实验二：二元合金组织观察
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
本次实验的目的是研究二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
实验中，我们使用了一种名为“二元合金相图”的实验方法。
该方法是通过改变合金中两种元素的比例，来研究合金的性质变化。
我们使用的合金是铝锰合金，它由铝和锰组成，比例分别为90％和10％。
实验过程中，我们首先将铝和锰的比例改变为80％和20％，然后将其熔炼，并将其冷却到室温，以观察其相变。
结果发现，当比例改变为80％和20％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
接下来，我们将铝和锰的比例改变为70％和30％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为70％和30％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
最后，我们将铝和锰的比例改变为60％和40％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为60％和40％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
经过上述实验，我们发现，随着铝和锰的比例的改变，合金的结构也会发生变化，出现新的相。
这表明，铝锰合金的组成和性质之间存在着密切的关系。
总之，本次实验成功地研究了二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
二元合金的显微组织
二元合金的显微组织内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）实验三二元合金的显微组织（Microstructures of Binary Alloys）实验学时：1 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的运用二元共晶型相图，分析相图中典型组织的形成及特征。
二、概述二组元在液态下互溶，而在固态下有限互溶，且具有共晶转变特征的相图叫二元共晶相图。
本次实验，以Pb—Sn系合金相图为例分析共晶、亚共晶、过共晶等不同成分合金的结晶过程及结晶后所形成组织的特征。
简略相图如下：⒈共晶合金含Sn61.9%的合金为共晶合金（图中合金Ⅰ）。
当从液态缓慢冷却时，在温度Te发生共晶转变，既Le→αc +βd。
这一过程在Te温度下一直到液相完全消失为止。
所得到的共晶组织由αc 和βd两个固溶体组成。
它们的相对量可用杠杆定律计算：继续冷却时，将从α和β中分别析出βⅡ和αⅡ。
由于从共晶体中析出的次生相常与共晶体中的同类相混在一起，很难分辨，这样，在结晶过程全部结束时合金获得非常细密的两相机械混合物。
样品制备中的腐蚀剂是4%的硝酸酒精，显微镜中，α相呈暗色，β相呈亮色。
参见图3-1。
（3-1）铅锡二元共晶（3-2）铅锡二元亚共晶⒉亚共晶合金凡成分位于共晶点e以左，c点以右的合金（如图中的合金Ⅱ）叫亚共晶合金。
合金Ⅱ熔化后在液相线与固相线之间缓慢冷却时，不断地从液相中结晶出α固溶体。
随着温度的下降，液相成分沿ac线变化，逐渐趋向于e 点；α相的成分沿固相线ac变化，并逐渐趋向于c点。
当温度降到共晶温度时，α相和剩余液相的成分将分别到达c点和e点。
这时，成分为e点的液相发生前述的共晶转变，直到剩余液相全部转变为共晶组织为止。
这时，亚共晶合金的组织是由先共晶α相和共晶体（α+β）所组成。
在共晶温度以下继续冷却的过程中，将分别从α和β相中析出βⅡ和αⅡ。
二元合金实验报告
实验五二元合金相图一、目的要求1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。
2.了解热分析法的测量技术。
二、基本原理相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。
二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。
由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。
图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。
图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。
