A356鋁合金顯微組織及斷口分析

1、本科畢業(yè)論文第I頁共n頁目錄1緒論 11.1斷口分析的意義 11.2對顯微組織及斷口缺陷的理論分析 11.3研究方法和實驗設(shè)計 31.4預(yù)期結(jié)果和意義 32實驗過程 42.1生產(chǎn)工藝 42. 1.1 加料 42.1.2 精煉 42.1 . 3保溫、扒渣和放料 52.1.4 單線除氣和單線過濾 52.1.5 連鑄 62.2實驗過程 62.2. 1 試樣的選取 62.2.2金相試樣的制取 82.2.3用顯微鏡觀察 92.3觀察方法 102.3.1顯微組織的觀察 102.3.2 對斷口形貌的觀察 113實驗結(jié)果及分析 113.1對所取K模試樣的觀察 113.2金相試樣的觀察及分析 123.2.1 對

2、顯微組織的觀察 12322 斷口缺陷 15結(jié)論 23致謝 24參考文獻(xiàn) 25附錄 27本科畢業(yè)論文第5頁共29頁1緒論1.1斷口分析的意義隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)的需求，作為21世紀(jì)三大支柱產(chǎn)業(yè)的材料科學(xué)正朝著高比強度，高強高韌等綜合性能等方向發(fā)展。長久以來，鑄造鋁合 金以其價廉、質(zhì)輕、性能可靠等因素在工業(yè)應(yīng)用中獲得了較大的發(fā)展。尤其隨著近年來對軌道交通材料輕量化的要求日益迫切 ，作為鑄造鋁合金中應(yīng)用最廣的 A356鋁合金具有鑄造流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向小，經(jīng)過變質(zhì) 和熱處理后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和較好的機械加工性 能2-3，與鋼輪轂相比，鋁合金輪轂具

3、有質(zhì)量輕、安全、舒適、節(jié)能等，在汽車 和航空工業(yè)上得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而，由于其凝固收縮，同時在熔融狀態(tài)下很容易溶入氫，因此鑄造鋁合金不可避免地包含一定數(shù)量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金屬夾雜物等5-7。 這些缺陷對構(gòu)件的力學(xué)性能影響較大，如含1%體積分?jǐn)?shù)的空隙將導(dǎo)致其疲勞50%,疲勞極限降20%8-9。所以研究構(gòu)件中缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和分布位 置對力學(xué)性能的影響具有重要意義10。而這些缺陷往往是通過顯微組織和斷口 分析來研究的。另外，通過顯微組織和斷口分析所得到的結(jié)果可以分析這些缺陷產(chǎn)生的原 因，研究斷裂機理，比結(jié)合工藝過程分析缺陷產(chǎn)生的原因，從而對改進(jìn)工藝提出一定的有效措施，

4、確定較好的生產(chǎn)工藝，以提高鋁合金鑄錠的性能。但關(guān)于該合金的微觀組織及其斷口分析研究較少，研究內(nèi)容深但不夠綜合， 每篇論文多研究其部分缺陷，斷口的獲得多為拉伸端口。因此，希望對A356鋁合金的斷口缺陷有一個較為全面的研究。1.2對顯微組織及斷口缺陷的理論分析鑄件的力學(xué)性能與其微觀組織有密切聯(lián)系11。A356合金是一個典型的Al-Si-Mg系三元合金，它是Al-Si二元合金中添加鎂、形成強化相 MgzSi，通過 熱處理來顯著提高合金的時效強化能力，改善合金的力學(xué)性能。A356合金處于aAl + Mg2Si+ Si三兀共晶系內(nèi)，其平衡組織為初生aAl +( aAl + Si)共晶+Mg2Si。其相圖

5、如右圖1-1，在冷卻時，由液相先析出 aAl鋁，隨著鋁的析出, 液相成分變至二元共晶線，發(fā)生共晶反應(yīng)，反應(yīng)式為：圖1-1鋁硅鎂三元共晶圖由于A356的含Si量僅為7%,所以，液相成分在達(dá)到三元共晶點之前，液 相消失，凝固完全。凝固后的組織為初生aAl基體+（ a-Al + Si）共晶。凝固后鋁固溶體含有Si和Mg元素，在繼續(xù)冷卻過程中析出 Si和Mg2Si（如圖1-1）。室 溫下的組織為初生 aAl、（ aAl + Si）共晶和MgzSi。冷卻速度較快時，次生相 Si和Mg2Si彌散細(xì)小不易分辯，而表現(xiàn)出aAl和（aAl + Si）共晶。在實際鑄造條件下（非平衡凝固），除基本相外，還可出現(xiàn)少量

