廣泛的一類鑄造合金， 具有良好的工藝性和抗蝕性。 簡 單二元 Al-Si 合金，如 ZL-7 ，鑄造性很好，但強(qiáng)度較低。添加其他組元，如鎂、銅后，由 于增加了熱處理強(qiáng)化效應(yīng)而提高了合金的機(jī)械性能。根據(jù) Al-Si 二元合金相圖（圖 4-2a ），共晶成分是 12.6 硅，共晶溫度為 577，硅在 固溶體中的溶解度在 577時為 室溫時降至 0.05 。鑄造合金為了保證良好的鑄造工藝性， 一般希望接近共晶成分。 系的特點是共晶點含硅量

8、不太高，這樣既可保證合金組織中形成大量的共晶體，以滿足鑄 造工藝方面的要求，而又不至于因第二相數(shù)量過多而使材料的塑性嚴(yán)重降低。1.65 ，Al-Si共晶硅圖 4-2a Al-Si 二元系相圖4ZL-7 合金的含硅量為 10.2 13.0%，即處于共晶點附近，平衡組織為 Si 。 呈粗針狀或片狀，有時組織中也可能出現(xiàn)少量塊狀初生硅。此外，因合金中雜質(zhì)鐵允許含 量較高，因此還存在一些雜質(zhì)相，如（Fe Si Al ）和 （FeSiAl ）。圖 4-2b Al-12.6%Si 合金顯微組織圖 4-2c Al-12.6%Si 合金顯微組織狀 態(tài) : 鑄造、慢冷腐 蝕 劑 : 未蝕放大倍數(shù) : 120X

9、組織分析 : 過共晶組織，Si （塊狀初晶） +（ Al+Si ）細(xì)針狀共晶狀 態(tài) : 鑄造、快冷腐 蝕 劑:0.5%HF水溶液放大倍數(shù) : 100X組織分析 : 亞共晶組織，Al （樹枝狀初晶白色 ） +（ Al+Si ） 細(xì)針狀共晶在 Al-10%Fe 合金中，初晶相比例較大，呈長條狀（圖4-3a ）。從 Al-Fe 二元相圖（圖4-3b ）可知，富 Al 的 Al-Fe 系二元合金也有同樣規(guī)律，也存在共晶反應(yīng)，共晶成份點為 99.95%Al ，因而初晶相比例較大。圖 4-3a Al-10%Fe 合金顯微組織 狀 態(tài) : 鑄造 腐 蝕 劑 : 未蝕 放大倍數(shù) : 120組織分析 : （ F

10、eAl 3 ）長條狀初晶+（+Al ）共晶圖 4-3b Al-Fe 二元系相圖Mg-Zn二元相圖(圖 4-4 )比較復(fù)雜， 其中某些轉(zhuǎn)變至今尚未完全確定。 富鎂端于 343 進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變： L Mg2Zn3；330時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變： Mg2Zn3 MgZn。 MgZn化合物 具有六方結(jié)構(gòu)， 5.33 ?， 17.16 ?，熔點為 349。在共晶溫度下，鋅在鎂中溶解度 為 8.4%，300時為 6.0%， 250時為 3.3%， 200時為 2.0%， 150時為 1.7%，室溫下則 小于 1.0%。在 Mg-Zn系中強(qiáng)化相為 MgZn，它對合金性能的影響與 MgAl 對Mg-Al 系的影 響相

11、似，但 MgZn在Mg-Zn系中強(qiáng)化效果更大一些。在富 Zn端于 381 C進(jìn)行包晶反應(yīng)： L(MgZn2) Mg2Zn11，于364 C進(jìn)行共晶反應(yīng)： LZnMg2Zn11。Zn-3%Mg合金接近共晶成份點， 組織中幾乎都是共晶體，呈螺旋狀。圖 4-4 Zn-Mg 二元系相圖圖 4-5 圖 4-8 列出了其他一些合金的二元相圖及典型成份合金的顯微組織，供學(xué)習(xí)時 參考。上圖 4-6b Cu-0.5%O 合金顯微組織圖 4-6a Cu-O二元合金相圖狀態(tài)：鑄態(tài)，腐蝕劑：未蝕組織分析：初晶 Cu+共晶 100圖 4-8a Cu-Ti 二元合金相圖圖 4-7a Cu-P 二元合金相圖圖 4-7 Cu

12、-P 二元合金相圖圖 4-8b Cu-10.28%Ti 合金顯微組織狀 態(tài)：鑄態(tài)腐 蝕 劑：硝酸高鐵酒精溶液放大倍數(shù)： 200組織分析： ( +Cu3Ti) 共晶 +Cu3Ti 初晶隱蔽共晶是指當(dāng)初晶比例很大、共晶比例很少時，初晶析出后，剩余液相量極少，則共晶中一相附著初生相上， 而不呈現(xiàn)共晶特征， 只見一相孤獨地分布在另一相上或晶間4-9 ），稱為隱蔽共晶（或離異共晶）狀 態(tài)：鑄態(tài)腐 蝕 劑：未蝕放大倍數(shù)：100組織分析：固溶體 +隱蔽共晶圖 4-9b Cu-2%Bi 合金顯微組織2.3 二元合金中共析組織特征共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織一般是兩相大致平行、互相交替的片層所組成的領(lǐng)域，也有呈球狀的，比共

