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实验五三元合金的显微组织（MicrostructureofTernaryAlloys）实验学时：1实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1．熟悉铋一铅一锡三元系相图和典型合金的显微组织。2．了解三元合金的显微组织与其三元相图的关系。二、概述三元相图可以帮助我们分析三元合金的平衡凝固过程及凝固后的显微组织。对于铸锭和铸件，如果凝固时的冷却速率较小（如砂模铸造），也可借助相图分析其凝固过程和凝固后的显微组织。下图为铋一铅一锡三元相图的液相面投影图的示意。Pb（Pb）p(β)e3e1ⅠEⅡ·（Sn）（Bi）·ⅢBie2SnSn%图中Bi、Pb、Sn分别代表纯组元铋、铅、锡；（Bi）、（Pb）、（Sn）分别代表以铋、铅、锡为溶剂的固溶体；（β）代表以Bi--Pb二元系中的β相为溶剂的固溶体。为帮助了解铋一铅一锡三元相图，下面给出该三元相图各边的二元相图简图。图中（Bi）、（Pb）、（Sn）分别代表各二元系中以铋、铅、锡为溶剂的固溶体。AssessedSn-Biphasediagram.Pb-Biphasediagram.AssessedPb-Snphasediagram.由上图可知，各二元系在液态时均为无限互溶，但在固态则为有限溶解，在铅一铋二元系中还出现了中间相β。在锡一铋二元系中，有一个共晶转变L→（Sn）+（Bi），转变温度为138.5℃。在铅一铋二元系中有一个包晶转变和一个共晶转变，包晶转变温度为184℃，反应式为L+（Pb）→β；共晶转变温度为125℃，反应式为L→β+（Bi）。在铅一锡二元系中，有一个共晶转变L→（Pb）+（Sn），转变温度为188℃。各二元系中的三相平衡都要进入三元系，成为三元系中的三相平衡。根据相律，三元系中三相平衡的自由度数等于1，因而是在一个温度范围内进行的。当降至某一定温度时，这些三相平衡将参与四相反应。由液相面投影图可知，在铋一铅一锡三元系中存在两个四相平衡，一是在P点发生的四相包共晶反应，反应式为L+（Pb）→β+（Sn）；另一个是在E点发生的四相共晶反应，反应式为L→（Bi）+β+（Sn）。根据相律，三元系中四相平衡的自由度数等于零，因而是一个恒温转变。转变过程中，参加反应的各相成分不变，温度恒定。根据合金成分在三元相图投影图上的位置，可以分析合金的平衡凝固过程并预计凝固后的组织组成物。下面举例说明。成分在E点的合金自液态进行凝固时，将直接进人四相平衡，发生四相共晶反应，反应式为L→（Bi）+β+（Sn），这是一个恒温转变，转变温度为96℃，凝固后的组织为（Bi）+β+（Sn）三相共晶体。成分在e1E线上的合金凝固时，先进行三相共晶反应，反应式为L→（Bi）+β，生成两相共晶体（Bi）+β。这个三相反应是在一个温度范围内进行的。当温度降到E点（96℃）时，剩余的液体将进行四相共晶反应L→（Bi）+β+（Sn），生成三相共晶体（Bi）+β+（Sn）。因此，e1E线上的合金（不包括e1点和E点）凝固后，其组织组成物为两相共晶体（Bi）+β和三相共晶体β+（Bi）+（Sn）。若忽略固态下铅、锡在铋中很小的溶解度，则可把Bi点和E点联成直线。成分在BiE线上的合金凝固时，先由液相生成初生晶体（Bi），由于液相成分不能进入三相平衡区，因而没有两相共晶体形成。当液相成分到达E点时，将发生四相共晶反应，生成三相共晶体（Bi）+β+（Sn）。因此，BiE线上的合金凝固后，其组织组成物为初生晶体（Bi）和三相共晶体（Bi）+β+（Sn）。成分在Bie1EBi范围内的合金凝固时，先从液相结晶出初生晶体Bi，随着温度的降低，当液相成分到达e1E线时，将通过三相共晶反应生成两相共晶体（Bi）+β，当液相成分到达E点时，将发生四相共晶反应，生成三相共晶体（Bi）+β+（Sn）。因此在Bie1EBi范围内（不包括Bie1EBi线）的合金凝固后，其组织组成物为初生晶体（Bi）、两相共晶体（Bi）+β和三相共晶体（Bi）+β+（Sn）。下面举出铋一铅一锡系中三个典型合金砂模铸造的显微组织。各合金的成分为：合金Ⅰ（Bi-33%Pb-17%Sn），合金Ⅱ（Bi-25%Pb-13%Sn），合金Ⅲ（Bi-7%Pb-40Sn%）。它们在液相面投影图上的位置分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ标出。此外，若给出过合金成分点的垂直截面，则可知道合金在凝固过程中所经历的相平衡及所对应的温度及温度范围等；若给出等温截面，则可知道该温度下合金所处的状态，由哪些相组成，并可应用杠杆定理和重心法则求出各相、各组织组成物的相对含量等。三、实验用设备和材料⒈光学金相显微镜。⒉典型成分的铋—铅—锡三元合金砂模铸造的金相试样。四、实验内容与步骤⒈在教师的指导下对铋—铅—锡三元相图进行讨论与分析。⒉将所要观察的各合金的成分点标在该三元相图的投影图上，分析其平衡凝固过程，预计在室温下的组织组成物。⒊用金相显微镜观察与分析已制备好的典型三元合金金相试样的显微组织。样品使用的浸蚀剂是4%的硝酸酒精。（5-1）铅锡铋三元合金E点成分（5-2）铅锡铋三元合金Ⅲ点合金（5-3）铅锡铋三元合金E-Sn连线上的成分（5-4）铅锡铋三元合金Ⅱ点成分五、本次实验的总结报告⒈画出铋—铅—锡三元相图的液相面投影图，标出实验中所观察的各合金的成分点。⒉画出各合金在室温下的显微组织示意图，并注明合金成分、放大倍数及各组织组成物的名称。