6、aAl + Mg2Si + Si三元共晶體和雜質(zhì)鐵等構(gòu)成的雜質(zhì)相和一些復(fù)雜的多元共晶相13。一般來說，鑄造缺陷對構(gòu)件的抗拉強度影響較小，但較顯著影響構(gòu)件的伸長率14。A356鋁合金內(nèi)部缺陷主要有偏析、縮松、縮孔、氣孔、針孔、非金屬夾 雜和夾渣、金屬夾雜、氧化鋁膜、白點等。這些缺陷對其性能和強度有很大的影 響。因為生產(chǎn)鋁錠的鋁水是電解鋁液，電解鋁液的溫度一般在930C以上，是過熱金屬15電解過程產(chǎn)生的H2和AL2O3夾雜直接進(jìn)入鋁液中，會造成H2含量高和 AL2O3夾雜多16, H2產(chǎn)生氣孔、氣泡和白點缺陷的重要因素，AL2O3易形成夾渣；電解鋁液中的雜質(zhì)元素Fe、Si與合金中的Mn、Mg等元素

7、作用形成AI-FeMnSi、 Mg2Si等第二相，分布于晶粒內(nèi)以及晶界處，影響基體連續(xù)性；鑄造過程中由于 清渣不徹底以及凝固過程中的選分結(jié)晶和冷卻條件不當(dāng)易于生成夾雜、縮松和縮孔17 ； a-AI枝晶二次枝晶臂之間板片狀共晶體是材料中最薄弱的區(qū)域，該區(qū)域中尺寸最大的Si顆粒首先發(fā)生斷裂形成裂紋源。由于以上因素的影響，A356鋁合金 容易斷裂，從而影響其強度、塑韌性和力學(xué)性能。若共晶Si呈灰色針狀和片狀，雜亂無章地分布在aAl鋁基體上，用光學(xué)顯微鏡可以看到鑄造過程中的鑄造縮 孔、鑄造氣孔、氧化膜等缺陷。13研究方法和實驗設(shè)計大顆粒夾雜：用肉眼觀察其存在形式、數(shù)量、大小和分布特點（存在區(qū)域） 以及

8、夾雜物本身的形貌和大小，并結(jié)合冶煉工藝分析其來源；檢測雜質(zhì)凈化效果 和晶粒細(xì)化效果。顯微夾雜：用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察其存在形式、數(shù)量、大小和分布特 點（存在區(qū)域）以及夾雜物本身的形貌和大小，并結(jié)合冶煉工藝分析其來源；檢 測雜質(zhì)凈化效果和晶粒細(xì)化效果。對A356鋁合金顯微組織的觀察主要用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。首先是取樣： 包括用長柄樣勺從和料爐鋁液、用短柄樣勺從爐外取樣以及取成品樣， 將取到的 熔液倒入樣餅?zāi)：蚄模得到樣餅和K模試樣，用上述取樣方法選取不同工藝參 數(shù)、不同生產(chǎn)階段的試樣。將取得的試樣通過切、車、銑、磨、拋等步驟制成金 相試樣，通過不同的放大倍率觀察索取試樣的顯微形貌， 并獲得各

9、個形貌的照片。對于斷口的觀察所用試樣是公司提供的，將試樣斷口處切下，在車床上將試樣切成金相試樣大小，然后通過粗磨、細(xì)磨、拋光、浸蝕制成金相試樣，通過金 相顯微鏡觀察并記錄觀察到的缺陷，分析缺陷產(chǎn)生的原因。1.4預(yù)期結(jié)果和意義1）結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)需求，對 A356鋁合金進(jìn)行金相及掃描電鏡試驗，對分布 在初生aAl基體上的共晶硅相、雜質(zhì)相及氣孔等進(jìn)行觀察，分析其分布特征、 形貌及影響。2）用掃描電鏡觀察鋁合金斷口形貌，并研究其斷裂過程及機理。3）將所觀察的斷口形貌進(jìn)行分類。2實驗過程此次實驗分為三個步驟：1）生產(chǎn)工藝，主要是了解生產(chǎn)的概況，記錄生產(chǎn) 過程中的工藝參數(shù)；2）實驗階段，是關(guān)鍵步驟，要熟悉實

10、驗過程中的每個步驟， 掌握所需的參數(shù)；3）觀察方法，是對試樣進(jìn)行觀察的總結(jié)。2.1生產(chǎn)工藝聯(lián)信公司用的是魏橋鋁廠提供的電解鋁液，通過連鑄生產(chǎn)A356鋁合金鑄錠。 該廠有四個和料爐，每爐裝料量為 30t，從南到北分別為1#爐、2#爐、3#爐和4# 爐。兩條國內(nèi)最大連鑄生產(chǎn)線，單塊鋁錠規(guī)格：長：740mm；寬：105 （95） mm； 高：55mm；重量：約9.5Kg。整跺鋁錠規(guī)格：740X740X760mm。每跺塊數(shù)：93 塊。詳細(xì)工藝過程如下。2. 1.1加料A356合金是一個典型的Al-Si-Mg系三元合金，主要成分是：Si6.5%-7.5%, Mg20%-0.40%, Cu三0.20%，Z

