上海材料研究所金相分析培訓(xùn)----第十一章鋁及鋁合金的金相檢驗(yàn)2009 (1)

1、Senior Engineer YangLi鋁與鋁合金金相檢驗(yàn)楊力概述概述n1、特點(diǎn)：密度小、優(yōu)良的塑性、高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗蝕性能、鑄造性、切削加工成型，高的比強(qiáng)度和比剛度。n2、應(yīng)用：飛機(jī)、機(jī)械、化工、電力、儀表、建筑等各領(lǐng)域。鋁合金的分類鋁合金的分類鋁合金的分類鋁合金的分類n鑄造鋁合金n合金組元含量在D點(diǎn)以右，由于出現(xiàn)共晶組織，其塑性差，液體流動(dòng)性好，適合鑄造，故稱鑄造鋁合金。根據(jù)在鋁基體中加入的主要合金元素分為鑄造鋁硅合金（ZL1XX）、鑄造鋁銅合金（ZL2XX）、鑄造鋁鎂合金（ZL3XX）、鑄造鋁鋅合金（ZL4XX）、鑄造鋁混合稀土合金、鑄造鋁鋰合金等。n變形鋁合金n合金組元含量在D

2、點(diǎn)以左的合金可通過(guò)加熱得到單相固溶體，塑性變形能力較好，適合于冷熱加工，故稱為。根據(jù)其能否采用熱處理手段來(lái)強(qiáng)化性能，分為可熱處理強(qiáng)化鋁合金：Al-Cu（2XXX）系列、Al-Si（4XXX）系列、Al-Mg（5XXX）系列、Al-Mg-Si（6XXX）系列、Al-Zn（7XXX）系列及其他系列（如Al-Li）。不可熱處理強(qiáng)化鋁合金：純鋁（1XXX）系列、防銹鋁Al-Mn（3XXX）系列，Al-Mg（5XXX）系列。合金元素在鋁中的作用nSi：室溫時(shí)硅在鋁中溶解度極小，屬共晶類組織nCu：高強(qiáng)度鋁合金的重要合金元素nMg：可以提高鋁合金的強(qiáng)度，降低比重，并有一定的抗蝕性nMn：提高鋁的抗蝕性nZ

3、n：在鋁中溶解度很大，鋁合金金相檢驗(yàn)內(nèi)容鋁合金金相檢驗(yàn)內(nèi)容n1、加工過(guò)程形成的不良組織n2、確認(rèn)各種合金元素加入而形成的金屬間化合物相鋁合金的宏觀檢驗(yàn)鋁合金的宏觀檢驗(yàn)n特點(diǎn)：使用簡(jiǎn)單手段，可在較大范圍內(nèi)對(duì)鋁合金制品的內(nèi)在缺陷作檢驗(yàn)。n方法：n斷口檢驗(yàn) n低倍檢驗(yàn) 鋁合金的宏觀檢驗(yàn)鋁合金的宏觀檢驗(yàn)n1、試樣的制備n取樣部位：有代表性n取樣方式：鋸切或銑割n加工方法：切削加工量小n粗糙度要求：不低于3.2Ran清洗：汽油、酒精、丙酮鋁合金的宏觀檢驗(yàn)鋁合金的宏觀檢驗(yàn)n2、試樣的侵蝕n侵蝕劑：NaOH（10%25%）n時(shí)間：330minn去膜：20%30%HNO3n沖水鋁合金的宏觀檢驗(yàn)鋁合金的宏觀檢驗(yàn)

4、n3、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)nJB/T7946.2-1999鑄造鋁合金針孔n五級(jí)針孔nGB/T3246.2-2000變形鋁及鋁合金制品低倍組織檢驗(yàn)方法n缺陷分為22種n晶粒度檢驗(yàn)n斷口檢驗(yàn)變形鋁合金的缺陷變形鋁合金的缺陷n疏松、非金屬夾雜、外來(lái)夾雜及白斑、氧化膜、化合物（一次晶）、羽毛狀晶、光亮晶粒、氣孔、冷隔、鑄造裂紋、板材分層、縮尾、成層、擠壓裂紋、淬火裂紋、粗晶環(huán)、焊合不良、鍛造裂紋、壓折、流紋不順、裂口、縱向裂紋。鋁合金的微觀檢驗(yàn)鋁合金的微觀檢驗(yàn)n1、試樣的制備n取樣n粗磨：銼刀銼平n細(xì)磨：砂紙n拋光n粗拋（ 轉(zhuǎn)速500600rpm）n精拋（ 轉(zhuǎn)速150500rpm）n2、侵蝕劑的選擇n根據(jù)合金成分