13、晶更為細(xì)小。 Cu-Al 系共析組織（圖 4-10a ）即屬此類。圖 4-10a Cu-10%Al 合金的顯微組織狀 態(tài)：鑄造腐 蝕 劑： 0.5%HF 水溶液放大倍數(shù)： 100組織分析： （ Cu）初晶 + Al 4Cu9圖 4-10b Al-Cu 二元系相圖2.4 二元合金中包晶組織特征在正常凝固條件下，包晶成分的合金在冷卻到液相線以下溫度時，首先析出初晶相； 冷卻到包晶轉(zhuǎn)變溫度以下時，初晶相和周圍溶液反應(yīng)，形成新相，反應(yīng)在固相液相界 面上發(fā)生，組織中出現(xiàn)包晶反應(yīng)生成物包圍著先析出相的特征。在緩慢冷卻時，原子可以 通過新相向界面擴(kuò)散，繼續(xù)進(jìn)行包晶轉(zhuǎn)變，因此，最后可得到均勻的多邊形晶粒，與單

14、相 固溶體組織相比，組織上并沒有特殊之處。當(dāng)鑄造生產(chǎn)時，冷卻比較快的條件下，擴(kuò)散來 不及充分進(jìn)行，凝固的組織中常?？吹綒埩舻?、被包晶反應(yīng)形成的新相所包圍的先結(jié)晶固 相。對于非包晶成分的合金，具有過量的先結(jié)晶固相時，即使緩慢冷卻，也會出現(xiàn)“包晶” 組織。快速凝固時，先結(jié)晶相的殘留量增多（圖4-11）。圖 4-11a Fe-16%Sb 合金的顯微組織 狀 態(tài)：鑄造 腐 蝕 劑： 3%硝酸酒精溶液 放大倍數(shù)： 100 組織分析：包晶反應(yīng)不平衡組織+隱蔽共晶102.5 二元合金中非平衡共晶組織特征固溶體區(qū)的合金，由于冷卻較快出現(xiàn)共晶如 Al-Cu 系中含 4.5%Cu的合金，在平衡狀態(tài) 下應(yīng)為單相固溶

15、體加次晶，由于冷卻快，在晶界處出現(xiàn)了非平衡共晶。2.6 二元合金中其他非平衡組織特征不完全包晶組織、非平衡共晶組織、偽共晶組織、隱蔽共晶組織、晶內(nèi)偏析都屬于非 平衡組織，經(jīng)擴(kuò)散退火，可促使組織趨向平衡狀態(tài)。 Al-Mn 系(相圖見圖 4-12a )也存在這 類組織。例如 LF21 鋁合金在半連續(xù)鑄造條件下的組織如圖 4-12b 所示。根據(jù)相圖可知，這 種合金含 Mn在1.0 1.6 %的范圍內(nèi)，平衡組織應(yīng)為 + (MnAl 6)，其中的 相是降溫時從 相 中脫溶析出的。當(dāng)冷卻速度較快時，余留液相的成份點右移，從而在 相晶粒邊界出現(xiàn)共晶 組織，這種組織屬于非平衡共晶組織。Al-10%Mn 合金在

16、平衡凝固條件下的相組成為+ (MnAl 6)，組織組成為初晶 (MnAl 6)+( + )共晶(圖 4-13a)；在半連續(xù)鑄造條件下，包晶反應(yīng)L+ (MnAl 4)(MnAl 6)不完全，因而出現(xiàn) (MnAl 6)包圍 (MnAl 4)的不完全包晶組織 (圖 4-13b)，所以，最終的組織組成物為 (包 )+( + ) 共晶 。圖 4-12b LF21 鋁合金的顯微組織狀 態(tài)：半連續(xù)鑄造圖 4-13a Al-10%Mn 合金的顯微組織狀 態(tài)：退火腐 蝕 劑： 10%NaOH水溶液放大倍數(shù)：組織分析： (MnAl 6)+ ( + ) 共晶圖 4-13b Al-10%Mn 合金的顯微組織狀 態(tài)：半

17、連續(xù)鑄造腐 蝕 劑： 10%NaOH水溶液放大倍數(shù)： 510組織分析： (包 )+( + )共晶三實驗步驟學(xué)完二元系相圖后，進(jìn)行本實驗，由實驗室提供一組試樣，同學(xué)們利用二元相圖，判別各合金組織類型，分析各種組織形態(tài)特征，弄清二元合金組織分析方法。12圖 4-12a Al-Mn 二元系相圖腐 蝕 劑： 10%NaOH 水溶液放大倍數(shù)： 340組織分析： + (MnAl 6)+ ( + )共晶四實驗報告內(nèi)容1. 在觀察后，按下表的格式，將各合金的顯微組織特征（包括狀態(tài)、腐蝕劑、放大倍數(shù)、 組織組成或相組成等）記錄下來。2. 簡要說明觀察過程的實驗技巧、體會。表 4-1 實驗結(jié)果記錄表序 號合金系成分狀態(tài)等由二元相圖分析該合金組織（畫出示意圖）金相顯微鏡下所觀察的組織（畫出示意圖）1說明：說明：2說明：說明：說明：說明：說明：說明：說明：說明：13說明：說明：說明：說明：參考文獻(xiàn)1 梁克中金相原理與應(yīng)用中國鐵道出版社： 1983 年2 北京鋼鐵學(xué)院金相教研室專業(yè)基礎(chǔ)實驗： 1981 年 7 月3 史美堂等（上海交通大學(xué)） ，柏斯森（太原重型機(jī)械學(xué)院） 金屬材料及熱處理習(xí)題集與 實驗指導(dǎo)書上?？茖W(xué)技術(shù)出版社：1999年 3 月.4李寶銀，韓雅靜，張勇編趙振果審 光學(xué)金相技術(shù)實驗指導(dǎo)書 天津大學(xué)出版社： 1995 年 3 月5 趙忠金屬材料熱處理機(jī)械工業(yè)出版社：1987 年 .6 金