11、n三 0.10%，Mn 三0.10%，Ti 三0.20%，其他元素每 種三0.05%，其余是鋁。該廠主要生產(chǎn)A356.2鋁合金，加料方法為：向和料爐中 加鋁水分為兩次，真空包（最大鋁量為 9000噸）運來鋁水后用天車吊到爐前， 打開和料爐爐門開始倒鋁水，此時鋁液溫度在 840E -880E，5min左右倒完，開 始熔煉。根據(jù)不同工藝設(shè)定熔煉溫度和所要加的成及其用量計算加料量，如加硅、加鎂、加鈦、廢鋁錠等。下表是 A356.2鋁合金的成分表。表2.1A356.2鋁合金化學(xué)成份（%）SiTiMgFeCuMnZnP6.5-7.5< 0.20.30-0.45w 0.12w 0.1w 0.05W0

12、Q5痕跡2.1.2精煉加料后為了快速均勻成分和溫度，在和料爐中進(jìn)行電磁攪拌。攪拌時間在15-20min,根據(jù)不同工藝攪拌溫度在 690E-740E ;爐內(nèi)精煉是通過噴吹以氮氣作為載體將精煉劑和清渣劑加入爐內(nèi)的，氮氣純度大于等于99.995%，噴吹時間為5min-10min。精煉劑和清渣劑的用量為 0.1%-0.2% （與Al相比）。精煉后取樣分析，根據(jù)能譜儀結(jié)果判斷各個元素含量是否合格，補加硅鎂等 礦石。2.1. 3保溫、扒渣和放料精煉結(jié)束后保溫一段時間（一般在10min-15min），待溫度均勻后開始扒渣。 該廠運用人工扒渣，扒渣時間在 15min-30min，時間可長達(dá)40min，費時費力

13、。 扒渣完成后靜置5min，使成分和溫度均勻。待成分和溫度符合放料條件時，打 開和料爐爐門開始放料。2.1. 4單線除氣和單線過濾鋁液出和料爐后先進(jìn)行在線除氣，在經(jīng)過過濾，之后進(jìn)入結(jié)晶器開始連鑄。單線除氣使用ALPUR-55旋轉(zhuǎn)除氣裝置進(jìn)行在線除氣（圖2-1）。這種除氣裝置為雙石 墨轉(zhuǎn)子，最大金屬流量為55t/h。ALPUR凈化工藝是基于吸附凈化原理，通過轉(zhuǎn) 子吹出精煉氣體，借助旋轉(zhuǎn)噴嘴產(chǎn)生均勻分布的微小氣泡， 并與反應(yīng)室內(nèi)的熔體 充分接觸反應(yīng)使熔體凈化。精煉氣體可以是氮氣，也可以是氮氣與氯氣的混合氣 體。圖2-1 ALPUR凈化鋁熔體示意圖單線過濾本科畢業(yè)論文第2

14、9頁共29頁過濾除渣主要是靠過濾介質(zhì)的阻擋作用、 摩擦力或流體的壓力使雜質(zhì)沉降 或堵滯，從而凈化熔體。上述生產(chǎn)線采用CFF雙級泡沫陶瓷過濾板，過濾箱安裝2套平行過濾板，處理流量為 55t/h。過濾板為雙層30/50ppi復(fù)合泡沫陶瓷過 濾板，上層過濾板的孔隙度為30ppi，底層過濾板的孔隙度為50ppio CFF泡沫陶 瓷過濾裝置可以有效除去直徑大于 20um的夾渣物，過濾效率可達(dá)75%。圖2-2 為泡沫陶瓷過濾裝置工作示意圖。Of部加鷄元件圖2-2 CFF泡沫陶瓷過濾裝里工作示度圖2.1. 5連鑄過濾后的鋁液通過溜槽流入結(jié)晶器，澆鑄機轉(zhuǎn)速為863rpm-864rpm，開始結(jié)晶出來的坯殼先由人

15、工導(dǎo)入足輥，之后進(jìn)入校直段。鋁錠經(jīng)過切定尺之后被切斷。 鋁錠的冷卻是通過噴水冷卻的，分三段冷卻。冷卻水流速分別為0.137m/s、0.684m/s和 1.478m/s；流量分別為 133.7m3、401.1m3和 883.1m3。剪切后的鋁錠 通過機械手堆垛，最后捆扎。22實驗過程對于顯微組織及斷口分析實驗，主要工具是顯微鏡觀察。因此實驗主要分三 個步驟：1）試樣的選取；2）金相試樣的制備；3）觀察記錄。2.2. 1試樣的選取取樣時要注意取樣階段和參數(shù)，對各個試樣的詳細(xì)信息做記錄。在1#、3#、4#爐內(nèi)取樣時按下表取樣。表格如下。表2-21#爐參數(shù)表熔煉8 h724 C精煉0.5h737 C噴

