铁碳合金的显微组织及分析实验报告

铁碳合金的显微组织及分析实验报告摘要：依据铁碳相图分析了不同成分铁碳合金及其形貌特征 ,解释了如何鉴别细 网状铁素体和网状渗碳体，冷却速度对组织形貌和相对量有无影响，各类铸铁的 组织对性能有何影响等问题。关键词：铁碳合金 组织形貌 铁碳相图1 实验设备与材料光学显微镜， 标准试验样品若干2 实验原理2.1 铁碳相图2.2铁碳组织组成物铁素体 : 碳在体心立方铁中的固溶体6-Fe (C)和 a-Fe (C),通常也成 6 铁素体和a铁素体。奥氏体 : 碳在面心立方铁的固溶体Y-Fe (C) 珠光体:奥氏体从高温缓慢冷却时发生 共析转变所形成的，其立体形态为铁 素体薄层和碳化物 (包括渗碳体 )薄层 交替重叠的层状复相物。广义则包括 过冷奥氏体发生珠光体转变所形成的 层状复相物。在珠光体中铁素体占 88%, 渗碳体占 12%,由于铁素体的数量大大 多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳 体厚得多 .在球化退火条件下 ,珠光体 中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体 称为粒状珠光体。莱氏体:莱氏体是液态铁碳合金发生共 晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成 的共晶体，其含碳量为c = 4.3%。当 温度高于727C时，莱氏体由奥氏体和 渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于 727C时，莱氏体是由珠光体和渗碳体 组成，用符号Ld表示，称为变态莱氏 体。渗碳体:Fe和C形成的F化合物2.3 含碳量不同情况下的析出相及其 组织形貌。根据组织特点及含碳量的不同， 铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁 三大类。钢又可根据含碳量分为亚共 析钢、共析钢、过共析钢；铸铁根据 含碳量也可分为亚共晶白口铁、共晶 白口铁、过共晶白口铁。工业纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组 织。含碳量V0. 02 %的铁碳合金通常 称为工业纯铁，它为两相组织，即由 铁素体和极少量的三次渗碳体组成。 显微组织中的黑色线条是铁素体的晶 界，亮白色的基底是铁素体的不规则 等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不 连续的薄片状三次渗碳体。亚共析钢亚共析钢的含碳量在 0.02% 0.77%范围内，其显微组织是由铁素体 和珠光体组成。用 4%的硝酸酒精浸蚀 后，铁素体为亮白色，珠光体为暗黑 色。 随着含碳量的增加，组织中的铁 素体量逐渐减少，而珠光体的量不断 增加；当含碳量大于 0.60%时，铁素 体由块状变成网状分布在珠光体的周 围。根据含碳量，可以由杠杆定律求 得铁素体和珠光体的相对量。另外， 由显微镜中观察铁素体和珠光体各自所占面积的百分数，可近似地计算出 钢的含碳量，即，碳含量QPxO.77% 其中P为珠光体所占面积百分数。 共析钢含碳量为 0.77%的碳钢称为共析 钢，它由单一的珠光体组成。 过共析钢过共析钢的含碳量在 0.77% 2.11%，它在室温下的组织由珠光体和 二次渗碳体组成。钢中含碳量越多， 二次渗碳体数量就越多。经硝酸酒精 浸蚀后，二次渗碳体呈亮白色网分布 在珠光体的周围。亚共晶白口铸铁含碳量是 2.11%4.3%，在室温 下的组织由珠光体、 二次渗碳体和变 态莱氏体所组成。经硝酸酒精浸蚀后， 组织呈现：暗黑色的树枝状的珠光体 （枝晶态）和斑点状变态莱氏体，二 次渗碳体的空间位置是在珠光体的周 围，但形态上与共晶渗碳体无法区分。 共晶白口铸铁含碳量为 4.3%，室温下的组织由 单一的变态莱氏体组成。经浸蚀后， 显微组织为暗黑色粒状或条状珠光体 分布在亮白色的渗碳体的基底上。有 时通俗地称为“斑点组织”。 