在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef 两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。
测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。
常用的实验方法是热分析法。
热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。
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(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。
冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。
若图4.2是图4.1中组成为P 的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。
因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。
材料科学基础-实验指导-实验05 二元合金显微组织分析
实验五二元合金显微组织分析一、实验目的1. 熟悉几种典型的二元合金平衡和非平衡显微组织及几种典型成分的铁碳合金的平衡组织。
2. 学会根据已知相图及显微组织观察分析各种组织的形成过程。
3. 建立二元合金中成分、组织和性能之间变化的规律。
二、实验内容说明由于纯金属性能的局限，特别是在强度方面远不能满足工业的要求，故生产中使用的金属材料几乎都是合金。
实用合金有二元合金，也有多元合金。
而不少多元合金可粗略地作为二元合金来分析。
所以就金属材料的研究而言，二元合金是最基本的合金体系。
二元合金的主要分析方法，一是借助于合金相图以分析相的组成；二是借助于显微观察以分析显微组织的形状。
二元相图的种类很多，不同种类的二元合金经不同处理后的显微组织观察也有很丰富的内容。
本实验选配了几种典型成分的合金，经不同处理，供大家观察其组织，从而进一步熟悉不同的二元相图及二元系合金中成分、组织及性能之间的关系，同时了解平衡组织与实际铸造生产时所得到的非平衡组织之间的差异和联系。
铁碳相图是比较复杂的二元相图，它是由四种基本形式的相图——匀晶相图、包晶相图、共晶相图和共析相图所构成。
铁碳合金在工业生产中有着广泛的应用，铁碳合金的研究对生产实验有着重要的指导意义。
本实验准备了各种典型成分的碳钢退火态试样和铸态白口铸铁试样，供大家观察其平衡组织（铁碳合金不平衡组织的观察作为另一项实验的内容），以进一步了解钢（铁）的碳分、组织和性能三者之间的关系。
本实验所用试样如下：1. 铁碳合金试样：(1) 纯铁退火态4%硝酸酒精腐蚀；(2) 20钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；(3) 45钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；(4) 60钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；(5) T8钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；(6) T12钢退火态4%硝酸酒精腐蚀；(7) T12钢退火态苦味酸钠腐蚀；(8) T12钢球化退火4%硝酸酒精腐蚀；(9) 亚共晶白口铁铸态4%硝酸酒精腐蚀；(10) 共晶白口铁铸态4%硝酸酒精腐蚀；(11) 过共晶白口铁铸态4%硝酸酒精腐蚀；2. 其它二元合金试样：(1) 纯铜退火态；(2) 含氧工业纯铜铸态；(3) 30Ni-70Cu 铸态；(4) 30Ni-70Cu铸造后900℃退火；(5) 纯Ni 退火态；(6) 12Sb-88Sn 铸态；(7) 20Sb-80Sn 铸态；(8) 8Sb-92Sn 铸态；(9) 13Sb-87Pb 铸态慢冷；(10) 13Sb-87Pb 铸态快冷；(11) 30Sb-70Pb 铸态快冷；Cu-Ni，Sn-Sb，Pb-Sb相图见附图。
第五章 二元合金组织的观察
第五章 二元合金组织的观察一、概述合金的种类不同，合金状态图的形式也不同，有的则十分复杂，但任何复杂的二元合金状态图，都是由一些简单的基体状态图组合起来的。
这些基本类型有匀晶状态图，共晶状态图和包晶状态图等。
熟悉掌握这些相图，是分析合金的结晶过程，组织转变规律及组织特制的必要知识。
1、二元匀晶相图及合金的结晶过程和组织特征这类状态图的特点是合金的二组元在液态与固态下均能完全互溶，Cu －Ni 合金就是其中的一种，如图1所示。
具有这种类型状态图的合金，结晶过程及所获得组织都具有独特的特征，现以合金钢为例，简要叙述如下：改合金加热至液态后自高温缓慢冷却至t 1温度时，开始从液相中结晶处α1固溶体，此时与其平衡存在得液态是L 1，由图可见，α1要比原液相含有较多的Ni 组元。
