未知合金材科基實(shí)驗(yàn)

1、未知顯微組織樣品的金相分析報(bào)告完成人： 高小玉學(xué)號(hào)：41030209班級(jí)：材科104 樣品編號(hào)：17# Sn-Bi合金未知顯微組織樣品的金相分析【摘要】通過(guò)對(duì)未知成分的Sn-Bi合金進(jìn)行金相樣品制備、顯微照相得到其顯微組織圖，運(yùn)用人工計(jì)點(diǎn)法和image tool自動(dòng)圖形分析法等體視學(xué)方法定量測(cè)量合金各相體積分?jǐn)?shù)并計(jì)算各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，繼而根據(jù)相圖基本知識(shí)分析合金凝固組織的形成過(guò)程。【關(guān)鍵詞】Sn-Bi合金 體視學(xué) 凝固組織【Abstract】Observing the microstructure of a Sn-Bi alloy specimen whose composition is un

2、known after its metallographic sample preparation and photomicrography . According to the stereological principles of Quantitative Metallography, the use of artificial point count method and image Tool automatically graphical analysis method help measure the volume fraction of eutectic phase. M

3、eanwhile the mass fraction of Cadmium can also be calculated on condition of known element densities. And thereafter in accordance with the basic knowledge of the phase diagram we will analyze the forming process of solidification structure. 【Key words】 Sn-Bi alloy stereological methods solidificati

4、on structure1. 前言金屬材料成分、組織、結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系是金屬學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明組織是性能的根據(jù)，性能是組織的反映；而組織隨著成分和生產(chǎn)工藝而變化，研究金屬材料時(shí)，應(yīng)著重從合金成分和生產(chǎn)工藝條件分析金屬材料組織。因此對(duì)未知成分的合金樣品進(jìn)行鑒定，并對(duì)凝固組織和其形成過(guò)程的分析對(duì)于了解合金的性質(zhì)、改進(jìn)合金的使用性能是科學(xué)迫切需要的，而體視學(xué)分析方法是建立材料成分、組織和性能之間定量關(guān)系的基本方法。體視學(xué)分析可以獲得二維圖像所對(duì)應(yīng)的的三維結(jié)構(gòu)極其寶貴的、用其他方法無(wú)法獲得的三維空間定量描述信息，是科技工作者應(yīng)熟悉和掌握并能正確運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)方法。2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法2.1

5、SnBi合金基本知識(shí)已知合金試樣的組元為Sn和Bi，但各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各相的體積分?jǐn)?shù)未知，可以通過(guò)體視學(xué)定量分析的方法測(cè)定顯微組織中各相的體積分?jǐn)?shù)，再結(jié)合查得的合金組元密度值，求算合金各相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而結(jié)合相圖確定合金成分，分析合金凝固組織的形成過(guò)程。 錫鉍合金相圖如圖1所示。 圖1 SnBi合金相圖 金屬錫柔軟易彎曲，莫氏硬度1.5，密度sn=7.298g/cm3，熔點(diǎn)231.89 ，摩爾質(zhì)量MSn=118.71g/mol鉍金屬的密度Bi=9.78 g/cm3，莫氏硬度2.25，熔點(diǎn)271.3，摩爾質(zhì)量MBi=208.98g/mol由相圖可知該合金在液態(tài)完全互溶，固態(tài)對(duì)于Sn的端際固溶體

6、相，Bi的最大溶解度為13.1%（原子數(shù)百分含量），Bi=21.1%；對(duì)于Bi的端際固溶體相，Sn的最大溶解度為0. 2%（原子數(shù)百分含量）,計(jì)算時(shí)相、相可視為理想固溶體，又因相中Sn含量極少，視其密度、相對(duì)分子質(zhì)量與純Bi相等；兩相共晶溫度139，共晶體中Bi含量E=57%。計(jì)算相密度：=1SnSn+BiBi=11-21.1%7.298+21.1%9.78g/cm3=7.71g/cm3 相密度: =Bi=9.78 g/cm3由杠桿定理計(jì)算出共晶組織中相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)E=(1-57%)/(1-21.1%)=54.5%共晶組織中相的質(zhì)量分?jǐn)?shù) E=1-E=45.5%則共晶組織密度 E=m+mV+V=m

