材料金相实验与显微组织观察 F0705104 组长：李霄 组员：王猛 徐晗 张天龙 张腾 王曦 张浩舵

一、背景知识 有色合金指主要化学成分不是铁的合金。有色合金中也可以含有铁，但只是作为合金元素或杂质而存在。有色合金也称为非铁合金。 常用的铸造有色合金：铸造铝合金 铸造铜合金 铸造镁合金 铸造锌合金 铸造钛合金 铸造轴承合金

硅合金元素的作用 硅是大部分铸造合金的主要元素，硅同铝生成含11.6%硅的共晶体，加入硅可以提高流动性，改善铸造性能，提高补缩性和抭热裂性。富硅相是硬度较高的。所以合金的硬度随着硅含量的增加而增加，但是却降低塑性和切削加工性。 共晶铝硅合金结晶温度范围小，在一定的浇注温度下流动性很好，凝固时形成集中的缩孔，这类合金适用于薄壁件。亚共晶铝合金适用于高强度铸件，过共晶合金组织中有大量块状初生硅，切削加工性差，但是这类合金红膨胀系数小，耐磨且抗热裂性好，主要用于制造活塞等耐磨件。

二、实验目的 通过观察铁碳合金试样，学会铁碳相图的分析方法以及普通光学显微镜使用方法； 观察铝硅合金的熔炼，并学会其样品的制备观察以及拍摄； 掌握铝硅合金相图及其对应组织的分析，了解不同成分不同工艺对合金的影响。

三、实验过程 1、使用普通光学显微镜观察已有铁碳合金试样并对比铁碳相图分析相关组织； 2、参观铝硅合金的浇铸工艺流程； 3、制备样品，包括以下步骤： ⑴切割。本实验使用台式手动砂轮片切割机，由于试样硬度差别不大，因此切割过程中无需更换砂轮片。 ⑵镶嵌。镶嵌是为了保持试样边缘平整，并便于后续的全自动磨光抛光操作。本实验使用热镶嵌压力机进行试样的镶嵌。 ⑶磨光抛光。磨光与抛光是为了将试样表面打磨光洁，使之可以反射光线，能够在光学显微镜下成像。本实验选用全自动磨光抛光机，砂盘由粗到细共进行五次磨抛，最终颗粒度在0.5微米。 ⑷腐蚀。由于试样的显微组织需要在明视场中观察，因此采用化学腐蚀法来显示其组织。腐蚀可以使试样表面有选择的溶解掉某些部分，而使组织细节显露出来并产生适当的反差。具体操作是将试样冲洗干净并干燥后置于硝酸酒精溶液腐蚀片刻，而后清洗掉腐蚀液并干燥即可。 4、使用高级光学显微镜观察各试样显微组织结构并拍摄照片。

四、铝硅合金组织分析 1、纯铝金属模浇铸（图一）： 本次实验共观察了六组不同成分以及处理工艺得到的铝硅合金金相组织，现分析如下： 合金成分为纯铝（硅含量小于1.65%），浇铸方式是金属模室温冷却。 从金相照片中可以看出，白色组织即为富含铝的α相，其上的黑色斑点为缩孔缺陷，对于其形成原因，我们认为可能有以下两种方式：第一个可能原因是由于纯铝的流动性不好，在浇铸冷却时产生分散缩孔而得不到及时补缩导致试样内部出现大量缺陷；第二个可能原因是由于在浇铸的时候液体内溶入了气体过饱和析出而形成气泡，冷却时得不到及时排出而留在试样中导致最终的孔隙缺陷。 针对缺陷不同形成原因其解决方案如下：对于第一种原因，可以通过控制结晶速率和液相内的温度梯度来使其尽量进行壳状凝固，以此形成致密组织；对于第二种原因，可以通过添加覆盖剂或精炼剂吸收液相中溶解的气体，进而可减少孔隙。 总之，由于缺陷的存在会导致该合金的强度等性能大幅下降，不适合用于机械制造，因此在实际使用中还是铝硅合金占较大多数。

图一 纯铝金属模浇铸 图二 亚共晶金属模浇铸

2、亚共晶金合金属模浇铸（图二）： 硅成分位于1.65%和共晶点（11.6%）之间的部分所产生的合金称为亚共晶铝硅合金，这类合金具有良好的铸造性能，中等的力学性能和良好的抗腐蚀性。当合金缓冷碰到液相线时，初生相α以匀晶转变方式析出，当温度碰到三。 相平衡线时，剩余液相以共晶（α+β）方式析出，之后在初生相α中析出二次β相，最后由该初生相α和共晶（α+β）以及二次β相所组成的合金即为亚共晶铝硅合金。 从拍摄所得金相照片中可以看出，白色基底即为初生α固溶体，其上黑白相间层片状组织为共晶（α+β）相，而二次β相由于依附于共晶β相而无法分辨

3、共晶合金精炼砂模浇铸（图三）： 合金含硅量约为11.6%，为共晶成分，浇铸时使用砂模冷却。由Al-Si相图可知，当该合金溶液冷却至共晶点时，从液体中析出（α+β）的共晶组织，该类合金的室温组织即是（α+β）的共晶组织。 分析金相显微组织照片可以看出，白色的基底是α相，基底上分布着深色的β相，β相聚集成很粗的线条状，散乱的分布在基底上，整个共晶组织为层片状结构。另外，金相照片中大块灰黑色结构可能是由于铸造缺陷而形成的。