继续冷却到t 2温度时，合金的相平衡关系则变为：222t L α−−→←−−为了达到这种新的平衡，在t 1温度结晶出的α1相，必须改变为与α2相同的成分，液相成分也必将由L 1向 L 2变化。
在温度不断下降过程中，固相的成分将不断的沿固相线变化，液相的成分也不断的沿液相线变化。
同时固相的量不断增多，而液相量逐渐减少。
在一定温度下两相的相对量可用杠杆定律求出。
当冷却到t 3温度时，结晶全部完了，得到了与原合金成分相同的α固溶体。
在显微镜下观察，固溶体的组织特征与纯金属相似，为多边形晶粒所组成。
但在实际生产中，由于冷却速度比较快，因此，合金不可能完全按照平衡条件进行结晶。
2、二元共晶状态图及合金的结晶过程与组织特征二元合金具有共晶转变特征的状态图叫做共晶状态图，在这种合金系中，二组元在液态下无限互溶，而在固态下可有限互溶。
下面以Pb －Sn 合金（参看图2）为例分析其共晶、亚共晶、过共晶等不同成分合金的结晶过程及结晶后所形成组织形态的特征。
1）含Sn 小于19％的合金由图2可见，含10％Sn 的合金，缓慢冷却到液相线时，从液体中开始结晶出α固溶体。
二元合金显微组织分析
0.5%HF水溶液 0.5%HF水溶液
T
500
400
L
A 327.5
300
200 M
19
100
+Ⅱ
0 0 F 10 20 Pb
L+
183
E
61.9
（
231.9 B
L+ N
97.5
+
+（+）+Ⅱ
） +（+）+ Ⅱ
+ Ⅱ
G
30 40 50 60 70 80 90 100
富Ni
富Cu
2. Cu—20%Ni合金扩散退火态——α晶粒
3. Pb—Sn共晶——（α +β）共晶（片状）
4. Pb—Sn亚共晶——α+（α +Sn过共晶——β+（α +β）共晶+ α Ⅱ
6. Pb—Sn离异共晶——α +β
7. Pb—Sb共晶——（α +β）共晶
实验用二元合金的成分和组织
序号 合金系 1 Cu-Ni 2 Cu-Ni 3 Pb-Sn 4 Pb-Sn 5 Pb-Sn
类别 匀晶 匀晶 共晶 亚共晶 过共晶
处理状态 铸态
扩散退火 铸态 铸态 铸态
6 Pb-Sn 离异共晶 7 Pb-Sb 共晶 8 Pb-Sb 亚共晶 9 Pb-Sb 过共晶 10 Al-Si 未变质 11 Al-Si 变质处理
WSn(%)
Sn
标明组织组成物的Pb-Sn合金相图
T700
600
L
630.74
500
L+
二元合金组织分析
Fe-C共晶组织(4.3%C, 100X) 组织分析：莱氏体组织 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶
金相显微分析技术
材料实验中心
Ａl-Cu合金
Al-4.5%Cu合金组织 组织分析：次晶CuAl2(θ)分布于α晶界 和晶内 浸 蚀 剂：0.5% HF水溶液 放大倍数：450X
金相显微分析技术
材料实验中心
Ｚn-Mg合金
金相照片
Sb-16%Fe合金包晶组织（４５０Ｘ） 组织分析：由于包晶反应不能完全进行，灰色为先析出 相ε，包围着其周围白色为包晶反应产物FeSb2化合物， Sb-Fe相图 黑色为共晶中的Sb相（浸蚀剂：FeCl3盐酸水溶液）
金相显微分析技术
材料实验中心
金相照片
左图 Al-Si合金相图
右上 Al-12%Si合金 组织 组织分析：块状初 晶+针状共晶 浸蚀剂：未浸蚀 放大倍数：100X
右下 Al-12%Si合金 变质处理组织 组织分析：树枝状 初晶+共晶 浸蚀剂：混合酸 放大倍数：100X
金相显微分析技术
材料实验中心
铁碳相图
金相显微分析技术
材料实验中心
铁碳组织
共析组织(0.77%C,450X) 组织分析：片层状铁素体（F）+ 渗碳体（Fe3C）A→F+ Fe3C 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
二元合金组织分析
金相实验室: 师 琳
合金中基本组织特征
根据二元相图及凝固条件，二元合金可构成 不同组织，其形态组成本性、冷却速度、组成相 相量不同可有多种形貌，现分别介绍如下。
单相固溶体
由于先后从溶体中析出固相成分不同，冷却快时，来不及 扩散均匀，凝固结束，晶粒内各部分存在浓度梯度，故各处腐 蚀性能不同，浸蚀后在显微镜下呈现树枝状特征，如图7-2a所 示单相固溶体组织存在晶内偏析、呈树枝状。图7-2a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，如图7-2b所示单相固溶体平衡组织。
二元合金平衡(非平衡)显微组织分析
亚共晶
过共晶
共晶（平衡）
共晶（非平衡）
Cu－Ni平衡组织
Cu－Ni非平衡组织
亚共晶
共晶
过共晶