7、+mm+m=1+ 代入數(shù)據(jù)得 E=154.55%7.71+45.5%9.78=8.53 g/cm3從相圖推測(cè)其冷卻過(guò)程，若成分在共晶點(diǎn)左側(cè)，則首先析出相，繼而在139時(shí)析出共晶相；若成分在共晶點(diǎn)右側(cè)，則首先析出相，而后析出共晶相。2.2金相樣品制備金相樣品制備的全過(guò)程包括試樣的截取和磨平（包括稀薄樣品的鑲嵌）、樣品的磨光與拋光、樣品組織的顯露、顯微組織的觀(guān)察與記錄等。本實(shí)驗(yàn)領(lǐng)取截取鑲嵌好的試樣，由于表面粗糙，形變層厚，因此需要在顯微鏡觀(guān)察前，經(jīng)過(guò)磨光與拋光處理。錫鉍合金是軟質(zhì)合金，磨光時(shí)須均勻用力，時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以免出現(xiàn)深的劃痕。磨光后的樣品表面仍留有細(xì)的砂紙磨痕，還不能有效地觀(guān)察浸蝕后的組織

8、，因此必須拋光，本合金樣品采用細(xì)拋的方法，同時(shí)不斷涂抹拋光膏使樣品表面保持適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑度。值得注意的是拋光織物太干，會(huì)引起拋光樣品發(fā)熱氧化，而太濕且拋光時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)引起拋光樣品發(fā)生坑蝕，出現(xiàn)麻點(diǎn)。拋光后的樣品直接在顯微鏡下觀(guān)察，僅能區(qū)分反光能力差別大于10%的組織組成如非金屬夾雜物等，而無(wú)法觀(guān)察到晶界、各類(lèi)相和組織，因此采用化學(xué)浸蝕法使樣品顯微組織顯露出來(lái)。合金不同的相由于成分結(jié)構(gòu)的不同，有著不同的電極電位，在浸蝕液中形成許多微電池作用。具有較負(fù)電極電位的相為陽(yáng)極，浸蝕時(shí)發(fā)生溶解，拋光面上的這些微區(qū)變成低洼粗糙；具有較正電位的相位陰極，基本不受浸蝕，拋光面上的這些微區(qū)保持光滑平坦，前者在光學(xué)顯微

9、鏡下顯示暗黑色，后者則顯示白亮色。本實(shí)驗(yàn)采用4%硝酸酒精浸蝕劑。用竹夾子夾脫脂棉、蘸浸蝕液（4%硝酸酒精）在樣品表面擦拭，當(dāng)光亮鏡面呈淺灰白色（大約10s），立即用水沖洗，并用酒精擦洗后經(jīng)吸水紙吸干。操作過(guò)程要迅速利落，以防帶水樣品在空氣中氧化。2.3顯微組織觀(guān)察調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)（100倍）和景深度使合金樣品的顯微組織特征全面顯示出來(lái)，觀(guān)察顯微組織全貌，確定先析出相和后析出相，根據(jù)相圖判斷合金成分的大概范圍并拍攝有代表性顯微組織圖10張，選取一張為圖2所示。2.4體視學(xué)基本原理體視學(xué)，又稱(chēng)定量金相，所用測(cè)量量很多，規(guī)定以P、L、A、S、V、N等分別表示點(diǎn)、線(xiàn)、平面面積、曲面面積、體積和個(gè)數(shù)。

10、測(cè)量結(jié)果常用被測(cè)量對(duì)象的量與測(cè)試用的量的比值來(lái)描述，以帶下標(biāo)的符號(hào)表示，下標(biāo)符號(hào)表示測(cè)量所用的量；而符號(hào)本身表示被測(cè)量的量。例PL：?jiǎn)挝粶y(cè)量線(xiàn)長(zhǎng)度上和測(cè)量對(duì)象的交點(diǎn)數(shù)；SV：?jiǎn)挝粶y(cè)量體積中測(cè)量對(duì)象的面積;PP：落在測(cè)量對(duì)象上的點(diǎn)數(shù)總和除以測(cè)試用總點(diǎn)數(shù)所得的比；VV：在單位測(cè)量用體積中測(cè)量對(duì)象所占的體積。2.4.1人工計(jì)點(diǎn)法用規(guī)則點(diǎn)陣計(jì)點(diǎn)法測(cè)量合金中某一相的體積密度。規(guī)則點(diǎn)陣計(jì)點(diǎn)法即用n×n的規(guī)則陣點(diǎn)網(wǎng)格與所測(cè)顯微組織圖重疊，在不同視場(chǎng)下查數(shù)出某一相與陣點(diǎn)相交的個(gè)數(shù)，以此來(lái)估計(jì)這一相體積密度的方法。以6×6=36規(guī)則網(wǎng)格為例。第二相的體積分?jǐn)?shù): VV= PP ； PP = P