过共晶白口铁含碳量为 4.3%6.69%，在室温下 的组织是一次渗碳体和变态莱氏体。 经浸蚀后，一次渗碳体呈亮白色的粗 大条片状分布于斑点状的变态莱氏体 的基底上。2.4铸铁的分类及分类标准 根据碳在铸铁中存在形式的不 同，铸铁可分为1. 白口铸铁 碳除少数溶于铁素体 外，其余的碳都以渗碳体的形式存在 于铸铁中，其断口呈银白色，故称白 口铸铁。目前白口铸铁主要用作炼钢 原料和生产可锻铸铁的毛坯。2. 灰口铸铁 碳全部或大部分以片 状石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰 色，故称灰口铸铁。3. 麻口铸铁 碳一部分以石墨形式 存在，类似灰口铸铁；另一部分以自 由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。 断口中呈黑白相间的麻点，故称麻口 铸铁。这类铸铁也具有较大硬脆性， 故工业上也很少应用。根据铸铁中石墨形态不同，铸铁 可分为1. 灰口铸铁 铸铁中石墨呈片状存 在。2. 可锻铸铁 铸铁中石墨呈团絮状 存在。它是由一定成分的白口铸铁经 高温长时间退火后获得的。其机械性 能（特别是韧性和塑性）较灰口铸铁 高，故习惯上称为可锻铸铁。3. 球墨铸铁 铸铁中石墨呈球状存 在。它是在铁水浇注前经球化处理后 获得的。这类铸铁不仅机械性能比灰 口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可 锻铸铁简单，而且还可以通过热处理 进一步提高其机械性能，所以它在生 产中的应用日益广泛铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织名称石墨化程度第一阶段第二阶段第三阶段充分进行充分进行充分进行灰口铸铁充分进行充分进行部分进行F+GF+P+G显微组织麻口铸铁白口铸铁充分进行充分进行不进行P+G部分进行部分进行不进行Le +P+G不进行不进行不进行Le+P+Fe3C2.5金相侵蚀原理及常用侵蚀剂纯金属及单相合金的腐蚀是一个 化学溶解的过程。由于晶界上原子排 列不规则，具有较高自由能，所以晶 界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出 来，在显微镜下可以看到多边形的晶 粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向 不同，不同的晶面溶解速率不同，腐 蚀后的显微平面与原磨面的角度不 同，在垂直光线照射下，反射进入物 镜的光线不同，可看到明暗不同的晶 粒。两相合金的腐蚀主要是一个电化 学腐蚀过程。两个组成相具有不同的 电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微 小的局部电池。具有较高负电位的一 相成为阳极，被溶入电解液中而逐渐 凹下去；具有较高正电位的另一相为 阴极，保持原来的平面高度。因而在 显微镜下可清楚地显示出合金的两 相。常用侵蚀剂 硝酸酒精溶液 适用范围:碳钢及低合金钢，能清晰的 显示铁素体晶界 苦味酸酒精溶液:适用范围：碳钢及低合金钢，能清晰的显示珠光体和碳化3实验过程观察如下合金的显微组织图并画出示意图序号类别合金牌号浸蚀剂1工业纯铁4%硝酸酒精溶液2亚共析钢204%硝酸酒精溶液3454%硝酸酒精溶液4604%硝酸酒精溶液5共析钢T84%硝酸酒精溶液6过共析钢T124%硝酸酒精溶液T12碱性苦味酸溶液7亚共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液8共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液9过共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液4实验结果及讨论1 a -Fe显微组织图3 45 钢显微组织图热处理：退火态显微组织：a -固溶体 侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍凝固过程：WcWO. 0218 %的奥氏体， 缓冷至 GS 线对应的温度时 ,开始从 奥氏体中析出铁素体.