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根据凝固理论,利用二元相图,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。
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,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
图4-1bCu-30%Ni合金显微组织
状态:
非平衡结晶
腐蚀剂:
FeCl3酒精溶液+10%HCl溶液
放大倍数:
120
组织分析:
非平衡结晶形成的树枝状组织,白色富含Ni,黑色富含Cu
图4-1cCu-30%Ni合金显微组织
均匀化退火
腐蚀剂:
2%K2Cr2O7+8%H2SO4水溶液
100X
等轴状的α固溶体晶粒
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1.65%,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。
Al-Si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。
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。
共晶硅呈粗针状或片状,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)。
图4-2aAl-Si二元系相图
图4-2bAl-12.6%Si合金显微组织
图4-2cAl-12.6%Si合金显微组织
状态:
铸造、慢冷
铸造、快冷
未蚀
0.5%HF水溶液
120X
100X
过共晶组织,
Si(块状初晶)+(Al+Si)细针状共晶
亚共晶组织,
Al(树枝状初晶白色)+(Al+Si)细针状共晶
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
铸造
未蚀
120
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=5.33Å
,c=17.16Å
,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。
图4-5Al-Ni二元合金相图
图4-6bCu-0.5%O合金显微组织
上状态:
铸态,腐蚀剂:
未蚀
图4-6aCu-O二元合金相图组织分析:
初晶Cu+共晶100
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
度腐蚀剂:
硝酸高铁酒精溶液
放大倍数:
200
图4-8aCu-Ti二元合金相图组织分析:
(+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(图4-9),称为隐蔽共晶(或离异共晶)。
图4-9bCu-2%Bi合金显微组织
腐蚀剂:
放大倍数:
100
图4-9aCu-Bi二元相图组织分析:
固溶体+隐蔽共晶
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
腐蚀剂:
100
组织分析:
(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
3%硝酸酒精溶液
组织分析:
包晶反应不平衡组织
+隐蔽共晶
图4-11bFe-Sb系二元相图
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。
图4-12aAl-Mn二元系相图
图4-12bLF21铝合金的显微组织
半连续铸造
10%NaOH水溶液
340
+(MnAl6)+(+)共晶
图4-13aAl-10%Mn合金的显
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