未知显微组织样品的金相分析

未知显微组织样品的金相分析摘要：根据实验要求制备金相样品，分析其组织形态，进行相关计算，得出合金成分、物相分布等数据，并进行误差分析，绘制步冷曲线。关键词：人工计点法；物相分析；误差分析0引言在当今的材料科学中，材料的微观组织结构、性质、制备与应用已经密不可分，理论需要在实验的基础上得到验证，也需要通过实验而更加完善。基于此基础上，起到工具作用的样品检验方法尤为重要。本次实验旨在通过实际的操作、观察、计算、分析，考察学生综合运用所学理论和实验技术分析某未知合金凝固组织的能力，促使学生养成分析凝固组织的基本思路，表征微观组织的基本方法，并培养学生独立分析凝固显微组织的能力。1实验过程1.1资料查找根据所分配的样品，对该样品的相图以及浸蚀剂进行查阅，并根据样品成分确定实验中的注意事项，如磨样程序、氧化情况等。本次实验中所用样品为Cd-Zn合金样品，所用浸蚀剂为4%硝酸酒精[1]。磨样时，应首先用800号砂纸的磨光机进行磨光，到光亮如镜的程度时，再利用抛光机进行抛光，最后用4%硝酸酒精进行浸蚀。Cd-Zn相图见图一。（注意所给分数为摩尔分数）图一Cd-Zn二元相图1.2相图的分析及计算Cd-Zn相图为二元共晶相图，共晶温度下，共晶成分为0.235Zn-0.765Cd（mole），其中α相成分为0.02Zn-0.98Cd（mole），β相成分为0.99Zn-0.01Cd(mole)。共晶点下，α、β相的组成均接近材料科学基础实验实验报告2012.42纯物质，故计算时可视为理想固溶体。查阅资料得Zn的密度为ρ（Zn）=7.13g/cm3，摩尔质量为65.38g/mol，Cd的密度为ρ2=8.65g/cm3，摩尔质量为112.4g/mol。[2]由杠杆定理BBBBB()xxAxxx以及BBBBB()xxAxxx[2]，可求得共晶点α相摩尔分数为76.55%，β相摩尔分数为23.5%。由于α相中Zn含量极少，故可用Cu密度来近似代表α相密度；由于β相中Cu含量极少，故可用Zn密度来近似代表β相密度。共晶体摩尔质量：M=0.765MCd+0.235MZn（）（）=101.3503共晶体密度：0.2350.7650.2350.765ZnCdZnCdZnCdMMMM=8.3795g/cm31.3金相样品的制备按标准程序进行金相样品的制备：先将样品在金相样品制备机上用800号砂纸磨光，直至基本上看不到划痕为止，然后放到抛光机上细抛,使样品表面达到光亮如镜的程度。而后利用4%的硝酸酒精进行样品的侵蚀：用夹子夹脱脂棉，蘸取侵蚀液在样品表面擦拭，当样品表面呈灰色时，立即用水冲洗，并用酒精擦拭，经吸水纸吸干。1.4金相样品的观察样品制备完成后，在金相显微镜下直接观察其组织形貌及基本特征，并选定合适的放大倍率进行数码照相。给出典型组织的照片，见图二及图三。材料科学基础实验实验报告2012.43图二Cd-Zn样品光学金相显微组织浸蚀剂：4%硝酸酒精200x图三Cd-Zn样品光学金相显微组织浸蚀剂：4%硝酸酒精200x1.5实验数据的记录利用带有测试网格（7×7）的金相显微镜，采用人工计点法[1]，调节金相显微镜放大倍数，令所得视野适合计数。计数所用放大倍率为100×.数出落在网格焦点上的点数，变换观察区域，重复计数，直至点数的总和大于400为止。数据记录见表一。总点数：423。表一人工计点法测量析出相体积分数记录表网格7×71919.5201818.518.5191820.52018201919192020.518.5201920192相关原理2.1人工计点法[1]根据经典体视学公式，计数相的体积分数Vv=Pp实验测量时首先应确定可承受的最终测量结果的最大相对误差。本实验中取测量结果的相对标准误差≦5%。