5、、材料狀態(tài)及檢驗(yàn)?zāi)康某Ｓ们治g劑（見(jiàn)表12-1）鑄造鋁合金鑄造鋁合金nAl-Si系（ZL1） 15種牌號(hào)nAl-Cu系（ZL2）6種牌號(hào)nAl-Mg系（ZL3）3種牌號(hào)nAl-Zn系（ZL4）2種牌號(hào)鋁硅合金（鋁硅合金（ZL1xx）n第三代鑄造鋁合金n具有良好的鑄造性能和抗蝕性n含硅（4.5%13%）加入強(qiáng)化元素，形成強(qiáng)化相Mg2Si、Al2Cu、Al2CuMg等n缺點(diǎn)：共晶Si呈粗大的針狀，機(jī)械性能低。需經(jīng)變質(zhì)處理。Al-Si二元合金狀態(tài)圖二元合金狀態(tài)圖Al-Si二元合金狀態(tài)圖二元合金狀態(tài)圖nAlSi二元相圖（最簡(jiǎn)單的共晶型相圖）：在577和含12.6Si時(shí)：n二元共晶反應(yīng) L(Al)+ Si

6、。n在共晶溫度（577），Si在固體Al中溶解度為1.65。室溫時(shí)溶解度幾乎為零。鋁硅合金基本組成相鋁硅合金基本組成相n（Al）樹(shù)枝狀晶（基體）nSin初晶硅：多邊形、幾何狀、深灰色 n共晶硅：針塊狀 三種鋁硅合金基本組織三種鋁硅合金基本組織n亞共晶AlSi合金：n樹(shù)枝狀(Al)相（Si）共晶體（分布在枝晶間）n共晶AlSi合金：n（Si）共晶n過(guò)共晶AlSi合金：n塊狀初生Si（Si）共晶體： ZL102合金（合金（10.013Si）n在AlSi相圖共晶點(diǎn)成分左右，其組織有大量(Al)Si共晶組織以外，可出現(xiàn)少量的初生(Al)或出生Si相。n通常ZL102合金中含較多雜質(zhì)元素Fe，因此用Al

7、FeSi三元相圖可得出：n對(duì)于含F(xiàn)e量較低，且含Si量處于共晶點(diǎn)成分左側(cè)的ZL102合金組織為：n(Al)Si（Al9Fe2Si2）三元共晶n對(duì)于含F(xiàn)e量較高，或有較多含P量時(shí)，ZL102合金組織為：n初生Si（Al9Fe2Si2）(Al)有時(shí)可能有（Al12Fe3Si）ZL103鑄造態(tài)金相變質(zhì)處理變質(zhì)處理n變質(zhì)處理：為提高Al-Si合金的綜合性能，加入變質(zhì)劑，改變硅的分布形狀，使其呈點(diǎn)球狀。n變質(zhì)處理的類型：鈉變質(zhì)、磷變質(zhì)、鍶變質(zhì)n變質(zhì)不正常原因n變質(zhì)不足是由于變質(zhì)不完全，或部分變質(zhì)失效所致變質(zhì)后停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起變質(zhì)效果衰退。n變質(zhì)過(guò)度主要是由于變質(zhì)劑加入過(guò)多所引起。變質(zhì)處理前后硅形貌變質(zhì)處

8、理前后硅形貌磷變質(zhì)處理磷變質(zhì)處理鋁硅合金組織中的雜質(zhì)相鋁硅合金組織中的雜質(zhì)相及主要特征及主要特征nFeAl3:拋光態(tài)呈針片狀、淺灰色（比（AlFeSi）稍明），0.5HF浸蝕后基本不變色，浸蝕時(shí)間長(zhǎng)略呈棕色。nT1相，即（Al12Fe3Si）相：拋光態(tài)為亮灰色，初晶呈多角形，與(Al)形成共晶時(shí)呈文字狀。0.5HF浸蝕后不變色，nT2相，即（Al9Si2Fe2）相：拋光態(tài)呈粗針片狀或細(xì)針條狀，短?hào)艩睿疑哂袖摴鉂?。?.5HF作用下呈棕色。 多元鋁硅合金中新相 及主要特征nMg2Si相：拋光態(tài)初晶呈多角形，共晶常為魚(yú)骨狀、亮灰色，但隨試樣拋光時(shí)間不同而呈藍(lán)棕色。0.5HF浸蝕后變?yōu)楹谏

9、相，即Al2Cu相：拋光態(tài)為淺桔紅色或帶粉紅色的密集結(jié)晶，常呈湖泊狀或具光滑邊界的骨骼狀分布于晶界處。在0.5HF作用下不受蝕，經(jīng)25HNO3熱蝕后呈紅銅色、深棕色或黑褐色。nS相，即Al2CuMg:拋光態(tài)為黃灰色或淺黃色，常呈蜂窩狀密集結(jié)晶。在0.5HF作用下略受浸蝕呈淺棕色。nW相，即AlxMg5Cu4Si4相：拋光態(tài)為淺灰色、或青灰色片狀、塊狀或骨骼狀。在0.5HF浸蝕下不浸蝕。鋁硅合金的熱處理鋁硅合金的熱處理n由于Si在Al中的溶解度變化較小，故鋁硅二元合金的熱處理強(qiáng)化效果較差，但多元鋁硅合金均可以通過(guò)熱處理以析出彌散強(qiáng)化相的方法來(lái)提高性能。n鋁合金中主要形成的中間相有：Al2Cu （