16、吹699 C過濾693 C表2-3 3#爐和4#爐參數(shù)表階段時間取樣溫度3#爐熔煉8 h747 C3#爐精煉0.5h737 C4#爐熔煉702 C4#爐精煉699 C1）爐內(nèi)取樣：爐內(nèi)取樣用長柄樣勺（如圖2-3）,取樣前先給樣勺和模具刷一 層涂料并烘烤干燥，保證樣勺和模具干凈。為保證所取鋁液有代表性應(yīng)該在爐膛 中心取樣，先用樣勺扒開浮渣，然后將樣勺深入液面100mm以下，防止帶入渣子。將鋁液取出后倒入樣餅?zāi)＃▓D 2-2-1 ）得到樣餅，倒入K模（K模包括有K 模本體，K模本體設(shè)置有一槽道，槽道內(nèi)設(shè)置有至少一個沿槽道寬度方向布置的 斷裂楔塊）中得到K模試樣。在取K模時，一對模具要用一勺鋁水同時澆

17、鑄完 全，凡是其中一個不合格的要同時澆鑄一對。圖2-3長柄樣勺2）爐外取樣：爐外取樣與爐內(nèi)取樣大致相同，但用短柄樣勺（圖2-4-2 ）取樣。取樣時要逆著鋁液流盛取。圖2-4短柄取樣勺和樣餅?zāi)＃?-樣餅?zāi)＃?-短柄樣勺3）成品樣的選?。撼善蜂X錠應(yīng)選有代表性的，然后弄斷，切下斷口，采取一 定措施保護(hù)斷口防止斷口被氧化。222金相試樣的制取用金相分析的方法來觀察檢驗金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要手段，例如對原材料的冶金質(zhì)量情況如偏析、非金屬夾雜物分布類型與級別檢 查；對鑄造材料的鑄造疏松、氣孔、夾渣組織均勻性檢查；對鍛造件的表面脫碳、 過熱、過燒、裂紋、變形等情況檢查。金相試樣的制取是十分

18、關(guān)鍵的一步18，若制備不當(dāng)，則可能出現(xiàn)假象，從而得出錯誤的結(jié)論 19。金相試樣的制備包括： 切樣、銑樣、磨樣、拋光和浸蝕。1）切樣和銑樣：所取成品斷口試樣橫截面大小不合適難以放進(jìn)磨樣機固定裝置時，應(yīng)該首先將試樣切成一定大小和形狀， 注意不要破壞要觀察的斷面。在 對斷面和樣餅進(jìn)行磨制前應(yīng)該先銑所要觀察的那一面， 以使蓋面平整，便于磨制。2）磨樣：磨光過程是試樣制備最重要的階段，除使試樣表面平整外，主要 是使組織損傷層減少到最低程度。試樣是用機械進(jìn)行磨制的，每次可同時磨六個 試樣。首先將試樣固定在固定裝置上，然后設(shè)置參數(shù)，開啟開關(guān)進(jìn)行磨制。磨樣 過程分三步：粗磨、中磨和細(xì)磨。要求每次要覆蓋上次的磨

19、痕，磨完后要清洗掉 砂紙上的殘留。磨樣過程中連續(xù)供水噴在磨樣處。磨樣時參數(shù)如下。表2:磨樣參數(shù)磨樣方式轉(zhuǎn)速（rpm）時間（s）壓力（N）水砂紙型號冷卻水流量粗磨150903080大中細(xì)磨150180501200小拋光：試樣磨完后要進(jìn)行機械拋光，拋光的目的是去除磨光時留下的磨痕， 提高試樣表面的光反射性，改善組織分辨率，要求將金相試樣拋成鏡面。拋光過 程也分三步：粗拋、中拋和細(xì)拋，拋光時不噴水，有對應(yīng)的拋光液。每次拋完要 將拋光布上的殘余洗凈。拋光過程參數(shù)設(shè)置如下。表3 :拋光參數(shù)拋樣方式轉(zhuǎn)速（rpm）時間（s）壓力（N）拋光液型號（um）劑量/級別粗拋15033060

20、90/9中拋1502706030/0細(xì)拋150240600.040/0浸蝕：所有的金相試樣都必須浸蝕，顯微組織可以很清晰顯示，便于觀察。 所用浸蝕劑為0.5%氫氟酸水溶液（HF0.5mL+蒸餾水100mL），浸蝕時間為10s-15s。 浸蝕后用清水沖洗，然后用酒精擦拭，最后用電吹風(fēng)吹干。223用顯微鏡觀察所利用的金相顯微鏡（如圖2-5）型號為Fegrapol-31，是丹麥生產(chǎn)的。顯微 鏡直接與電腦相連，所觀察的圖像可以直接被拍成照片傳到電腦上。利用顯微鏡 對所有試樣進(jìn)行顯微組織觀察和斷口缺陷分析后可獲得顯微組織圖像和斷口缺 陷圖像。圖2-5金相顯微鏡2.3觀察方法實驗觀察的內(nèi)容主要有：顯微組織