为保证高的测量效率，采用网格式规则阵点随即叠加在显微组织图像上作为测量点体系，相应的测量结果Vv的相对标准误差由下式估算：22[()/][()/]1/VvVvPpPpP式中，Pp是用规则阵点以计点法测量时落在测量对象上的点数总和除以测试用点总数所得比值，P则是落在测试对象上的点数，()Pp为n次Pp测量平均值的标准差。使用该式估计测量结果的相对标准误差时，要求落在每一个测量对象对面上不多于1个测试用点。由此可得P≧400，即数到的落在测量网格上点的总数应大于400。取满足预定相对标准误差的测量结果为最终结果。建议采用如下形式报告测量结果：材料科学基础实验实验报告2012.44在95%的置信水平下，计数相的体积分数为：()VvPpCPp测量值的算术平均值的随机不确定度等于t分布的置信系数C=(1)nt乘以单个测量值的标准差[1].当网格与显微组织图像随即叠加的测量次数（n-1）≧40时，式中系数C的值建议近似取作2；当（n-1）仅为9左右，C值建议近似取2.3.2.2共晶组织长大的原理共晶凝固时同时结晶出2个固相，总是有一个相领先形核。并会排出（或吸收）溶质原子，使界面附近液相富（或贫）溶质原子，这有利于另一相的结晶。另一相结晶时也如此，于是就形成了两相的交替组织。2.3异常共晶凝固实验证明，大多数金属和合金的液-固相界面是粗糙型的，多数无机化合物界面属于光滑型的，某些金属，如Bi，Sb，Si的界面是这两类界面见的过渡型界面。[2]本实验样品的凝固属于共晶凝固。共晶凝固的类型多种多样，通常可分为正常（规则）和异常（非规则）两大类。在正常的共晶凝固中，共晶体两个固相和液相的界面都是非光滑的，共晶体和液相的界面呈平面状；在异常共晶凝固中，共晶体的一个固相的界面是光滑的，共晶中的一个固相通常比另一固相率先伸入液体汇总，共晶体的前沿是不规则的。本实验样品属于异常共晶组织。2.4伪共晶现象一般来说，只要共晶成分的液相冷却时才能得到完全共晶组织。然而实验表明，在非平衡凝固的条件下，成分在工经典附近的合金也可能获得100%的共晶组织。这种非共晶成分的合金凝固后得到的100%共晶组织成为伪共晶组织。Kofler发现，在两个组成相具有相近熔点的情况下才出现对称的共晶共生区。而当两组成相的熔点相差悬殊时，平衡共晶成分点通常偏向低熔点相一遍，而共晶共生区则偏向高熔点相一边。出现这种现象的原因是：两个组成相的形核生长都需要组员的扩散，如果组成相的成分与液相差别比较大，则通过扩散达到所要求的成分相对困难，于是结晶速率就比较低。如果液相成分偏向高熔点组元一边，则有助于减小液相和该组元成分的差别，从而使两个组成相成长速率趋于一致，形成有利于两相协调长大的条件。[2]图四即为共晶共生区偏离共晶对称位置的情况。材料科学基础实验实验报告2012.45图四共晶成分扩展的实际共生区3实验数据的处理和分析3.1析出相体积分数的计算采用人工计点法测量析出相的体积分数，本实验测量网格规格为7×7，金相显微镜放大倍数为100×，实验数据记录见表一。利用excel对数据进行运算，得总点数P=423测量次数n=22对Pp进行算术平均值计算，得Pp=0.392393单个测量值的标准差为σ=0.01628测量平均值的标准差()Pp=0.003471由于测量值的算术平均值的随机不确定度等于t分布的置信系数C=(1)nt乘以单个测量值的标准差[1]，查阅数学手册[3]对应n值及α=0.05时的t分布值。当n=22，α=0.05时，tα=1.7171，从而得C=1.7207×21×0.01628=0.588在95%的置信水平下，析出白亮相的体积分数为：Vv=Pp±Cσ（Pp）=0.392393±0.588*0.003471=0.392393±0.002043.2合金成分的计算由于α相中Cd占组分的绝大多数，β相中Zn占绝大多数，故可近似将共晶成分看做Zn-Cd的理想固溶体。由2.2、2.3及2.4的分析可知，此时先析出的具有较高熔点的富Zn的β相，而后出现共晶组织，即图二、图三中白亮的枝晶为富Zn的β相，黑暗的相为共晶组织。