三元共晶二元共晶+三元共晶先共晶+二元共晶+三元共晶实验六金属的塑性变形与再结晶（PlasticDeformationandRecrystallizationofMetals）实验学时：2实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1．观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征；2．了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。二、概述1．显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：①各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；②各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。）另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。）对体心立方结构的Fe，在常温时变形以滑移方式进行；而在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形；而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。2．变形程度对金属组织和性能的影响若变形前金属为等轴晶粒，则，经微量变形后晶粒内即有滑移带出现，经过较大的变形后即发现晶粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长；当变形程度很大时，则加剧了晶粒沿一定方向伸长，晶粒内部被许多的滑移带分割成细小的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。（注：实验中观察的Fe、单相黄铜形变组织中看不到滑移带）由于变形的结果，滑移带附近晶粒破碎，产生较严重的晶格歪扭，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降。3．形变金属在加热后组织和性能的影响加工硬化后的金属，由于晶粒破碎，晶格歪扭、位错密度、空位和间隙原子等缺陷的增加，使其内能增加，金属处于不稳定状态，有力求恢复到稳定状态的趋势，加热则为之创造了条件，促进这一过程的进行。变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常但显微组织没有变化，原来拉长的晶粒仍然是伸长的。这个过程是靠原子在一个晶粒范围内的移动来实现的，称为回复。这时金属可部分地恢复机械性能，而物理性能，如导电性，几乎全部恢复。变形后金属加热到再结晶温度以上时，发生再结晶过程，显微组织发生显著变化。再结晶使金属中被拉长的晶粒消失，生成新的无内应力的等轴晶粒，机械性能完全恢复。如变形60%的α-黄铜经270℃再结晶退火后，其组织是由许多细小的等轴晶粒及原来纤维状组织组成；温度继续升高，纤维状组织全部消失为等轴晶粒。此后温度再升高，就发生积聚再结晶；温度愈高，晶粒愈大。在单相黄铜组织内，经再结晶退火后能看到明显的退火孪晶，它是与基体颜色不同、边很直的小块。退火孪晶的产生是再结晶过程中，面心立方结构的新晶粒界面在推移过程中发生层错现象所致。对于立方晶系的金属，当变形度达到70～80%以上时，最低（开始）的再结晶温度与熔点有如下关系：（绝对温度）熔化再TT4.0金属中有杂质存在时，最低的再结晶温度显著变化。在大多数情况下，杂质均使再结晶温度升高。为了消除加工硬化现象，通常退火温度要比其最低再结晶温度高出100～200℃。变形金属经过再结晶后的晶粒度，不仅会影响其强度和塑性，而且还会显著影响动载下的冲击韧性值。再结晶后晶粒的大小，不仅与再结晶退火的温度有关，而且与再结晶退火前的变形度有关。在同一再结晶退火温度下，晶粒度的大小与预先变形程度的关系，如下图所示：晶粒大小临界变形度预先变形程度当变形度很小时，由于晶格歪扭程度很小，不足以引起再结晶，故晶粒大小不变；当变形度在2~10%范围内时，金属中变形极不均匀，再结晶时形核数量很少，再结晶后晶粒度很不均匀，晶粒极易相互吞并长大，这样的变形度称“临界变形度”。大于临界变形度后，随着变形度的增加，变形愈均匀，再结晶时的形核率愈大，再结晶后的晶粒便愈细。在进行冷塑性变形时，应尽量避免在临界变形度下变形，而采用较大的变形度，以获得较细小的晶粒。临界变形度，因金属的本性及纯度而异，铁为7~15%，铝为2~4%。三、实验设备和材料⑴金相显微镜；⑵常温下，变形度为10%的锌变形孪晶试样；⑶变形度为60%的α-黄铜，经过270℃、350℃、550℃、750℃退火30min的一组金相试样；⑷变形度为0%、20%、40%、60%的工业纯铁金相试样一组；⑸工业纯铁低温冲击试样；⑹纯铝片不同变形度对再结晶晶粒大小影响组样四、实验内容和步骤⒈测定纯铝再结晶后晶粒大小与变形度的关系；⒉测量、记录工业纯铁不同变形度（0、20、40、60%）试样的硬度（HRB）；⒊观察工业纯铁不同变形度（0%、20%、40%、60%）试样的显微组织；⒋观察锌的变形孪晶、60%变形度的α-黄铜的纤维组织；⒌观察α-黄铜经60%形变后，不同再结晶温度对再结晶晶粒大小的影响及退火孪晶的特征。五、实验过程⒈根据实际观察、图片，简述单相多晶体材料在变形情况下，等轴晶