11、PT ；VV的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(VV)/VV： (VV)/VV2 = (PP)/PP2 = 1/P在95%的置信水平下，第二相相的體積分?jǐn)?shù)為VV= PP ± C (PP)式中，P是落在測(cè)量對(duì)象上的點(diǎn)數(shù)；PT是測(cè)試用總點(diǎn)數(shù)，即36與測(cè)量次數(shù)的乘積； (PP)為n次PP測(cè)量平均值的標(biāo)準(zhǔn)差（等于n次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差/n-1/2）;當(dāng)網(wǎng)格與顯微組織圖像隨機(jī)疊加測(cè)量的次數(shù)(n-1)40時(shí)，式中系數(shù)C近似取作2；當(dāng)(n-1)僅為9左右，C值近似取2.3。實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差5%，使用上式估計(jì)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差時(shí)，要求落在每一個(gè)測(cè)量對(duì)象對(duì)面上不多于1個(gè)測(cè)試用點(diǎn)，由此可得Pa400，即數(shù)到的

12、落在測(cè)量網(wǎng)格上點(diǎn)的總數(shù)應(yīng)大于400。2.4.2自動(dòng)圖像分析法第二相的體積分?jǐn)?shù)：VV= AA利用ImageTool軟件直接測(cè)量每個(gè)視場(chǎng)中的第二相的面積分?jǐn)?shù)（即視場(chǎng)中第二相像素點(diǎn)總數(shù)與視場(chǎng)包含的像素點(diǎn)總數(shù)之比）。共計(jì)拍攝10組照片，逐一分析后計(jì)算單次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即可求得體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值的算數(shù)平均值VV及其隨機(jī)不確定度VV。雙擊桌面上的ImageTool圖標(biāo)啟動(dòng)程序； 單擊“Open”按鈕調(diào)入需要分析的圖象文件； 先將圖片轉(zhuǎn)化為二維圖像（通過(guò)color-to-Grayscale進(jìn)行）單擊“Manual”按鈕將灰度圖轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎锥祱D； 在跳出來(lái)的“Threshold”窗口設(shè)定門(mén)檻值，將右側(cè)門(mén)檻調(diào)節(jié)

13、到圖象中所需區(qū)域被紅色覆蓋且不出現(xiàn)第三種顏色,； 選擇“Analysis”菜單對(duì)圖象進(jìn)行各種分析 分析所得的數(shù)據(jù)顯示在“Result”窗口中3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1顯微組織觀(guān)察樣品顯微組織照片（X100）10張，選取其中一張如圖2所示。觀(guān)察其顯微組織為黑白相間相和大面積白色塊狀相組成。查找知ESn=1.9 ，EBi=2.02，根據(jù)浸蝕基本原理判斷顯微組織中亮白色塊狀相為相，黑白相間即為共晶相。通過(guò)相圖推測(cè)，若合金成分在共晶SnBi合金顯微組織圖 放大倍數(shù) 100 浸蝕劑 4%硝酸酒精點(diǎn)左側(cè)，則首先析出相，而后析出共晶相，此時(shí)的顯微組織中應(yīng)出現(xiàn)黑色的相和黑白交錯(cuò)的共晶組織；若合金成分在共晶點(diǎn)右側(cè)，則

14、首先析出相，而后析出共晶相，顯微組織呈現(xiàn)亮白色的相和黑白交錯(cuò)的共晶組織。本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與第二種情況相符，即該合金為過(guò)共晶。因此可以確定合金成分在共晶點(diǎn)右側(cè)，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<43%.3.2 ImageTool定量分析在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察樣品顯微組織圖發(fā)現(xiàn)即使在最小放大倍數(shù)下仍無(wú)法滿(mǎn)足共晶相（少量相）落在網(wǎng)格每一個(gè)測(cè)量對(duì)象上不多于1個(gè)測(cè)試用點(diǎn)，即不能對(duì)此合金使用人工計(jì)點(diǎn)法定量某相的體積分?jǐn)?shù)。使用image tool軟件分析了10張合金顯微組織照片得到黑色相的體積分?jǐn)?shù)，原始數(shù)據(jù)如表1所示。黑色相的面積分?jǐn)?shù)AA=0.3509 AA=1.85%10=0.0059=AAAA=0.00590.3509*