对共晶组织，由3.1中析出相体积分数的计算，知共晶体、β两相的体积分数分别为：Vβ=0.392393，V（共晶）=0.607607，材料科学基础实验实验报告2012.46故样品中共晶体的摩尔分数((()(+(VMnVVMM（共晶）共晶）共晶）共晶（共晶）共晶）共晶）=0.5694样品中中β相的摩尔分数计算公式为：((()(+(VMnVVMM（）））（共晶）共晶）共晶）=0.4306根据杠杆定理，共晶体的摩尔分数为1-nCdn(=1-0.765（）共晶）=0.5694解得样品中Cd的含量n（Cd）=0.8662，Zn的含量n（Zn）=1-n（Cd）=0.1338，即样品的合金成分含量为0.1338Zn-0.8662Cd（mole）实验室所给样品的标准含量为12%Zn（A）-88%Cd（B）（wt%），与实验所得数据进行比较，得误差为w%=13.38%-12%=1.38%，所求得的Cd含量偏大。3.3误差分析本实验的误差为1.38%，测得的Cd含量偏大，误差来源有：1、相图读数的误差，由于本实验相图读数不够精确，故从一开始便对实验的各种计算数据引入了一系列误差，导致了最终的误差较大；2、由于实验数据计算较繁琐，各个过程中有效数字的保留与省略也给实验结果引入了误差；3、利用人工几点法计数时，对于某些跨越多个网格点的不当处理也会引入误差；3、实验所拍摄的金相照片中，虽然共晶成分中β相的摩尔分数占了将近四分之一，但在金相组织照片中，共晶成分中基本上看不到白色β相，可能情况有二：一是浸蚀时未浸蚀到位，共晶成分中的β相未充分显现出来而导致Cd含量偏小；二是采用人工计点法数点时，可能讲偶尔出现的共晶体中的β相计数进去，从导致Cd含量偏大；4、共晶反应时，由2.2所述共晶组织长大的机理，知共晶反应发生时，由于固固界面间溶质原子扩散速率的限制，导致共晶反应并未进行完全，也为实验结果引入了误差；5、共晶反应时，从2.4关于伪共晶现象的讨论可得知，共晶组织的共生区向Cd一边偏斜，导致冷却过程中共晶体的成分偏离理想成分，影响了β相在共晶体中的比例，从而带来3中所述的误差。3.4步冷曲线的绘制由以上计算可知，样品的合金成分含量为0.1875Zn-0.8125Cd（mole），当它从较高温度M点开始冷却时，温度随时间均匀变化，且冷却较快，如图六中MN段；当温度与L-β线相交（见图五），材料科学基础实验实验报告2012.47开始析出β相，此时β相的形成是依靠液相中Zn原子的富集，而在液相中，原子扩散速率较快，故此时β相的形成速率也较快，但由于结晶反应，放出热量，使冷却速率低于NM段，见图六中NP段；随着温度的继续下降，当温度到达共晶点温度时，发生共晶反应，α、β两相在液相中交替长大，而温度维持恒定，由2.2所述共晶组织长大的原理，知共晶组织形成时，除了发生固相、液相间溶质原子的吸收与排出外，还会发生α、β两固相间溶质原子的交换。由于液相中的扩散速率远高于固相间的扩散，故此时扩散速率较β相形成时，经历时间较长，在图中用一折线表示，见图六中PQ段；至共晶反应完全后，温度才有开始平稳下降，直至室温，见图中QW段，此段斜率与MN段相仿。图五相图中给定样品成分冷却示意图六样品的步冷曲线4结论1、图二、图三中白亮的枝晶为富Zn的β相，黑暗的相为共晶组织。共晶温度下，共晶成分为0.235Zn-0.765Cd（mole）；2、在95%的置信水平下，析出白亮相的体积分数为：材料科学基础实验实验报告2012.48Vv=Pp±Cσ（Pp）=0.392393±0.588*0.003471=0.392393±0.00204；3、样品的合金成分含量为0.1338Zn-0.8662Cd（mole）。4感谢通过这次实验，我初步掌握了金相样品的观察与分析的方法、思路，而通过这次论文形式实验报告的写作，也对科研材料的撰写有了初步的了解跟认识。感谢张老师及实验室老师的耐心教导。参考文献：[1]董建新，杨平，刘国权，等。材料科学