随着温度的下 降 ,由于铁素体的不断析出 ,奥氏体 的含碳量逐渐增多.铁素体和奥氏体的 含碳量分别沿 GP 线和 GS 线变化,冷至 GP 线 ,奥氏体全部转化 为铁素体.2 20 钢显微组织图热处理：退火态显微组织：a -铁素体+珠光体 侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍热处理：退火态显微组织：a -铁素体+珠光体 侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍说明：黑色部分为珠光体，白色部分 为铁素体。由于放大倍数不够，珠光 体片层结构不明显。说明：黑色部分为珠光体，白色部分 为铁素体。由于放大倍数不够，珠光 体片层结构不明显。凝固过程：Wc0.20%的奥氏体，缓 冷至 GS 线对应的温度时 ,开始从奥 氏体中析出铁素体 .随着温度的下降 与铁素体的不断析出 ,奥氏体的含碳 量逐渐增多.铁素体和奥氏体的含碳量 分别沿 GP 线和 GS 线变化 , 冷至 PS K线对应的温度(727 C)时，奥氏 体发生共析转变 ,生成珠光体 . 当冷 至 PS K 线对应 温 度 时 ,发生共 析转变 ,生成珠光体.。由杠杆原理知， 铁素体含量约为 75.9%。4 60 钢显微组织图热处理：退火态显微组织:a -铁素体+珠光体 侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍凝固过程：Wc0.45%的奥氏体，缓 冷至 GS 线对应的温度时 ,开始从奥 氏体中析出铁素体 .随着温度的下降 与铁素体的不断析出 ,奥氏体的含碳 量逐渐增多.铁素体和奥氏体的含碳量 分别沿 GP 线和 GS 线变化 , 冷至 PS K线对应的温度(727 C)时，奥氏 体发生共析转变 ,生成珠光体 . 当冷 至 PS K 线对应 温 度 时 ,发生共 析转变 ,生成珠光体.。由杠杆原理知， 铁素体含量约为42.0%。说明：黑色部分为珠光体，白色部分 为铁素体。由于放大倍数不够，珠光 体片层结构不明显。凝固过程：Wc0.45%的奥氏体，缓 冷至 GS 线对应的温度时 ,开始从奥 氏体中析出铁素体 .随着温度的下降 与铁素体的不断析出 ,奥氏体的含碳 量逐渐增多.铁素体和奥氏体的含碳量 分别沿 GP 线和 GS 线变化 , 冷至 PS K线对应的温度(727 C)时，奥氏 体发生共析转变 ,生成珠光体. 当冷 至 PS K 线对应 温 度 时 ,发生共 析转变 ,生成珠光体.。由杠杆原理知， 铁素体含量约为 25.7%。5 T8 钢 热处理：退火态 显微组织：珠光体 侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍说明：图中片层状结构为珠光体，白 色线为晶界凝固过程：Wc1.2%的奥氏体，缓冷 至 ES 线对应的温度时 ,奥氏体中的 含碳量达到饱和而开始析出二次渗碳 体.随着温度的下降 ,二次渗碳体不断 析出 ,致使奥氏体的含碳量逐渐减少 奥氏体的含碳量沿 ES 线变化.当冷 却到 PS K 线对应的温度时奥氏体碳 质量分数减至 0. 77 % ,发生共析转 变 ,生成珠光体。由于硝酸酒精溶液侵 蚀，显示出白色晶界。7 T12 钢热处理：退火态显微组织：珠光体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：从图中可以看出珠光体片层结 构凝固过程： Wc = 0. 76 %的奥氏体,缓 冷至 S 点对应的温度(727 C )时,奥 氏体发生共析转变,生成珠光体.6 T12 钢热处理：退火态 显微组织：珠光体 侵蚀条件：碱性苦味酸溶液 原放大倍数：400倍说明：图中黑线为晶界凝固过程：Wc1.2%的奥氏体，缓冷 至 ES 线对应的温度时 ,奥氏体中的 含碳量达到饱和而开始析出二次渗碳 体.随着温度的下降 ,二次渗碳体不断 析出 ,致使奥氏体的含碳量逐渐减少 , 奥氏体的含碳量沿 ES 线变化 .