Cu－Sn包晶反应不完全
二元合金平衡及非平衡显微 组织分析
实验目的 掌握二元相图基本类型及各组成部分的特点； 学会用相图分析不同成分合金的凝固过程并 掌握其室温组织的实际形貌特征； 了解其它常见合金室温共晶体形貌特征。
实验内容
二元合金平衡组织分析
`
二元合金非平衡显微组织分析
一、端部固溶体（非平衡组织）
离异共晶（Al－Cu合金） 枝晶偏析（Cu－Ni合金）
Cu--Ni匀晶相图
平衡组织（退火）
非平衡组织（枝晶偏析）
二、伪共晶组织
（Al－Si合金）共晶点处伪共晶组织
三、包晶反应不完全（Cu绘制Ni—Cu二元匀晶相图中平衡结晶与非平衡结晶显微组织示意图、 并标出组织组成物；（2个） 2.绘制Pb—Sn二元共晶相图中平衡结晶的共晶，亚共晶，过共晶显微 组织示意图，并标出组织组成物；（3个） 3.绘制Al－Cu合金端部固溶体的显微组织示意图，并标出组织组成物； （1个） 4.绘制Al—Si二元共晶相图中平衡结晶的共晶，亚共晶，过共晶以及 具有共晶成份在非平衡结晶下合金的显微组织形貌，并标出组织组成 物； （4个） 5.绘制Cu—Sn包晶反应不完全显微组织、并标出组织组成物。 完成实验报告
二元合金显微组织分析-PPT精选
6. Pb—Sn离异共晶——α +β
7. Pb—Sb共晶——（α +β）共晶
8. Pb—Sb亚共晶——α+（α +β）共晶+ βⅡ
9. Pb—Sb过共晶 β +（α +β）共晶+α Ⅱ
10. Al—11.7%Si合金铸态——（α+Si）共晶
ZL102
变质处理 α枝晶+ （α+Si）共晶
1
二元合金显微组织分析
一、实验目的： 1. 掌握根据相图分析合金凝固组织的方法； 2. 熟悉典型共晶系合金的显微组织特征； 3. 了解初晶及共晶形态。
二、实验内容概述： 1. 具有共晶反应的二元合金及其组织形态 Al-Si 针状、Cu-O 球状、Zn-Mg 螺旋状、Pb-Zn
片层状、Pb-Zn 树枝状 2. 匀晶、亚共晶、过共晶的组织形态。
铸态 铸态 铸态 铸态 铸态 铸态
显微 组织 α 枝晶
α （α +β）共晶 α+(α +β）共晶+ βⅡ β+(α +β）共晶+ α Ⅱ
α +β （α +β）共晶 α+（α +β）共晶 β+（α +β）共晶 （α+Si）共晶 α+（α+Si）共晶
浸蚀剂
氯化铁盐酸水溶液
氯化铁盐酸水溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液
三、实验报告要求： 详见电子实验报告
实验用二元合金的成分和组织
序号 合金系 1 Cu-Ni 2 Cu-Ni 3 Pb-Sn 4 Pb-Sn 5 Pb-Sn
类别 匀晶 匀晶 共晶 亚共晶 过共晶
处理状态 铸态
金相实验报告——二元共晶系合金的组织观察与分析
西安交通大学实验报告课 程：金相技术与材料组织显示分析 实验 日期：年 月 日专业班级： 组别 交报告日期： 年 月 日姓 名： 学号 报 告 退 发： （订正、重做）同 组 者： 教师审批签字：实验名称：二元共晶系合金的组织观察分析实验目的：1. 熟悉共晶系合金的显微组织特征；2. 掌握用相图分析合金结晶组织的方法。
实验原理概述：相图是分析显微组织的最基本的依据。
以下是Pb-Sn 合金的相图：1. 固溶体位于相图的两端，这类合金在结晶终了将得到单相固溶体，a 固溶体和β固溶体，将其冷到固溶度线以下将析出二次β或二次a ，通常呈粒状或小条状分布于晶界与晶内。
2.共晶线上的合金成分处于共晶线上的合金，在温度讲到共晶温度时，都要发生共晶反应，组织中有共晶组织特征。
按成分分为亚共晶合金、共晶合金和过共晶合金。
3.枝晶偏析与离异共晶、伪共晶当二元合金不平衡洁净时，固相成分分散不均匀，固相成分偏离平衡相图上固相线的位置，结晶后的组织成分不均匀，先结晶的枝杆，含高熔点组元多，后结晶的枝间含低熔点的组元多，即所谓的枝晶偏析现象。
结合相图，分析所画组织的结晶过程：1.亚共晶结晶过程：其室温下显微组织都是α+βⅡ组成，只是两相的相对量不同。
从液相冷却至液相线首先从L相中析出α相，在继续冷却到共晶线时发生共晶反应析出β相成为两相固溶体。
2.共晶结晶过程：当液相成分为共晶成分时，液态冷却到共晶线时才开始析出，并同时析出α和β相，其析出成分比例也为共晶比例。
3.过共晶结晶过程：其过程和亚共晶结晶过程相似，不同的是当液相冷却至液相线时先析出β相，再到共晶线发生共晶反应是才析出α相。
用杠杆定律计算所画共晶合金中两相的相对量：因Sn的质量分数为61.9%，则由杠杆定律：α相的含量wtα=X100%=38.1%；β相的含量wtβ=X100%=61.9%。
实验二：二元合金组织观察
实验六：二元合金组织观察一、实验目的观察几种不同类型的二元合金显微组织，结合状态图分析讨论各类合金的组织特点二、实验说明1． Cu-Ni合金铜和镍两组元在液态及固态下都能无限互溶，在L+α两相区，自由度为1，结晶是在一个温度区内进行的（图5所示）。
