二元合金显微组织分析Word文件下载.docx
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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，
1
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-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4-1aCu-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。
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。
1.65％，
Al-Si
共晶硅
图4-2aAl-Si二元系相图
4
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。
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（Fe２Si２Al９）和（Fe３SiAl１２）。
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4-3aAl-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
图4-3bAl-Fe二元系相图
Mg-Zn二元相图（图4-4）比较复杂，其中某些转变至今尚未完全确定。
富镁端于343℃进行共晶转变：
L→α＋Mg2Zn3；
330℃时，发生共析转变：
Mg2Zn3→α＋MgZn。
MgZn化合物具有六方结构，α＝5.33?
，ｃ＝17.16?
，熔点为349℃。
在共晶温度下，锌在镁中溶解度为8.4%，300℃时为6.0%，250℃时为3.3%，200℃时为2.0%，150℃时为1.7%，室温下则小于1.0%。
在Mg-Zn系中强化相为MgZn，它对合金性能的影响与Mg１７Al１２对Mg-Al系的影响相似，但MgZn在Mg-Zn系中强化效果更大一些。
在富Zn端于381C进行包晶反应：
L＋
（MgZn2）→Mg2Zn11，于364C进行共晶反应：
L→Zn＋Mg2Zn11。
Zn-3%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。
上
图4-6bCu-0.5%O合金显微组织
图4-6aCu-O
二元合金相图
状态：
铸态，腐蚀剂：
未蚀
组织分析：
初晶Cu+共晶100
图4-8aCu-Ti二元合金相图
图4-7aCu-P二元合金相图
图4-7Cu-P二元合金相图
图4-8bCu-10.28%Ti合金显微组织
状态：
铸态
腐蚀剂：
硝酸高铁酒精溶液
放大倍数：
200
（+Cu3Ti）共晶+Cu3Ti初晶
隐蔽共晶是指当初晶比例很大、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，只见一相孤独地分布在另一相上或晶间
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、互相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4-10a）即属此类。
图4-10aCu-10%Al合金的显微组织
铸造
0.5%HF水溶液
100
（Cu）初晶+Al4Cu9
图4-10bAl-Cu二元系相图
2.4二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，初晶相和周围溶液反应，形成新相，反应在固相——液相界面上发生，组织中出现包晶反应生成物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扩散，继续进行包晶转变，因此，最后可得到均匀的多边形晶粒，与单相固溶体组织相比，组织上并没有特殊之处。
当铸造生产时，冷却比较快的条件下，扩散来不及充分进行，凝固的组织中常常看到残留的、被包晶反应形成的新相所包围的先结晶固相。
对于非包晶成分的合金，具有过量的先结晶固相时，即使缓慢冷却，也会出现“包晶”组织。
快速凝固时，先结晶相的残留量增多（图4-11）。
图4-11aFe-16%Sb合金的显微组织状态：
铸造腐蚀剂：
3%硝酸酒精溶液放大倍数：
100组织分析：
包晶反应不平衡组织
+隐蔽共晶
10
2.5二元合金中非平衡共晶组织特征
固溶体区的合金，由于冷却较快出现共晶如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，在晶界处出现了非平衡共晶。
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、隐蔽共晶组织、晶内偏析都属于非平衡组织，经扩散退火，可促使组织趋向平衡状态。
Al-Mn系（相图见图4-12a）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4-12b所示。
根据相图可知，这种合金含Mn在1.0~1.6%的范围内，平衡组织应为+（MnAl6），其中的相是降温时从相中脱溶析出的。
当冷却速度较快时，余留液相的成份点右移，从而在相晶粒边界出现共晶组织，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+（MnAl6），组织组成为初晶（MnAl6）+
（+）共晶（图4-13a）；
在半连续铸造条件下，包晶反应L+（MnAl4）（MnAl6）不完全，因
而出现（MnAl6）包围（MnAl4）的不完全包晶组织（图4-13b），所以，最终的组织组成物为（包）+（+）共晶。
三．实验步骤
学完二元系相图后，进行本实验，由实验室提供一组试样，同学们利用二元相图，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。
12
图4-12aAl-Mn二元系相图
10%NaOH水溶液
340
+（MnAl6）+（+）共晶
四．实验报告内容
1.在观察后，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）记录下来。
2.简要说明观察过程的实验技巧、体会。
表4-1实验结果记录表
序号
合金系成分
状态等
由二元相图分析该合金组织
（画出示意图）
金相显微镜下所观察的组织
说明：
2
３
４
５
13
６
７
参考文献
1．梁克中．金相原理与应用．中国铁道出版社：
1983年．
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