当冷 却到 PS K 线对应的温度时奥氏体碳 质量分数减至 0. 77 % ,发生共析转 变 , 生成珠光体。由于碱性苦味酸染 色，图中只显示出晶界。体 ,再 冷至 PS K 线对 应的温度(727 C)时，高温莱氏体转变为低温 莱氏体.9 共晶白口铁8 亚共晶白口铁热处理：退火态 显微组织：珠光体 +低温莱氏 体侵蚀条件：碱性苦味酸溶液 原放大倍数：400倍说明：基体为黑白相间分布的变态莱 氏体，黑色树枝状为初晶奥氏体转变 成的珠光体，白色为二次渗碳体与共 晶渗碳体连在一起，不易分辨。 凝固过程：11 % Wc 4. 3 %的铁碳合金 , 由液体缓冷到 CD 线对应的温度时 , 从液相中开始结晶出一次渗碳体.冷至 ECF线对应的温度(1 148 C)时，剩 余液相成分达到共晶点成分( Wc = 4. 3 %) , 发生共晶转变 , 生成高温莱氏 体 , 再 冷 至 PS K 线 对 应 的 温 度 (727 C)时，高温莱氏体转变为低温 莱氏体.5 思考题5.1 怎样鉴别 0.7wt%C 合金的网状铁 素体和 1.3wt%C 合金的网状渗碳体。1 化学试剂侵蚀法：在碱性苦味酸 钠水溶液中，将被测试样浸入其中煮 沸 5min 左右，取出水冲干净并吹干， 若白色网变为黑色或更深的黑色，则 确定为碳化物，若其颜色不变仍呈白 色(不受浸蚀)为铁素体相。2 硬度法：已知铁素体的硬度为 80HBS，渗碳体的硬度为800HBW,通过 测量硬度可鉴别铁素体和渗碳体。5.2 冷却速度对组织形貌和相对量有 无影响？并举例说明。有。例如,在强磁场下冷却速度 对 Fe 一 012C 合金显微组织的影 响的研究中。在 12 T 强磁场作用下 Fe 一 012C 合金中的珠光体团的长轴 方向沿磁场方向平行且伸长的程度随 其冷却速度增大而减弱,因为冷却速 度大的试样的先共析铁素体晶核的形 核率较高,使其先共析铁素体晶核之 间的距离较小,导致铁素体晶粒沿磁 场方向伸长且呈链状排列的程度减 弱强磁场热处理试样中的珠光体组5.3 铸铁的组织对性能的影响。铸铁各类组织的力学性能如下： 铁素体性能:铁素体的力学性能特点 是塑性、韧性好，而强度、硬度低。(6=30%50%, A小=128160J)KUq=180280MPa，5080HBS)。奥氏体性能:具有一定的强度和硬 度(O b=400 MPa， 170220HBS)，塑 性和韧性也好(6 =40 %50%)。奥氏 体是一种高温组织，稳定存在的温度 范围为7271394C，显微组织为多边 形晶粒，晶粒内常可见到孪晶(昌粒 的平行的直线条)，生产中利用奥氏 体塑性好的特点，常将钢加热到高温 奥氏体状态进行塑性加工。渗碳体性能：其力学性能特点是硬 度高，脆性大，塑性几乎为零。渗碳 体是钢中的强化相，根据生成条件不 同渗碳体有条状、网状、片状、粒状 等形态，它们的大小、数量、分布对 铁碳合金性能有很大影响。珠光体性能：力学性能介于铁素体 与渗碳体之间，强度较高，硬度适中, 塑性和韧性较好(O b=770MPa、 180HBS、 6 =20%35%、 AKU=2432J)莱氏体性能:莱氏体的力学性能与 渗碳体相似，硬度很高，塑性极差， 几乎为零。微观组织的不同对铸铁性能造成 的如下影响：1.白口铸铁：根据室温下组织的不同，白口铸铁可 分为以下三类：1亚共晶白口铸铁 碳的质量分数为.11%-4.3%,其组织是珠光体，二次 渗碳体与莱氏体2共晶白口铸铁 碳的质量分数为4.3%，其组织是莱氏体3.过共晶白口铸铁 碳的质量分数大于 4.3%，其组织为一次渗碳体和莱氏体 白口铸铁性质很脆，不能锻造，不能 进行切削加工，可制造承受强烈挤压 和磨损的零件，如拉丝模、球磨机、 轧辊等。2合金铸铁所谓合金铸铁是在普通铸铁内有 意识地加入一些合金元素，如镍、铬、 锰、钛等配制而成的铸铁。加入的合 金元素可改善热处理组织，从而提高 基体强度和耐磨性。3球墨铸铁碳的质量分数为3.5%-3.9%，基 体组织为铁素体、珠光体。其主要特 占八、a必须经过球化处理，即在铸铁液中， 加入球化剂（镁或镁合金），使石墨 成球状存在。