任一Cu-Ni合金由液态极缓慢地冷却到室温时，可得到均匀的单相α固溶体，但在快速冷却（生产条件）时，扩散未能充分进行，使凝固过程偏离平衡条件而出现枝晶偏析，显微组织呈树枝状组织，枝干为富Ni的α（高熔点组元先凝固），枝间为富Cu的α（低熔点组元多）2． Pb-Sn合金Pb-Sn合金为液态下无限溶解，固态下有限互溶的共晶系（图6）。
当缓慢冷却时，合金按照相图平衡凝固。
合金Ⅰ为共晶组织（α+β），室温下全部为层片交替的共晶体，合金Ⅱ室温组织为β+（α+β）。
由于固溶体溶解度的变化，从初晶或共晶的α会析出β，（α+β）共晶保持共晶的特征，经4%硝酸酒精浸蚀，黑色为α相，白色为β3． Sn-Sb合金图7为Sn-Sb合金状态图，从图中可知，Sn-Sb在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，具有如下两个包晶反应：其中β是金属化合物SnSb，冷却到325～320℃间转变为有序相β′；α是Sb在Sn中的固溶体；γ是Sn在Sb中的固溶体。
合金Ⅰ，室温显微组织为α固溶体的基体上分布由β′相，有时能看到β′呈枝晶状（达不到平衡条件所至）且在其上观察到αⅡ。
合金Ⅱ，冷却时首先析出γ固溶体，到425℃进行包晶反应，生成β相（包晶），反应结束仍有过剩液相，随后冷却过程，液相不断结晶成β，一直到结晶完毕，继续冷却β转变为β′。
若是平衡条件下最后得到均匀的单相组织β′。
但在包晶转变过程中，扩散极为困难，达不到平衡条件，所以当试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，往往能看到白色的外包着灰色的β（富Sb）而基体为L转变成的β（暗黑色，富Sn）。
三、实验材料及设备1．典型试样（见下表）2．金相显微镜四、实验步骤及内容1．熟悉匀晶、共晶、包晶三类相图2．结合相图对已制好的典型试样进行观察3．绘制典型合金的组织示意图五、实验报告要求1．绘制六种典型合金的组织示意图，用箭头标明示意图中所示的组织，并注明处理状态、腐蚀剂和放大倍数。
二元合金组织观察与分析
材料名称：30Sb-70Pb 处理过程：铸态 慢冷 金相组织：β +(α +β )共晶
Sn-Sb室温组织（12wt.%;20wt.%）
材料名称：12Sb-88Sn 处理过程：铸态 金相组织： (β -Sn )+β ′Ⅱ+β ′Ⅰ(少量) + (β -Sn)
Ⅱ(少
ห้องสมุดไป่ตู้
材料名称：20Sb-80Sn 处理过程：铸态 金相组织： (β -Sn)+ β ′＋ β ′ +β -Sn
3.二元合金显微组织分析
匀晶相图（Ni－Cu合金） 共晶相图（Pb－Sb合金） 包晶相图（ Sn － Sb合金）
Cu-30%Ni的室温组织 （匀晶转变）
材料名称：30Ni-70Cu 处理过程：铸态 金相组织：树枝状偏析的单相固溶体
树枝晶
形成机理：由于凝固时选择结晶，晶体 前沿液体中出现成分过冷，形成负的温 度梯度，再加上冷速较快，溶质原子来 不及充分扩散。 对性能的影响：对铸造高温合金有益， 能够提高高温强度；对一般的塑性变形 合金锻压时，会增加形变阻力。 消除方法：可用扩散退火的方法减小或 消除，使溶质原子充分扩散。
(少量)
实验报告要求： 1.描绘匀晶（Ni-Cu）、共晶(Pb-Sb)、包晶 (Sn-Sb)样品的显微组织，在图下注明材料名 称、处理状态、浸蚀剂、放大倍数和组织名 称，并用箭头把组织名称标在组织图上。 2.根据相图分析各种组织的形成过程。
处理过程：15mm金属模(室温)加A2O3700℃浇注随模冷却 注：加入有效形核剂，非均匀形核增加，有利于中心等轴晶 的形成，并使晶粒细化。
处理过程：15mm金属模(室温)700℃浇注 模底水冷 注：定向散热有利于柱状晶的形成
实验02-凝固界面
实验目的1. 观察Al-Cu 二元合金凝固界面演化过程，认识平界面、胞状界面和枝晶状界面凝固方式，掌握工艺参数对界面形态的影响规律；2. 实验测定Al-Cu 二元合金凝固界面前沿的溶质分布，加深对成分过冷判据的认识。
实验内容1. 了解Bridgman 定向凝固装置的基本结构、功能与简单操作；2. 进行Al-Cu 二元单相合金平界面、胞状界面和枝晶状界面的三次凝固实验；3. 对Al-Cu 二元单相合金的凝固界面形态及平界面凝固界面前沿的Cu 分布进行观察与测定。
实验原理在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固-液界面前沿，液相中的成分有所差别，导致固-液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。