21、的觀察主要是顯微組織類型、形態(tài)和大小。 斷口觀察主要是觀察斷口的缺陷、數(shù)量、形態(tài)和大小 。2.3.1顯微組織的觀察1) aAl基體和共晶Si相的觀察：對視野中所呈現(xiàn)形態(tài)要首先認(rèn)識組織的種 類、顏色和數(shù)量等特征。對共晶 Si相晶粒大小的測量首先要選定具有代表性的 或顆粒便于測量的晶粒，要對不同處理的晶粒(如變質(zhì)的與未變質(zhì)的)進(jìn)行觀察。 金相圖中的晶粒尺寸大小、相的分布、各相相對含量、相的特征以及化學(xué)成分等 都可以通過Image-Pro Plus的計算機數(shù)字化處理來完成。2) 二次枝晶的觀察：對二次枝晶的研究主要是對枝晶間距的研究。二次枝晶 間距的測量方法為截線法20。如圖2-4所示，即畫一條平行

22、于一次枝晶的線和若干條平行于二次枝晶臂且 垂直于一次枝晶的線，通過測量各條平行線的間距大小并取平均值來計算二次枝 晶的平均間距。只取與一次枝晶相連且二次枝晶臂完整的枝晶進(jìn)行測量。在金相圖片中找出符合要求的位置， 先畫出一次枝晶的平行線，再畫出垂直 于一次枝晶并平行于二次枝晶臂的線， 測量截線上兩平行線間距，并計算平行線 間二次枝晶臂的數(shù)量，將所得數(shù)值除以二次枝晶臂數(shù)量，即獲得所需要測量的二 次枝晶間距，為了準(zhǔn)確獲得二次枝晶間距，選取金相圖 E處測量位置，并將所獲 得的二次枝晶間距再次求平均值。近似計算 DCS如下：DCS= L / n(2)式中，L為圖像中任意截線的長度，n為截線所截胞界的總數(shù)

23、或截線與共晶區(qū)域 交點的總數(shù)。2.3.2對斷口形貌的觀察1）肉眼觀察：對于K模，主要是用來檢查鋁液純凈度的。將一對 K模標(biāo)記 上1-10，然后弄斷。檢查對應(yīng)斷口，看斷口的夾渣（即小黑點數(shù)） 。將數(shù)出的黑 點數(shù)除以10得到K值，根據(jù)K值判斷鋁液是否合格。表格如下：表2.4各階段K值級別K值級別<0.1A0.1-0.5B0.5-1.0C1.0-5.0D5.0-10E>10F其中，對于澆包A級為合格，靜置爐B級合格，和料爐E級合格2）金相觀察：對于顯微缺陷的觀察只能借助于顯微鏡，要不斷移動物鏡盡 量觀察斷面所有的地方，用不同放大倍數(shù)的物鏡觀察，觀察不同放大倍率下缺陷 所呈現(xiàn)的形態(tài)。3實驗

24、結(jié)果及分析主要分析實驗過程所獲取K模試樣和金相試樣。K模試樣主要是用肉眼觀察夾渣數(shù)；金相試樣主要觀察鋁基體和共晶硅的形態(tài)以及斷口缺陷形貌。3.1對所取K模試樣的觀察所取K模（如圖3-1）分為精煉前、精煉后、過濾前和過濾后的鋁液澆鑄的, 粗略地觀察和分析鋁水純凈度以及精煉、除氣和過濾效果圖3-1 K模試樣通過數(shù)所選K模斷口夾渣數(shù)，得到K值分別如下表：表3.1各階段所得K值階段K值（加精煉劑）K值（加清渣劑）熔煉3.53.6精煉2.31.2除氣0.50.4過濾0.10.1通過上述表格所得數(shù)值與標(biāo)。表 2.4比較可知，各階段鋁水均合格；通過各 階段數(shù)值比較可知：精煉后特別是加清渣劑后鋁水純凈度升高，

25、另外除氣和過濾均有除渣效果。3.2金相試樣的觀察及分析金相顯微鏡可以觀察試樣顯微組織形態(tài)及分布，還可以對晶粒度大小和二次 枝晶進(jìn)行測量；對斷口缺陷類型及形態(tài)、大小及數(shù)量和分布進(jìn)行觀測。3.2.1對顯微組織的觀察主要觀察鋁合金中 aAl基體（如圖3-2a和圖3-3b、圖3-3c、圖3-3d中A） 形態(tài)和共晶Si相形態(tài)、大小。根據(jù)Al-Si二元合金相圖，A356鋁合金屬于亞共 晶合金，其凝固過程先析出初生 Al枝晶，然后Al-Si共晶體在枝晶臂之間形成。未經(jīng)變質(zhì)處理未經(jīng)變質(zhì)處理的共晶Si 一般呈針狀（如圖3-2a和圖3-3b、圖3-3c、圖3-3d 中B），顏色比a-AI基體深。裂紋