图三 共晶精炼砂模浇铸 图四 共晶精炼金属模浇铸

4、共晶合金精炼金属模浇铸（图四）： 合金含硅量约为11.6%，为共晶成分，浇铸时使用金属模冷却。其冷却过程与3号合金相同。 分析照片可以清晰的看出层片状的共晶组织结构，其中白色基底就是成分占多的α相，深色的为β相，至于深色块状部分，我们认为可能有以下三种可能，一是合金成分有可能略高于共晶成分点，因为通常是将含硅10%到13%的合金均视为共晶合金，二是非平衡凝固所致，三是合金中杂质的影响。 同样处于共晶点成分的合金当分别采用砂模铸造和金属模铸造时，得到的共晶组织会有所不同，区别主要体现在层片状共晶组织的粗细方面。利用公式λ=k/√R 式中，R表示凝固速度，k为常数，因不同合金而异，λ为层片间距，可表示层片状共晶组织的粗细。由此可见，凝固速度R越大，则层片间距λ越小，共晶组织也就越细。同时，共晶的层片间距显著影响合金的性能，共晶组织越细，则合金强度越高。所以，在金属模铸造生产中，铸件的凝固速度很快，这样可以获得很细的显微组织和良好的机械性能。

5、共晶合金变质剂处理（图五）： 合金含硅量约为11.6%，为共晶成分，浇铸时添加变质剂处理，并使用金属模冷却。其冷却过程与3号合金相同。 从金相显微组织照片中可以看到，基底为α相呈浅色，共晶β相呈深色，为细小的纤维状和颗粒状，弥散均匀分布。与未经变质处理的铝硅合金的微观组织对比可以发现，变质处理后硅晶粒被明显细化，原因在于变质剂的存在为晶体提供了较多的形核中心，因此细化了晶粒。与原合金中粗大且形状分布不规则的情况相比，变质后的合金在强度韧性等力学性质方面会表现得更好。 对于金相照片中的大颗粒树枝状晶体，我们认为是变质剂在冷却过程中偏析形成的，由此也可推断出该变质剂很有可能是某种金属。

图五 ZL102合金变质剂处理 图六 过共晶金属模浇铸

6、过共晶合金金属模浇铸（图六）： 合金含硅量大于11.6%，为过共晶成分，浇铸时使用金属模冷却。其冷却时液相中先析出初生β相，随着液相中硅含量降低到共晶成分，温度下降至共晶温度点，液相中便析出（α+β）的共晶组织，冷却至室温时平衡组织为初生β相和共晶（α+β）相。 分析金相组织照片可以看出，其中深色的较规则的块状晶体为初生初生β相，其余的为共晶（α+β）相，呈层片状分布。

五、实验心得 我们通过课本知道了共晶反应发生的过程，但是对反应产生的物质没有很深入的理解，通过这次试验，我们知道了共晶模具的浇铸和加工，并接最终观察到了晶相，我觉得对课本知识很形象的展现在我们的眼前，加深了我们共晶反应的印象。 ——徐晗 本次实验让我收获颇多，既知道了合金晶相的观察需要哪些过程，又动手操作了各流程所需的仪器，最后还自己观察到了自己一手制作出来的晶相。 ——王猛 在本次试验中，我体验了怎样获得一个试样并对其进行微观组织观察的全过程。每一步通过亲自动手和切身体验，都留下了深刻的印象。实验中各种高效便捷的实验设备的使用，使我充分感受到了高科技的力量，曾经几天才能做好的实验现在只需几小时，以前需要寸步不离现在只需设定好参数然后到时间来取就行，这一切都使我对科学实验有了新的感悟和认识。 ——张天龙

这次实验共经历了切割、镶嵌、抛光、侵蚀以及照相等步骤，通过这连续几周的实验实习，我们初步掌握了切割机、镶嵌机以及抛光机的基本使用方法，对于铝硅各种合金也有了一定的认识，本次实验耗费了相当多的人力、物力和精力，可见要完成一件精密器件，哪怕再不起眼，所付出的代价也是相当高昂的。最后感谢老师的指导和帮助。 ——王曦 通过这次实验，我们了解了铸造铝合金配制，熔炼过程，工艺设计及显微组织分析的技术和方法，研究了含硅量及凝固速度的变化对组织和性能影响，除了理论知识的学习以外，通过示教及实践，我们同时也熟悉了金相试样的制备方法，了解了光学金相显微镜及特殊附件功能使用，学会了样品制备、金相显微镜使用与摄影操作。 ——张腾

本次实验总体来说是比较简单的，大多数过程都是依靠现代化全自动设备完成，减少了我们的人力投入，但是我们对本次实验的精力投入还是很多的，包括实验过程中对材基的再学习，看到实验结果后的集体分析讨论以及最后报告的撰写。经过这一系列的过程，我们可以说真正体会到了材料科学实验的真谛以及材料科学基础的实用性，受益匪浅。当然，实验的整个过程都离不开指导老师的无私帮助，在此我们要说一声谢谢老师们！ ——李霄 本次实验的高科技设备给我留下了深刻的印象。切割、镶嵌、抛光、侵蚀等以往繁琐的步骤如今只需简单的操作，便可通过计算机得到更加精确的结果。尽管如此，材料学经典传统的知识及材料人智慧勤劳的财富，还需要我们新一代大学生用自己的努力和双手传承下去。 ——张浩舵