这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的。
温度梯度增大，成分过冷减小。
成分过冷必须具备两个条件：第一是固-液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固-液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。
对合金而言，其凝固过程同时伴随着溶质再分配，液体的成分始终处于变化当中，液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平衡温度，这种关系有合金的平衡相图所规定。
利用“成分过冷”判断合金微观的生长过程。
在固相无扩散，液相有限扩散条件下的定向凝固过程中，保持平界面凝固的成分过冷判据为：G L /R≥-m L (1-k)C 0/kD L .其中G L 为凝固界面前沿温度梯度，R 为凝固速率，m L 为液相线斜率，k 为溶质平衡分配系数，C 0为溶质浓度，D L 为溶质扩散系数。
小成分过冷为胞状凝固，大成分过冷为枝晶凝固。
实验设备和材料Bridgman 定向凝固装置实验步骤1.选定一种成分的Al-Cu二元单相合金，根据有关热力学参数设计分别进行平界面、胞状界面和枝晶状界面凝固的实验参数，按设计的实验参数进行三次定向凝固实验。
2.将所做三次实验的凝固试样剖开，制成金相试样，利用金相显微镜观察凝固界面形态。
二元系合金的显微组织分析实验指导书
二元系合金的显微组织分析实验指导书一、实验目的1）掌握根据相图分析合金凝固组织的方法。
2）熟悉典型共晶系合金的显微组织特征。
3）了解初晶及共晶形态。
4）分析二元合金的不平衡凝固组织，掌握其组织特征及某与平衡组织的差别二、原理概述研究合金的显微组织时，常根据该合金系的相图，分析其凝固过程，从而得知合金缓慢冷却后应具有的显微组织。
显微组织是指各组成物的本质、形态、大小、数量和分布特征。
特征不同，即使组成物的本质相同，合金的性能也不一样。
具有共晶反应的二元合金系有：Pb-Sb、Pb-Sn、Al-Si、Al-Cu、Cu-O、Zn-Mg等。
根据合金在相图中的位置，可分为端部固溶体、共晶、亚共晶和过共晶合金来研究其显微组织特征。
1、端部固溶体合金端部固溶体合金位于相图两端。
如Pb-Sn相图中含锡的质量分数小于19％的合金，见图3-1；Pb-Sb相图中含锑的质量分数小于3.5％的合金，见图3-2。
这类合金慢冷凝固终了得到单相固溶体α，继续冷却到固溶度曲线以下，将析出二次相βⅡ，一般合金中的二次相常呈粒状或小条状分布在α固溶体的晶界和晶内。
图3-3为含锡10％的Pb-Sn合金的显微组织，其中暗色的基体为铅基固溶体α，亮色颗粒为二次相β，记为βⅡ，β是以锡为基体的固溶体。
图3-1 Pb-Sn相图图3-2Pb-Sb相图图3-3 Pb-10%Sn合金的显微组织2、共晶合金位于二元相图中共晶点成分的合金液体L E 冷至共晶温度t E 时，发生共晶反应，b a t E EL βα+→凝固终了得共晶体组织。
共晶体是由两种一定成分的固相（b a βα+）组成，两相的本质和成分可由相图上得知。
如Pb-Sn 合金的共晶体中两个相的本质分别为以铅和锡为基的固溶体α和β，在共晶温度时，α和β中锡的质量分数分别为19％和97.5％（见图3-1）。
而在Pb-Sb 合金中，由于铅在锑中的固溶度很小，β相的成分接近纯锑，故其共晶体由α＋Sb 所组成。
二元三元合金显微组织观察
10%Sn-90%Pb% 合金 α+ βⅡ 500×
5%Pb-Sn合金
离异共晶 500×
38.1%Pb-61.9%Sn合金
层状共晶 500×
50%Pb-50%Sn合金
黑色α枝晶 +（α+β）共晶+βⅡ 500×
50%Pb-50%Sn合金
黑色α枝晶 +（α+β）共晶+βⅡ 100×
30%Pb-70%Sn合金
Ⅱ Ⅱ
侵蚀剂 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液 胞状（离异）共晶
5
6 7 8 9
30%Pb+70%Sn
5%Pb+66%Bi+29%Sn 16%Pb+58%Bi+26%Sn 25%Pb+60%Bi+15%Sn 32%Pb+51%Bi+17%Sn
白色β 卵状组织＋（α ＋β ）共晶 ＋α Ⅱ
32%Pb-51%Bi-17%Sn合金 三元共晶（Bi+Sn+Pb)共晶 500 ×
含Sn量小于19%的合金
由相图可见，含Sn量为10%的合金Ⅰ缓慢冷却至 液相线(点1）时，从液体中结晶出α固溶体。当合金 冷却到固相线（点2）时，全部结晶成α固溶体。当 温度继续下降到固相线（点3）以下时，剩余Sn以β 固溶体的形式从α固溶体中析出。这种从α固溶体中 析出的β相叫做次生的β固溶体，并以βⅡ表示。 10%Sn-Pb合金的显微组织为：黑色是基体为α相、白 色的颗粒为βⅡ。