26、的萌生與 Si相有密切關(guān)系21:（ 1）共晶Si 與共晶AI界面為非共格界面，存在空位缺陷，在應(yīng)力作用下這些空位互相結(jié)合 長大，導(dǎo)致了共晶Si與AI基體的界面分離；（2）共晶Si與AI基體的塑性不同， Si相為脆性相，而AI基體為塑性相；在應(yīng)力作用下直徑最大的Si相22優(yōu)先發(fā)生 斷裂，成為裂紋源。共晶Si呈灰色針狀雜亂無章地分布在a-AI鋁基體晶界上（如圖3-2a中方框內(nèi)），當(dāng)裂紋擴展遇到與裂紋前進(jìn)方向相異的共晶硅粒子時，將截斷共晶硅粒子， 使硅粒子發(fā)生斷裂23，即穿晶斷裂。變質(zhì)處理后加鍶變質(zhì)效果最好，鍶變質(zhì)有很好的長效性，可使變質(zhì)效果維持長達(dá) 5-8小 時。變質(zhì)后的共晶硅顆粒大

27、部分呈點球狀或短纖維狀（如圖3-2b、圖3-2d和圖3-2c中的B2）。但研究表明，鍶的加入加大了鋁熔液的吸氣性24。由于變質(zhì)后共 晶硅形態(tài)的改變，可使得合金性能有所提高。圖3-2 a未變質(zhì)無缺陷BAC 圖3-2b典型縮松（變質(zhì)后）圖3-2c典型氣孔+渣（變質(zhì)后）圖3-2d典型縮孔（變質(zhì)后）二次枝晶二次枝晶（如圖3-2b和3-2c中的B3）是在一次枝晶臂上生出來的，形狀如樹枝狀，比一次枝晶要細(xì)。二次枝晶間距的大小是微觀組織中一個重要數(shù)據(jù)，是衡量組織優(yōu)劣的重要參數(shù)。二次枝晶間距大小是評判凝固組織優(yōu)劣的重要特征，二次枝晶臂間距大小直接影響著成分偏析、 第二相及顯微孔洞的分布，另外，枝

28、 晶與枝晶間塊狀共晶體的強度高于二次枝晶臂之間板片狀共晶體，因此板片狀共晶體是A356合金的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋首先在這個區(qū)域萌生25。根據(jù)圖2-4和式（2）可分別測量出圖3-2b和3-2c中矩形方框中所標(biāo)注的二次枝晶間距為：13.08um和17.78um。其中L分別為：65.36um和53.33um。n分別為：5和3。這個成果在國內(nèi)同類行業(yè)中是比較先進(jìn)的。322斷口缺陷斷口缺陷分析是分析鋁合金斷裂機理的重要方式，在所取試樣中觀察到的缺陷有：縮松、縮孔、氣孔、針孔、非金屬夾雜和夾渣、氧化鋁膜（表現(xiàn)為混皮、 渣皮等）。縮松和縮孔1）縮松的形態(tài)：縮松（如圖 3-2b中的C和3-3a中的C）

29、和縮孔（圖3-3b 中的C和圖3-2中的d）是鑄錠在凝固過程中，由于合金在液態(tài)和固態(tài)的體積收 縮得不到補充而產(chǎn)生的細(xì)小而分散的孔洞性缺陷。在金相顯微鏡下觀察，縮松表現(xiàn)為沿晶界形成的形狀不規(guī)則的圖形，顏色單一且比基體深?？s孔表現(xiàn)為沿晶界 較規(guī)則的圖形，多近似為圓形，顏色單一且比基體深。圖3-3a典型縮松（變質(zhì)后）頤圖3-3b典型縮孔（未變質(zhì)）2）產(chǎn)生原因：縮松一般包括收縮縮松和氣體縮松。收縮縮松產(chǎn)生的機理是金 屬鑄造結(jié)晶時從液態(tài)凝固成固態(tài)，體積收縮在樹枝晶枝杈間因液體金屬補縮不足 而形成空腔，這種空腔即為收縮縮松。一般尺寸很小，難以避免。氣體縮松產(chǎn)生的機理是：熔體中未出去的氣體氫氣含量較高， 氣

30、體被隱蔽在 樹枝晶枝杈間隙內(nèi)，隨著結(jié)晶的進(jìn)行，樹枝晶枝杈互相搭接形成骨架，枝杈間的 氣體和凝固時析出的氣體無法逸出而集聚，結(jié)晶后這些氣體占據(jù)的位置形成空 腔，即為氣體縮松。當(dāng)體積收縮大而液體金屬補縮嚴(yán)重不足時就會形成縮孔。3）危害：縮松使鑄錠密度減小，致密性降低特別是降低高強鋁合金的沖擊 韌性和斷面收縮率，在熱軋和鍛造時易引起裂紋?？s孔破壞了金屬的連續(xù)性，嚴(yán) 重影響工藝性能，截取鑄錠坯料時必須去掉。4）預(yù)防措施：根據(jù)縮松和縮孔產(chǎn)生原因和形成過程可知，有如下的預(yù)防措 施：a）降低熔體中氣體含量，如烘爐徹底、精煉劑和所需工具烘烤徹底、降低 各種材料的水含量、防止熔體在爐內(nèi)時間過長、防止熔體過熱等。