b具有很咼的强度，其抗拉强度咼达400MPa-600MPac具有一定的韧性和塑性，经过热处理 后，其力学性能可进一步得到改善 d.球墨铸铁主要用于制造曲轴、轴套、 轧辊和齿轮等4可锻铸铁碳的质量分数为2.2%-2.8%，其基体 组织为铁素体、珠光体、少量渗碳体 和微量石墨。a必须经过高温长时间退火，即白口铸 铁在900 C-1000 C下经2-9d退火处 理而成b具有较高的韧性和塑性，但因含碳和 含硅量高，因此并不能锻造c.可锻铸铁中，石墨呈团絮状存在，综 合力学性能较好，可制造形状复杂的 零件，如管子接头、大炮上的零件 5灰铸铁灰铸铁碳的质量分数为2.7%-3.6%， 其基体组织分为铁素体、珠光体、及 珠光体+铁素体，其主要特点如下 a铸铁组织中的石墨以片状形式存在， 其断面成暗灰色b熔点低，流动性好，冷却凝固时收缩 量小，具有优良的铸造性能c. 抗拉强度小，容易拉断，塑性差， 不宜进行压力加工d. 硬度低，性质娇软，容易切削，主要 用于制造机架、床身、轴承盖、减速 箱等5.4如何改变灰口铸铁的性能。1 灰口铸铁的热处理：热处理只能改变灰口的铸铁的 基体组织，不能改变石墨的形状和分 布，故对提高力学性能的作用不大， 因此灰口铸铁的热处理一般用于消 除铸件的内应力及改善切削加工性。 灰口铸铁的热处理方法有以下几种：（1）去应力退火。将铸件加热到 500-600 C，保温一段时间，然后随 炉缓冷至150-200C以下出炉空冷。 目的是消除内应力，防止铸件产生变 形和裂纹。（2）降低硬度，改善切削性能退 火。将铸件加热到850-950C，保温 一定时间，然后随炉冷却至 400-500 C，出炉空冷。目的是降低 硬度，改善切削加工性能。（3）表面淬火。目的是提高铸件 表面硬度和耐磨性。常用的方法有火 焰加热表面淬火、高（中）频表面淬火和接触电阻加热淬火等。如对机床 导轨进行接触电阻加热淬火，能显著 提高机床导轨的硬度和耐磨性，使用 寿命约提高1.5 倍。2 低温气体多元共渗法 利用一种转化装置,实现了多种元 素以气体方式进入炉体,对灰口铸铁表 面进行低温气体氮、碳、氧多元共渗 试验;利用 SEM 对共渗层进行成分分 析,并对渗层的硬度和力学性能进行测 试。结果表明:灰口铸铁表面形成的渗 层由钝化层和白亮层组成，厚约50“n。 最外层钝化层中氧含量显著高于基体, 且渗层中氮元素的含量明显提高，在试 样表面形成了弥散分布的氮化物;灰口 7 参考文献铸铁表面显微硬度显著提高 ,达到 750 HV。6 总结通过这次实验，学会了 依据铁碳 相图分析了不同成分铁碳合金及其组 织形貌特征,解释了如何鉴别细网状铁 素体和网状渗碳体，冷却速度对组织 形貌和相对量有无影响，各类铸铁的 组织对性能有何影响等问题。 1 朱凯 申超英 . 灰口铸铁低温气体多元共渗力学性能的变化研究 . 热加工工艺,2009. 2 李鹏志. 铁碳合金相图分析. 石家庄职业技术学院学报,2006 3 宋建宇 赵骧 宫明龙 王守晶 左良 . 强磁场下冷却速度对 Fe 一 0.12 C 合金显微组织的影响 .材料研究 学报,2009 4 王运炎 . 金相图谱 . 北京 高等教育出版社,1994金属及合金凝固组织的观察及分析材科 0905 杨琼 40930364 摘要：描绘了铝锭组织形貌图并依据金属结晶的一般规律对铝锭组织形貌进行分 析，总结影响铝锭组织形貌的因素。观察并描绘匀晶类型，共晶类型，包晶类型 的二元合金及三元合金组织形貌并依据相图进行分析 关键词：铸锭三晶区 二元合金 三元合金 组织形貌1 实验原理1 .1 金属结晶的一半规律类似实验也可依照相图，对不 同成分的合金组织进行显微镜下观 察，分析成分。1 . 晶核的形成在一定的过冷度下，当F体鼻F表 时,晶核就形成。临界形核半径（假设 球形）随过冷度增大而减小。当过冷液体中出现晶坯时，一方 面由于原子由液态的聚集状态转变为 固态的排列状态，使体系的自由能降 低）；另一方面，由于晶坯构成新的表 面，又会引起表面自由能的增加。rvr* 时，晶胚长大将导致系统自由能的增 加，这种晶胚不稳定，瞬时形成，瞬 时消失。