共晶合金
含61．9％Sn的Pb—Sn合金Ⅱ，它从液态缓慢冷却 时，在共晶温度发生共晶转变，直到液相完全消失为 止。所得到的共晶组织：由α和β两种固溶体组成， 它们的相对量可用杠杆定律计算：
二元合金显微组织分析
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-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-20⅜Ni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。
实验四 二元合金组织观察
实验四二元合金组织观察目的1．加深对二元合金相图的认识，学习利用相图分析合金的铸态组织；2．学习显微组织示意图的绘制方法。
一、相图及相关的组织转变铸造组织就是从液态冷却凝固后未进行其它有改变组织的处理，如冷态压力加工、热处理等，所以其组织可以直接用相图的凝固冷却过程的组织变化来分析。
1．固溶体的凝固时，析出的固相成分和原液体有一定的差别。
金属的结晶生长通常都是以树枝晶方式，未达到平衡时便有晶内偏析，成树枝状分布。
2．共晶转变是液体可以在恒温下，同时析出两固相，其产物为两相交替分布的共晶体。
由于构成共晶体的两相自身的性能差别，形成的共晶体的形貌也各不相同。
常见的有层片、棒状、纤维、球状、针状、骨骼状、螺旋状等。
3．具有共晶转变的非共晶成分的合金，在平衡冷却时，共晶转变前有先共晶的初生相析出，它们在液体中自由生长，到达共晶温度剩余液体发生共晶转变，生成的共晶体填充剩余空间，所以初生相保留生长的形状。
一般金属性强的往往一树枝状生长，形貌为排列有一定规律的卵圆形；呈非金属强的初生相生长成多面体，观察形貌为多边形。
4．具有包晶转变时，剩余的初生固相通常在生成相的晶粒内部，由于包晶反应的消耗，初生相为残缺不全。
二、实验内容观察几种典型合金的铸造组织形貌，①．Cu－Sn6%合金较快冷却凝固组织，认识枝晶偏析组织。
②．Pb－Sb12.6％共晶组织，由于锑几乎接近非金属，对铅的溶解度较小，呈现亮色针状，黑底为铅为基的固溶体。
③．Pb－Sb5％合金有暗色树枝状的铅为基的固溶体初晶析出。
④．Pb－Sb75％合金有亮色块状的锑为基的固溶体初晶析出。
⑤．Cu－Zn36％合金，常称两相黄铜，具有包晶转变。
组织中暗色的为残余α相，亮色的是包晶转变生产的β相。
⑥．Cu－Sb70%合金也是具有初生行析出后发生共晶转变，其初生相为化合物η相(Cu2Sb),组织中初生相为粗片，片间有层片状的共晶体。
三、实验报告要求画出前五个组织示意图，每一个注明组织特征，简述形成组织的原因(或过程)。
二元合金的显微组织
实验三二元合金的显微组织（Microstructures of Binary Alloys）实验学时： 1 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的运用二元共晶型相图，分析相图中典型组织的形成及特征。
二、概述二组元在液态下互溶，而在固态下有限互溶，且具有共晶转变特征的相图叫二元共晶相图。
本次实验，以Pb—Sn系合金相图为例分析共晶、亚共晶、过共晶等不同成分合金的结晶过程及结晶后所形成组织的特征。
简略相图如下：1.共晶合金含Sn61.9%的合金为共晶合金（图中合金I）。
当从液态缓慢冷却时，在温度Te发生共晶转变，既Le aB d两个固溶体组成。
它们c+p d。
这一过程在Te温度下一直到液相完全消失为止。
所得到的共晶组织由 a c和的相对量可用杠杆定律计算：继续冷却时，将从a和B中分别析岀B □和a 口。
由于从共晶体中析岀的次生相常与共晶体中的同类相混在一起，很难分辨，这样，在结晶过程全部结束时合金获得非常细密的两相机械混合物。
样品制备中的腐蚀剂是4%的硝酸酒精，显微镜中，a 相呈暗色，b 相呈亮色。
参见图3-1 。
（3-1 ）铅锡二元共晶（3-2）铅锡二元亚共晶2.亚共晶合金凡成分位于共晶点e以左，c点以右的合金（如图中的合金H）叫亚共晶合金。
合金H熔化后在液相线与固相线之间缓慢冷却时，不断地从液相中结晶岀a固溶体。
随着温度的下降，液相成分沿ac线变化，逐渐趋向于e点；a相的成分沿固相线ac变化，并逐渐趋向于c点。
当温度降到共晶温度时，a相和剩余液相的成分将分别到达c点和e点。
这时，成分为e点的液相发生前述的共晶转变，直到剩余液相全部转变为共晶组织为止。
这时，亚共晶合金的组织是由先共晶 a 相和共晶体（a + P ）所组成。
在共晶温度以下继续冷却的过程中，将分别从a和P相中析岀和a「。
在显微镜下，除了从先共晶a相晶粒内或边界上析岀的p n有可能观察到外，共晶组织中析岀的B n和a n —般不易辨认。
【VIP专享】二元三元合金组织_666201828