15、100%=1.6814%結(jié)果已滿(mǎn)足相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差5%的要求，選取置信度為95%時(shí)的置信系數(shù)C=4.3，則結(jié)果可記作如下形式：在95%的置信水平下，相的體積分?jǐn)?shù)VV=AA±CAA=0.3509±0.0254表1 image tool原始數(shù)據(jù)3.3計(jì)算合金成分相體積分?jǐn)?shù)V=35.09%，相體積分?jǐn)?shù)V=64.91% 由相圖知相中Bi=21.1%；相中Sn含量極少，密度、相對(duì)分子質(zhì)量近似與純Bi相等，合金中Sn Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：Bi=V×+21.1%×V×V×+V×=64.91%×9.78+21.1%×35.0

16、9%×7.7164.91%×9.78+35.09%×7.71=76.42%Sn=1-Bi=23.58%即未知成分樣品為23.58%Sn76.42%Bi（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金3.4冷卻過(guò)程分析此合金為錫鉍過(guò)共晶合金，如相圖（圖3）所示，合金由高溫液相M點(diǎn)開(kāi)始冷卻，當(dāng)降溫至相液相線(xiàn)對(duì)應(yīng)溫度（N點(diǎn)）時(shí)，有白色塊狀相析出，并且液相成分隨相的液相線(xiàn)變化。由于結(jié)晶放熱，系統(tǒng)向環(huán)境散發(fā)的熱量部分得到了補(bǔ)償，使溫度下降速度變慢，因此步冷曲線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。待溫度降到比139 高無(wú)限小時(shí)，合金由初生相和液相組成，液相成分正好是共晶成分，即Bi=57% Sn=43%, 隨著溫度繼續(xù)下降至P

17、點(diǎn)，剩余液相共晶生成黑白相間的SnBi共晶相，因結(jié)晶放熱完全補(bǔ)償了向環(huán)境散熱，步冷曲線(xiàn)上出現(xiàn)水平線(xiàn)段。共晶凝固時(shí)同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相，總有一個(gè)領(lǐng)先形核，同時(shí)排出（吸收）溶質(zhì)原子，使界面附近液相富（貧）溶質(zhì)原子，這為另一物相結(jié)晶提供物質(zhì)條件，即利于另一相結(jié)晶，另一項(xiàng)領(lǐng)先形核亦是如此，于是形成兩相交替組織，表現(xiàn)為黑白相間的共晶相。繼續(xù)冷卻，在初生相中析出少量次生相，最終得到合金的室溫組織即初生白色塊狀相+黑白相間共晶相+次生相。Bi=76.42%的SnBi合金的步冷曲線(xiàn)如圖4所示。圖3 SnBi合金相圖 圖4 23.58%Sn76.42%Bi合金步冷曲線(xiàn)4. 分析和討論4.1金相樣品制備由于SnBi

18、合金質(zhì)軟，且兩種金屬的硬度也存在一定的差別，所以在磨樣過(guò)程中硬質(zhì)相很容易出現(xiàn)浮雕，因此在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光時(shí)要注意要將試樣輕輕壓在拋光盤(pán)中心附近，并且不可用力過(guò)大。實(shí)驗(yàn)中用4%的硝酸酒精作為浸蝕劑，為避免浸蝕過(guò)度，可以以秒為單位進(jìn)行浸蝕。浸蝕后要仔細(xì)清洗樣品表面，以免有雜物存在于樣品表面，影響合金顯微組織的觀(guān)察。若浸蝕過(guò)度，可以先進(jìn)行手工磨光，除去浸蝕層后，再由小號(hào)至大號(hào)砂紙分別進(jìn)行磨光，然后進(jìn)行拋光。4.2誤差分析本樣品因不滿(mǎn)足人工計(jì)點(diǎn)法所要求的落在每一個(gè)測(cè)量對(duì)象對(duì)面上不多于1個(gè)測(cè)試用點(diǎn)故只能用自動(dòng)圖像分析法，但可能存在較大誤差，如可供拍照的清晰面積較小，則得到的顯微組織照片樣本量??；在設(shè)定“Threshold”“門(mén)檻”時(shí)，存在個(gè)人主觀(guān)差異，誤差較大。只能通過(guò)增加測(cè)量次數(shù)減小這些誤差。除測(cè)量過(guò)程的偶然誤差外，合金的冷卻過(guò)程亦會(huì)影響定量金相測(cè)量結(jié)果。當(dāng)冷卻速度較大時(shí)，受界面間溶質(zhì)原子擴(kuò)散速率限制，共晶反應(yīng)進(jìn)行不完全可能導(dǎo)致相和相分離不徹底，即在白色塊狀相中存在少量相，而黑色相中也可能存在少量相，導(dǎo)致在測(cè)量黑