31、b）縮小鑄錠中過渡帶的尺寸，如：采用合適的漏斗均勻供流適當(dāng)提高鑄造 溫度和降低鑄造速度、適當(dāng)提高水壓以提高鑄錠冷卻強度、適當(dāng)降低開始凝固溫 度和凝固終了溫度差。322.2氣孔和渣孔1）形態(tài)：氣孔（如圖3-2c中的D）是鑄件組織中的圓形空洞，它是內(nèi)表面光 滑的球狀空洞缺陷，其為未逸出的氣泡在鑄錠中形成的缺陷， 其在顯微鏡下觀察 呈規(guī)則的圓形，但是析出位置不固定；渣孔（如圖 3-3c中的D）是氣孔中卷入 渣滓形成的，其內(nèi)表面就不再是光滑的，在顯微鏡下觀察呈不太規(guī)則的圖形且顏 色不一致。ED =AAWtKffiO7 $圖3-3c典型渣孔（未變質(zhì)）2）產(chǎn)生原因：熔體中的氣體以氣泡析出，必須具備三個條件

32、：一是溶解的氣 體處于過飽和狀態(tài)；二是氣泡內(nèi)的壓力之和大于作用與氣泡的外壓力；三是有大于臨界尺寸的氣泡核。在實際鑄造條件下由于熔體中總是存在大量的非金屬夾雜 物、結(jié)晶體和精煉時未逸出的氣泡因此熔體中的非自發(fā)氣泡核很容易形成。另外結(jié)晶前沿造成的氫含量的過飽和對氣泡的形成造成有利條件。3）影響氣孔和渣孔形成的主要因素：a）熔體原始含氣量高。熔體原始含氣量愈大，則溫度降低時析出的氣體愈多； 結(jié)晶界面上液相過飽和濃度愈大，導(dǎo)致 形成氣泡的過飽和區(qū)域愈寬；時間愈長，則愈促使氣孔的形成b）冷卻速度。鑄錠冷卻速度愈快，氣體擴散愈不充分，且來不及析出，因而允許不產(chǎn)生氣孔的氣體過飽和度增大，導(dǎo)致形成氣泡的過飽和

33、區(qū)域愈窄；同時, 冷卻速度愈大，過渡帶愈窄，枝晶不易封閉液相，因而愈能降低形成氣孔的傾向c）合金成分。合金成分影響原始含氫量，氫在合金中的擴散系數(shù)、分配系數(shù)以及結(jié)晶區(qū)間的大小都會不同程度的影響氣孔的形成及分布d）鑄造工藝條件。主要通過改變結(jié)晶方式、過渡帶尺寸來影響氣孔的形成及分布e）非金屬夾雜含量。非金屬夾雜愈少，則允許產(chǎn)生氣孔的臨界含氫量愈高4）預(yù)防措施：1）從原料、工具、設(shè)備、工藝等方面入手降低含氣量。2）適當(dāng)提高鑄造溫度、降低鑄造速度，建立良好的析氣條件便于氣泡上浮。3）提高鑄錠冷卻速度阻止氣體以氣泡形式析出322.3非金屬夾雜物1）形態(tài)：非金屬夾雜（如圖3-3d中E）沒有固定的形狀，多

34、為塊狀，與基體顏色不同圖3-3d典型非金屬夾雜（變質(zhì)不足）50 um圖3-3e典型夾渣（未變質(zhì)）2）非金屬夾雜產(chǎn)生原因：在熔煉和鑄造過程中，來自熔劑、爐渣、爐襯、 油污和灰塵中的氧化物、氮化物、碳化物等帶入熔體，且除渣不徹底，在鑄錠中 則產(chǎn)生夾雜。3）防治措施：a）將材料中的油污、水分和灰塵等清除干凈。b）爐子、溜槽和澆道處理干凈。c）精煉要好，精煉溫度不能太低，防止渣子分離不好爐渣要除凈。d）提高鑄造溫度以增加金屬流動性，促進(jìn)渣子上浮。322.3夾渣1）形態(tài)：夾渣（3-3d中的E）往往是非金屬夾雜物，是鑄錠中單個顆粒較 大的顆黑色?；蚣?xì)小成群簇狀細(xì)粒。2）產(chǎn)生原因：夾渣常常是隨液體金屬一起掉