rr*时，随晶胚长大，系统自 由能降低，凝固过程自动进行。 晶核形成的形式:*自发形核（均质形核）T =200 C* 非自发形核（异质形核） T = 20C2 晶核的长大晶核的长大有两种：平面生长， 树枝状生长。3 影响晶体形核率和晶体长大率的影 响因素1 过冷度：2 未熔杂质的影响2实验结果及讨论2.1 铸锭三晶区的形貌特征及形成条 件1. 表层细晶区的 形貌特征：随机取向的等轴细晶形成条件：紧靠模内壁，过冷区窄， 正温度梯度，非均匀成核，形核率高， 互相碰撞，形成细晶区2. 柱状晶区的形成 形貌特征：平行于热流方向排列的 柱状晶粒形成条件：过冷度减小，形核率低， 生成垂直模壁生长的柱状景区，成份 过冷，树枝状生长3 中心等轴粗晶区的形成 形貌特征：较粗大的随机取向等轴晶 粒形成条件：在凝固过程中，开始凝固的等轴 激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量 游离自由细晶体，它们随溶液对流漂 移到铸锭中心部分。如果中心部分溶 液有过冷，则这些游离细晶体作为籽 晶最终长成中心的等轴晶区。 即：成核过冷理论.籽晶成核理论 22 三种不同条件下铸锭三晶区的组 织形貌及其形成原因。样品编号Abc浇注温度780 C680 C658C模壁材料金属模砂模金属模2.4 不同类型合金组织形貌图2.4.1 匀晶合金1 25%Ni+75%Cu （铸造）热处理：铸造 显微组织：a -固溶体 侵蚀条件：氯化铜氨水溶液 原放大倍数：400倍说明：树枝状部分为先析出的a -固溶 体，呈枝晶偏析（a）所视金属膜导热快，并且浇注温 度较高，（比熔点高100C）,因此在铸 模中会有大的温度梯度，故形成的全 部为柱状晶，（b）所示砂模导热慢， 并且浇注温度低（比熔点高22C）,不 易造成浇注熔体中较大的温度梯度， 整体较均与冷却，全部形成大等轴晶；（c）虽然金属膜导热快，但浇注温度 较低（比熔点高22 C ） ，冷却条件介于（a）和（b）之间，开始凝固时，存 在一定的正温度梯度，形成柱状晶， 最后中心区域整体过冷，形成中心等 轴晶。1 25%Ni+75%Cu （退火）2.3总结：影响铸锭组织的因素1 模壁材料：金属膜导热快，如果浇 注温度较高，模中会有大的温度梯度， 故较易形成柱状晶。如果浇注温度较 低，开始凝固时，存在一定的正温度 梯度，形成柱状晶，最后中心区域整 体过冷，形成中心等轴晶。如（a） （c） 样品 砂模导热慢，不易造成浇注熔体中较 大的温度梯度，整体较均与冷却，易 形成大等轴晶，如（b）热处理：退火显微组织：a -固溶体 侵蚀条件：20%过硫酸铵 原放大倍数：400倍2 浇注温度：浇注温度较高，模中会 有大的温度梯度，故较易形成柱状晶。 如果浇注温度较低，开始凝固时，存 在一定的正温度梯度，形成柱状晶， 最后中心区域整体过冷，形成中心等 轴晶。口（a） （c）样品热处理：铸造显微组织：初生B相，共晶体 a +B，次生a相侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：经退火处理，树枝状的固溶体 会发生扩散，使组织趋于均匀一致， 接近平衡凝固时的显微组织。说明：基体为黑白相间分布的共晶体(a +P)，白色卵形为初晶0固溶体, 初晶0内的黑点为次生a相。70%Pb+30%Sn (铸造)热处理：铸造显微组织：初生a相，共晶体a +0，次生0相侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍说明：基体为黑白相间分布的共晶体(a +0 )，黑色树枝状的为初生 a 固 溶体，a内的少量白色小颗粒为次生 0 固溶体。热处理：铸造显微组织：初生0相，共晶体a +0，次生a相侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍分析：如图为 Cu-Ni 合金相图 合金从液态开始缓慢冷却，当温度降 低到液相线时，结晶开始。此时结晶 出来极少量固相成分，液相的成分基 本未变。随着温度降低，固相逐渐增 多，液相不断减少。 液相的成分 沿液相线变化，固相的成分沿固相线 变化。