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
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
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
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，硅同铝生恐 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，提高补缩性和抗热裂性。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 识织天 工 性差，但是这类合金红膨胀系数小， 耐磨且抗热 性 ，主要用于制造活塞等耐磨件 。 2)铸造铝合金部分化学成分及力学性能 主要元素% 力学性能不低 合金牌号 Si Cu Mg Mn 铸造方法 合金状态 抗拉强度 伸长率 布氏 备注 (Mpa) %) 硬度 0.25- S.J F 155 50 S砂型铸造 ZL101 2 6.5-7.5 0.45 JB T4 185 4 50 丁一金属型铸造 ZL102 10.0-13.0 S.I.I.B F 145 4 50 B一变顶处理 155 2 50 F一铸态 S.J 145 2 50 ZL104 8.0-10.5 0.17- 0.2- 众 T1一人工时数 0.35 0.5 J.JB Ts 235 2 70 T4一固溶处理+自然时效 J 195 85 ZL102 11.0-13.0 0.05- 0.8- Tu T6一固溶处理+完全人工 1.5 1.3 J Ts 255 90 时效
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
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： ()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。 (2)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。 (3)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。 (④)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
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、铝硅合全组织分析 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： 1、纯铝金属模浇铸（图一）： 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
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： 1、纯铝金属模浇铸（图一）： 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
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 武有合裂漆，初正相留转变方 相平衡线时，剩余液相以共晶 (a+B)方式析出 之后在初生相α中析出二次B相，最后由该初生相α 和共晶（α+B)以及二次B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a固溶体，其上黑白相间层片状组织为共晶(a+B) 相，而二次β相由于依附于共晶β相而无法分辨
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A1S相图可知，当该合 金溶液冷却至共晶点时，从液体中析出 (α+B)的共晶组织，该类合金的室温组织 即是(a+B)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B相，B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
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
图三 共晶精炼砂模浇铸 图四 共晶精炼金属模浇铸