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1、 7实验二实验二 二元和三元合金组织分析二元和三元合金组织分析 一、实验目的一、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. Pb62%Sn 合金 2. Pb40%Sn 合金 3. Pb80%Sn 合金 4. Al1013%Si 合金 5. 10%Pb20%Sn70%Bi 合金 6. 16
2、%Pb26%Sn58%Bi 合金 7. 20%Pb10%Sn70%Bi 合金 三、思考题三、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：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、参考内容五、参考内容 （一）（一） Pb-Sn 二元
3、合金二元合金 1共晶合金（共晶合金（Pb-62%Sn）合金）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 （LE）中 Pb 和 Sn 饱和，在液相中同时结晶出 (Pb)和 (Sn)两种共溶体，即发生共晶转变：NMEL，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 和 两种固溶体组成。其组织为两相以层片状交替分布。Pb-62%Sn 合金中黑色为相，白色为相。显微组织如图 3 所 示。 8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
4、共晶合金（亚共晶合金（Pb40%Sn）合金）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， 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， 固溶体的成分沿固相线 AM 变化。随着温度的继续下降，液相逐渐减少，而相不断增多。剩余的液相成分达到 E 点，此时便发生共晶转变，即NMEL。 此反应一直进行到液相全部形成共晶为止。此时合金由初生的固溶体()和共晶体所组成。当合金继续冷却时，由于固溶体溶解度的的改变，从 固溶体（包括初生 和共晶体中的）内不断析出,而从 固溶体（共晶体9中）不断析出 直至室温。由于和析出量不多，可能在
5、原共晶相生长，因此除了在初生的 固溶体中可看到之外，共晶组织的特征基本保持不变。Pb-40%Sn亚共晶合金的室温组织为：初生 相加共晶和二次 相；初生 相为黑色树枝状结晶。共晶为典型黑白相间层片状，与合金 1 中的共晶组织相同。 3. 过共晶合金（过共晶合金（Pb-80%Sn）合金）合金 由图 1 的相图中可知，成分位于共晶点 E 以右，点以左的合金叫做过共晶合金。其平衡凝固过程及显微组织与亚共晶合金类似，只是初晶为 固溶体，而不是 固溶体，由于 Pb 在Sn 中的溶解度变化不大，因此很少见二次，在初生 相周围。Pb-80%Sn 过共晶合金的室温组织为：初生 相和共晶。初生 相为白色，共晶为典
6、型黑白相间层片状，与合金 1 中的共晶组织相同。 图 4 Pb-Sn 过共晶合金的显微组织 （二）（二）lSi 二元合金二元合金 铝硅合金铝硅合金是应用最广泛的一种铸造铝合金， 常称为硅铝明， 典型牌号为： ZL102含硅量在 1113， 如图 5 所示。 从铝硅合金相图可知， 其成分在共晶点附近 （共晶点： 11.7） ，因而有良好的铸造性，即流动性较好，产生铸造裂纹的倾向小。但铸造后得到的组织是粗大针状的硅晶体和 固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体；如图 6 所示。粗大的硅晶体极脆，因而严重地降低了合金的韧性与塑性。为了改善合金的性能，可采用变质处理，即在浇铸前在合金液体中加入
7、占合金重量23% 的变质剂 （常用的变质剂有： 2/3Na F+1/3NaCl 的钠盐混合物），由于钠能促进 Si 的生核，并能吸附在硅的表面阻碍它长大，使合金组织大大细化，同时，使共晶点右移，而原合金成分变为亚共晶成分（如图 5 中虚线所示），所以变质处理后的组织有初生相固溶体和细密的共晶体（Si）组织，共晶中的硅细化，因而使合金的强度与塑性显著改善。lSi 合金变质处理后的显微组织，如图 7 所示。 10图 5 AlSi 相图 图 6 Al-Si 合金变质前的显微组织 图 7 Al-Si 合金变质后的显微组织 （三）（三）Pb-Sn-Bi 合金合金 110%Pb-20%Sn-70%Bi 合
8、金合金 11此合金为三元合金，其相图如图 8 所示。图中：Bi、Pb、Sn分别表示纯组元，（Bi）、(Pb)、(Sn) 分别代表铋、铅、锡为溶剂的固溶体。10%Pb-20%Sn-70%Bi 合金的室温组织是：初生相 (Bi)、二元共晶(（Bi+Sn）和三元 共晶（Bi+Pb+Sn）组织所组成。初生相 (Bi)为白亮的块状，而在(Bi)的周围是：二元共晶(（Bi+Sn），在显微镜下呈黑白相间的形态，而三元共晶组织是最后结晶的组织，由于过冷度很大，形核率高，因而比二元共晶组织更细、颜色更暗一些，高倍下可观察到层片状形态。在显微镜下观察到的组织特征如图 9 所示。 图 8 Pb-Sn-Bi 三元合金
9、液相面投影图 图 9 10%Pb-20%Sn-70%Bi 合金显微组织 216%Pb26%Sn58%Bi 合金合金 具体结晶过程：此合金刚好位于二元共晶线上，在结晶过程中首先从液相中析出（Bi+Sn）12二元共晶组织，液相浓度沿 e2E 变化。当液体金属继续冷却到三元共晶 E 点的温度时，剩余液体全部转变为（Bi+Pb+Sn）三元共晶组织。所以最后得到的显微组织是：二元共晶（Bi+Sn）和三元共晶（Bi+Pb+Sn）。由于二元共晶先结晶，所以比三元共晶组织粗大，如图 10 所示。 图 10 16%Pb-26%Sn-8%Bi 合金的显微组织 320%Pb-10%Sn-70%Bi 合金合金 具体结
10、晶程：此合金结晶时，首先从液相中析出初生相 (Bi)，其液相浓度沿 AE 线方向变化。当液相继续冷却到三元共晶点 TE的温度时，就发生了三元共晶转变，即从液相中析出 了（Bi+Pb+Sn）三元共晶组织，直到剩余液相结晶完了为止。其室温下组织为初生相(Bi) （白亮块状）及三元共晶所组成，如图 11 所示。 图 11 20%Pb-10%Sn-70%Bi 合金的显微组织 附：附： （一）冷却速度对组织的影响：（一）冷却速度对组织的影响： 13平衡（炉冷）组织 (100) 快冷（空冷）组织 (100) 粗大树枝状初生 Pb 和共晶组织 细小树枝状初生 Pb 和细小共晶组织 图 10 40%Sn-60
11、%Pb 亚共晶合金 平衡（炉冷）组织 (100) 快冷（空冷）组织 (100) 粗大树枝状初生 Sn 和共晶组织 细小树枝状初生 Sn 和细小共晶组织 图 11 70%Sn 过共晶合金 (二二) 二元合金中初晶与共晶特征二元合金中初晶与共晶特征 初晶：在凝固过程中，初晶首先从液相中析出，其形态很大程度上由液-固界面性质而定，若初晶是固溶体或纯金属， 一般呈树枝状， 金相磨面上呈椭圆形或不规则形状。 初晶为亚金属、非金属或中间相，一般具有较规则外形(多边形、三角形、正方形、针状、棱形等)。 共晶：二元共晶内两相组成，由组成相本质凝固时冷却速度，组成相相对量不同，可构造 成多种形态，按组织形态分类有层片状、球状、点状、针状、螺旋状、树枝状、花朵状等。共 晶一般是两相共存，比初晶细。