匀晶合金在平衡条件下结晶，冷却 速度极其缓慢，先后结晶的固相虽然 成分不同，但是有足够的时间进行均 匀化扩散。所以，室温下的组织是均 匀的固溶体，在光学显微镜下观察， 与纯金属十分相似。在铸造条件下，合金的冷却速度 很快，远远达不到平衡的条件。因此， 固、液二相中的扩散来不及充分进行， 先后结晶出来的固相中较大的成分差 别被保留下来。这种成分差别的存在， 还造成结晶时固相以树枝状形态生 长。因此，这种成分上的不均匀性被 称为树枝状偏析”或枝晶偏析。如(a) 经退火处理，树枝状的固溶体会发 生扩散，使组织趋于均匀一致，接近 平衡凝固时的显微组织。如( b) 2.4.2 共晶合金组织图:20%Pb+80%Sn (铸造)分析： 液体冷却至液相线开始析出白色的初 生0 相，继续冷却初生 0 相增多，冷 却至250C，生成包晶体0 Sn+0，即 图中黑白相间的基体。冷却至242C， 发生结构转变，继续冷却，在初生 0 相与包晶产物相接处析出次生0 相。2.4.4 三元合金显微组织1 58%Bi+16%Pb+26%Sn分析：(a) 中，温度下降到该成分下对应的 液相线，开始析出白色卵状初晶P固 溶体，随着温度下降，初生0相增多， 当温度下降到共晶温度时，剩余的液 相开始转变为黑白相间的共晶体(a + 0)，冷却继续析出少量的次生a相。(b) 中，温度下降到该成分下对应的 液相线，开始析出树枝状初晶 a 固溶 体，随着温度下降，初生 a 相增多， 当温度下降到共晶温度时，剩余的液 相开始转变为黑白相间的共晶体(a + 0 )，冷却继续析出少量的次生0 相。2.4.3 包晶类型1 80%S n+20%Sb热处理：铸造显微组织：初生0相，包晶产物0 Sn+0，次生0相 侵蚀条件：HCI： HNO3=1:1原放大倍数：400倍说明：白色规则为初生 0 相，基体为 黑白相间的包晶产物，初生 0 相与包 晶产物边缘有次生0 相热处理：铸造显微组织：(Bi+Sn) + (Bi+Pb+Sn) 侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液 原放大倍数：400倍说明：带有黑点的白色块状为(Si+Sn)基 体 为 黑 白 相 间 的 三 元 共 晶(Bi+Pb+Sn)分析：该合金的成分点正好在二元共 晶线 E3E 上，当液相冷却到二元共晶 温度时，液相中开始析出（Bi+Sn）二 元共晶。液相浓度沿 E3E 变化，当冷 却至三元共晶温度时，剩余液相转变 为（ Bi+Pb+Sn ）三元共晶。室温时组织 由三 元共 晶（ Bi+Sn ） 及 三元 共晶（Bi+Pb+S n）组成。1 65%Bi+10%Pb+25%Sn热处理：铸造显微组织：Bi+ （ Bi+Sn）+ （Bi+Pb+Sn）侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：白色块状为Bi，周围黑白相间 为二元共晶（Bi+Sn）,更黑的部分为三 元共晶（Bi+Pb+S n）分析：该合金成分位于EE3Bi区域内， 液相冷却先接触到 Bi 的液相线，开始 析出白色块状固体Bi，继续冷却进入 三相区（L+Bi+Sn）在初生相Bi相周围 析出二元共晶（Bi+Sn）,此时液相线沿 E3E 运动，当冷却到三元共晶温度时， 剩余液相全部转变为三元共晶 （Bi+Pb+Sn）,比二元共晶相更细更暗 一些。二 03 总结不同类型二元合金及三元合金的 结晶过程和缓慢冷却所获得组织的一 般规律如下：匀晶合金由相图看出，合金从液态开始缓 慢冷却，当温度降低到液相线时，结 晶开始。此时结晶出来极少量固相成 分，液相的成分基本未变。随着温度 降低，固相逐渐增多，液相不断减少。 液相的成分沿液相线变化，固相的成 分沿固相线变化。匀晶合金在平衡条件下结晶，冷却 速度极其缓慢，先后结晶的固相虽然 成分不同，但是有足够的时间进行均 匀化扩散。所以，室温下的组织是均 匀的固溶体，在光学显微镜下观察， 与纯金属十分相似。在铸造条件下，合金的冷却速度 很快，远远达不到平衡的条件。因此， 固、液二相中的扩散来不及充分进行， 先后结晶出来的固相中较大的成分差 别被保留下来。