实验二 二元和三元合金组织分析一、实验目的1. 学会运用二元和三元相图分析平衡态组织，熟悉典型组织及其特征。
2. 了解三元合金的显微组织与相应的三元相图的关系。
3. 学会运用三元相图的液相面等温线投影图分析合金的结晶过程及结晶后的组织特征。
二、实验内容观察Pb-Sn 二元合金在不同成分下的组织特征，观察Pb-Sn-Bi 三元合金在不同成分下的组织特征。
1. Pb—62%Sn 合金2. Pb—40%Sn 合金3. Pb—80%Sn 合金4. Al—10~13%Si 合金5. 10%Pb—20%Sn—70%Bi 合金6. 16%Pb—26%Sn—58%Bi 合金7. 20%Pb—10%Sn—70%Bi 合金三、思考题1. 亚共晶、共晶、过共晶合金的平衡组织是什么？初生相有不同？2. 二元和三元固溶体析出转变与共晶转变的自由度数有无差别，原因何在？3. 如何表示三元合金的成分？4. 在三元相图中，变温截面图、等温截面图及液相面投影图起什么作用？5. 三元共晶组织有什么特点？四、实验报告要求：1．画出所观察样品的典型组织，注明组织，并说明组织特征。
2．结合二元相图和三元投影图，分析组织形成条件，并说明观察的三元合金的结晶过程。
五、参考内容（一） Pb-Sn 二元合金1．共晶合金（Pb-62%Sn ）合金由图1可知含Sn 62% 的合金为共晶合金。
该成分合金从液态缓慢冷到183℃时，液相（L E ）中Pb 和Sn 饱和，在液相中同时结晶出α (Pb)和β (Sn)两种共溶体，即发生共晶转变：N M E L βα+→，这一过程在恒温下进行直至凝固完毕，该合金平衡凝固过程示意见图2。
此时共晶体由αM 和 βN 两种固溶体组成。
其组织为两相以层片状交替分布。
Pb-62%Sn 合金中黑色为α相，白色为β相。
显微组织如图3所 示。
图1 Pb-Sn 相图图2 Pb-Sn 共晶合金平衡凝固过程示意图图3 Pb-Sn 共晶合金的显微组织2. 亚共晶合金（Pb—40%Sn ）合金由图1相图中可知，成分位于共晶点E 以左，M 点以右的合金叫做亚共晶合金，当温度下降时，α 固溶体从液相中不断析出，此时液相L 的成分沿液相线AE 变化，α 固溶体的成分沿固相线AM 变化。
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实验六：二元合金组织观察
一、实验目的
观察几种不同类型的二元合金显微组织，结合状态图分析讨论各类合金的组织特点
二、实验说明
1． Cu-Ni合金
铜和镍两组元在液态及
固态下都能无限互溶，
在L+α两相区，自由度
为1，结晶是在一个温度
区内进行的（图5所示）。
任一Cu-Ni合金由液态
极缓慢地冷却到室温
时，可得到均匀的单相
α固溶体，但在快速冷
却（生产条件）时，扩
散未能充分进行，使凝
固过程偏离平衡条件而
出
现枝晶偏析，显微组织呈树枝状组织，枝干为富Ni的α（高熔点组元先凝固），
枝间为富Cu的α（低熔点组元多）
2． Pb-Sn合金
Pb-Sn合金为液态下无
限溶解，固态下有
限互溶的共晶系（图6）。
当缓慢冷却时，合
金按照相图平衡凝固。
合金Ⅰ为共晶组织
（α+β），室温下全部
为层片交替的共晶体，
合金Ⅱ室温组织为β+
（α+β）。
由于固溶体
溶解度的变化，从初晶
或共晶的
α会析出β，（α+β）共晶保持共晶的特征，经4%硝酸酒精浸蚀，黑色为α相，
白色为β
3． Sn-Sb合金
图7为Sn-Sb合金状态
图，从图中可知，
Sn-Sb在液态下完全互
溶，在固态下有
限互溶，具有如下两个
包晶反应：
其中β是金属化合物
SnSb，冷却到325～
320℃间转变为有序相
β′；α是
Sb在Sn中的固溶体；γ是Sn在Sb中的固溶体。
合金Ⅰ，室温显微组织为α固溶体的基体上分布由β′相，有时能看到β′呈枝晶状（达不到平衡条件所至）且在其上观察到αⅡ。
合金Ⅱ，冷却时首先析出γ固溶体，到425℃进行包晶反应，生成β相（包晶），反应结束仍有过剩液相，随后冷却过程，液相不断结晶成β，一直到结晶完毕，继续冷却β转变为β′。
若是平衡条件下最后得到均匀的单相组织β′。
但在包晶转变过程中，扩散极为困难，达不到平衡条件，所以当试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，往往能看到白色的外包着灰色的β（富Sb）而基体为L转变成的β（暗黑色，富Sn）。
三、实验材料及设备
1．典型试样（见下表）
2．金相显微镜
四、实验步骤及内容
1．熟悉匀晶、共晶、包晶三类相图
2．结合相图对已制好的典型试样进行观察
3．绘制典型合金的组织示意图
五、实验报告要求
1．绘制六种典型合金的组织示意图，用箭头标明示意图中所示的组织，并注明处理状态、腐蚀剂和放大倍数。
2．根据观察到的组织分析平衡凝固与非平衡凝固室温组织的特征。