35、入鑄錠中的爐渣、爐襯碎塊兒 或塊度較大的氧化物所造成的。3）防止措施：1）仔細(xì)精煉，保證靜置時間，采取過濾措施。2）保持金屬液面平靜，最好采用同水平鑄造。3）烘烤工具要徹底，適當(dāng)提高鑄造溫度，鑄造完成后仔細(xì)清理爐子及其它 工具。4）使用清潔的爐料。氧化膜和渣皮1）形態(tài)：氧化膜（如圖3-3d和3-3f中的F）是氧化鋁形成的非金屬夾雜用顯 微鏡觀察氧化膜為黑色線狀包留物， 黑色為氧化膜，淺色為基體，當(dāng)氧化鋁膜中 有渣子時就為渣皮（如圖3-3g中的F）。圖3-3f典型氧化膜（變質(zhì)后）50 urn圖3-3g典型氧化膜（未變質(zhì)）2）形成原因：氧化膜形成的機理主要有兩個：一是在熔煉和鑄造過程

36、中熔 體表面始終和空氣接觸，不斷進(jìn)行高溫氧化反應(yīng)形成氧化膜并覆蓋在熔體表面。 當(dāng)攪拌和熔鑄操作不當(dāng)時浮在熔體表面的氧化皮被破碎比卷入熔體內(nèi)，最后留在鑄錠中。二是鋁合金熔煉時，除了使用原鋁錠、中間合金和純鋁等作為爐料外， 還加入一定數(shù)量的廢料（碎屑、廢鋁錠等）。廢料成分復(fù)雜，尺寸小、質(zhì)量差、 存在著大量的氧化物夾雜，在熔煉過程中由于除渣不凈，氧化物夾雜進(jìn)入熔體成 為氧化膜。3）預(yù)防措施：a）將原輔助材料的油污、腐蝕產(chǎn)物、灰塵、泥沙和水分等清除干凈。b）熔煉過程中盡量少反復(fù)補料和沖淡，攪拌方法要正確，防止表面氧化皮 成為碎塊掉入爐內(nèi)。c）空氣濕度不能大。d）提高熔煉溫度，除渣除氣時間不能太短，靜置

37、時間要足夠。e）使用的各種工具要預(yù)熱。f）鑄造溫度不能過低，要保證熔體的良好流動性。結(jié)論根據(jù)所觀察的結(jié)果和對實驗結(jié)果的分析，以及結(jié)合實際工藝克的如下結(jié)論：1）斷口缺陷主要有縮松、縮孔、氣孔、針孔、氧化鋁膜、非金屬夾雜和夾 渣等?？s松是沿晶界析出的不規(guī)則圖形，顏色一致；縮孔沿晶界析出，多為圓形; 氣孔析出位置不定，形狀多為較規(guī)則的圓形；氧化膜是黑色細(xì)長的線條；非金屬 夾雜和夾渣是顆粒呈簇狀或單個大顆粒。其中縮松和針孔影響合金致密性；縮孔、 氣孔、氧化鋁膜、非金屬夾雜和夾渣影響合金的連續(xù)性。因此這些缺陷都會對合 金的斷裂有不良影響。2）加精煉劑比加清渣劑的斷口夾渣要少， 在溫度為724E -737

38、C，加入精煉 劑50Kg，精煉時間28min-30min，攪拌時間20min時工藝效果最好。3）變質(zhì)后共晶硅的形態(tài)由針狀變成點球狀或短纖維狀，測得兩種二次枝晶 間距大小分別為13.08um和17.78u m,對合金性能尤其是裂紋的萌生有一定影響。致謝本文自始自終是在指導(dǎo)老師國棟老師的指導(dǎo)下完成的，本文從選題、實驗設(shè)計、實驗過程指導(dǎo)直到最后論文的定稿都得到了國老師的指點和幫助。他對我諄諄教誨、嚴(yán)格要求，認(rèn)真檢查我在課題進(jìn)展過程中的每一步工作，使我形成了一套完整而系統(tǒng)的治學(xué)思維與研究方法，使我真正地懂得了做學(xué)問搞課題研究應(yīng)從 何入手、從何深入，還使我真正具備了獨立從事科學(xué)研究的素質(zhì)與能力。同時，

39、他還在為人方面給予了我極大地幫助、 教誨和鼓舞，并對我的前途與發(fā)展寄予深 切的關(guān)注和指點，我在此謹(jǐn)表示衷心地感謝。這次試驗一直在聯(lián)信戴卡公司完成，包括各個試樣的選取、試樣的制備、試 樣的觀察、工藝參數(shù)的補充以及圖片的采集等。 工廠的張總和各位師傅給與了大 力支持和幫助，尤其是陳君衛(wèi)師傅對于觀察金相試樣給與許多指導(dǎo)。在此表示深 深的謝意。最后向以上所有的人士以及所有關(guān)注我成長的人士致以最真誠的感謝。對評審論文和參加答辯的各位老師、專家致以最真誠的感謝，謝謝您們在論文評審和 答辯過程中提出的寶貴意見，愿您們平安健康快樂 ！參考文獻(xiàn)1 朱正峰.Al-Ti-B中間合金的制備及其細(xì)化性能的研究D.甘肅:

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