这种成分差别的存在， 还造成结晶时固相以树枝状形态生 长。因此，这种成分上的不均匀性被 称为“树枝状偏析”或枝晶偏析。如经退 火处理，树枝状的固溶体会发生扩散， 使组织趋于均匀一致，接近平衡凝固 时的显微组织。共晶合金 由相图看出：合金从液态开始缓 慢冷却，当温度下降到该成分下对应 的液相线，开始析出a或p的初生固 溶体，随着温度下降，初生相增多， 当温度下降到共晶温度时，剩余的液 相开始转变为黑白相间的共晶体（a + p ），冷却继续析出少量的次生a或p 相。共晶合金的基体一般为黑白相间 的（a +p ）共晶体，初生相形貌呈树 枝状或针状，片状 多边多角状。依据 合金成分而不同。包晶合金 由相图看出，合金从液态开始缓 慢冷却，液体冷却至液相线开始析出 白色的初生相，继续冷却初生相增多， 冷却至包晶温度时，生成包晶体，继 续冷却，在初生相与包晶产物相接处 析出次生相。包晶合金基体一般为黑白相间的 包晶体，初生相有初生相形貌呈树枝 状或针状，片状 多边多角状。依据合 金成分而不同4 思考题4.1 纯金属铸锭三晶区的形成条件是 什么？如何根据需要使之改变。 答：铸锭三晶区分为三个部分1 表层细晶区的 形成条件：紧靠模内壁，过冷区窄， 正温度梯度，非均匀成核，形核率高， 互相碰撞，形成细晶区3. 柱状晶区的形成 形成条件：过冷度减小，形核率低， 生成垂直模壁生长的柱状景区，成份 过冷，树枝状生长3 中心等轴粗晶区的形成 形成条件：在凝固过程中，开始凝固的等轴 激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量 游离自由细晶体，它们随溶液对流漂 移到铸锭中心部分。如果中心部分溶 液有过冷，则这些游离细晶体作为籽 晶最终长成中心的等轴晶区。 即：成核过冷理论.籽晶成核理论 控制铸锭组织的途径有1 控制凝固时的温度制度 控制冷 却速度和浇注温度2 向熔体中加入特殊物质。向熔体内部 加入晶粒细化剂，可产生大的形核速 率，使结晶组织细化。3 根据动态生核机理，对熔体在凝固过 程中施以某种物理振动和搅动，在熔 体中造成局部温度起伏，给晶体的游 离和增值创造条件。包晶类型。在 25%Ni+75%Cu （铸造）的匀晶 合金组织图中。先析出相为树枝状。在20%Pb+80%Sn （铸造）的共晶 合金组织图中。共晶相为黑白相间分 布的基体，先析出相为白色卵形为p 固溶体。在 80%Sn+20%Sb 的包晶合金组织 图中。包晶产物为黑白相间的基体， 先析相为白色规则的初生P相。4.3 枝晶偏析是如何形成的？生产中 通常采用什么措施减弱或者消除这种 偏析。答：匀晶合金在平衡条件下结晶，冷 却速度极其缓慢，先后结晶的固相虽 然成分不同，但是有足够的时间进行 均匀化扩散。所以，室温下的组织是 均匀的固溶体，在光学显微镜下观察， 与纯金属十分相似。在实际生产中合金的冷却速度很 快，远远达不到平衡的条件。因此， 固、液二相中的扩散来不及充分进行， 先后结晶出来的固相中较大的成分差 别被保留下来。这种成分差别的存在， 还造成结晶时固相以树枝状形态生 长。因此，这种成分上的不均匀性被 称为“树枝状偏析”或枝晶偏析。采用均匀化热处理可以消除枝 晶偏析。4.4 本实验中学到了什么？在本实验中，我学到了金属结晶 的一般规律，铸锭三晶区的组织形貌 及影响因素，不同类型合金的形成原 理及组织形貌。再遇到类似问题我可以根据相图 判断出先析出相，共晶或包晶相，但 是如何在组织形貌图中判断还掌握的 不好。需要再补晶体凝固相关的知识4.2 二元合金相图大致有哪些类型？ 举例说明先析出相，共晶产物，包晶 产物的组织特征。答：二元合金有匀晶类型，共晶类型5 参考文献 1 王运炎 .金相图谱 . 北京 高等教育出版社,1994020 ” o.40.35.3025 a a ao,oleJItsaodse H15141312o赏-S6CO-O304=ceQdoCT-OE*+ FtjCii*iP+F 啊Cn+Ld ：兔 n+LtQ (0,0008) 0.77图】铁碳合金状态图图Z-2D经.急冷后的晁勲度示倉團