10、相）、Mg2Si（相）、Mg2Zn2（相）、Al2CuMg（S相）、Al2Mg3Zn2（T相）、AlxMg5Cu4Si4（W相）等。由于他們?cè)阡X中的溶解度隨溫度下降而劇烈降低，故可用固溶處理（淬火）和時(shí)效的方法來(lái)提高強(qiáng)度。固溶處理固溶處理n把合金加熱到溶解度曲線以上（相圖），保溫一定時(shí)間，隨后迅速冷卻，得到過(guò)飽和固溶體組織，以便隨后通過(guò)時(shí)效來(lái)提高強(qiáng)度。n固溶加熱溫度應(yīng)高于溶解度曲線，以得到最大溶解度的固溶體，提高強(qiáng)化效果。但應(yīng)低于共晶溫度，以免出現(xiàn)共晶過(guò)熱組織，從而降低零件力學(xué)性能，甚至報(bào)廢。n固溶化后，需以很快的速度冷卻下來(lái)，防止合金中間相析出，以得到高濃度的過(guò)飽和固溶體。 時(shí)效處理時(shí)效處理

11、n固溶處理所得到的過(guò)飽和固溶體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，其中的合金中間相（如Al2Cu、Mg2Si等）有很大的析出傾向。所以，固溶處理后，在一定溫度下，隨時(shí)間增長(zhǎng)，過(guò)飽和固溶體逐漸析出彌散的中間相（Al2Cu、Mg2Si等）細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，使合金硬度、強(qiáng)度升高。該過(guò)程即為“時(shí)效”。n合金在室溫下析出的現(xiàn)象為“自然時(shí)效”。n加熱到一定溫度保溫時(shí)的析出為“人工時(shí)效”。鋁銅合金鋁銅合金ZL2xx系列系列n第二代鑄造鋁合金，Cu含量3%11%，是強(qiáng)度最高的鋁合金n可通過(guò)熱處理強(qiáng)化，具有高的強(qiáng)度和耐熱性，n鑄造性能差，易產(chǎn)生裂紋，密度高，抗蝕性低n強(qiáng)化相Al2Cun適于鑄造大負(fù)荷或耐熱鑄件Al-Cu二元合金狀態(tài)圖二元合

12、金狀態(tài)圖鋁銅合金主要相鋁銅合金主要相n（Al2Cu），T（Al12Mn2Cu ）、Al6Mn、Al3Ti等新相，雜質(zhì)相、N（Al7Cu2Fe）等，可分別形成（+Al6Mn）、（+）二元共晶及（+Al12Mn2Cu）三元共晶。鋁鎂合金鋁鎂合金ZL3xx系列系列n第四代鋁合金，Mg含量4%11%n耐蝕鑄鋁合金，高的抗蝕性、強(qiáng)度、切削性能和表面光潔度n鑄造和耐熱性能差n適于鑄造抗蝕、耐沖擊和表面裝飾性能高的鑄件n該合金中的主要相（Al）+（Mg5Al8）+FeAl3鋁鋅合金鋁鋅合金ZL4xx系列系列n第一代鑄造鋁合金，無(wú)論強(qiáng)度、抗蝕性和鑄造性能均無(wú)突出的優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用范圍有限。n合金中的相組成（Al）

13、+Mg2Si+（Al9Fe2Si2）。過(guò)熱和過(guò)燒n顯微特征n共晶硅周角圓滑并凝聚長(zhǎng)大，顯示過(guò)熱特征。共晶硅進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大，出現(xiàn)共晶體熔化形成過(guò)燒。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，出現(xiàn)典型的復(fù)熔球和晶界重熔成為嚴(yán)重過(guò)燒，一般不允許有過(guò)燒存在。n產(chǎn)生原因n熱處理工藝不當(dāng)，或熱處理爐的溫度控制儀表失靈，和爐子跑溫引起溫度過(guò)高所致。若爐溫不均勻或裝爐不合理，造成部分過(guò)燒現(xiàn)象。過(guò)熱、過(guò)燒特征Senior Engineer YangLi 變形鋁合金變形鋁合金 變形強(qiáng)化鋁合金變形強(qiáng)化鋁合金n只能采用加工硬化的方法來(lái)提高強(qiáng)度n純鋁n防銹鋁：Al-Mn系、Al-Mg系主要組成相 雜質(zhì)相熱處理強(qiáng)化鋁合金n熱處理：固溶處理+時(shí)效處理

14、n種類：n鍛造鋁合金（Al-Mg-Si-Cu系）n硬鋁合金 （Al- Cu -Mg-Mn系）n超硬鋁合金 （Al-Zn-Mg-Cu系） 主要組成相 雜質(zhì)相 主要強(qiáng)化相2A14 （LD10）金相組織 主要組成相 雜質(zhì) 主要強(qiáng)化相 2A12 （LY12）合金的 金相組織主要組成相 雜質(zhì)相 主要強(qiáng)化相7A04 （LC4）合金的金相組織 鑄造鋁合金的金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金的金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)n變質(zhì)效果評(píng)定：n提高合金的綜合性能，硅得到細(xì)化，呈點(diǎn)球狀。n標(biāo)準(zhǔn)：JB/T7946.1-1999鑄造鋁硅合金變質(zhì)n鈉變質(zhì)分為6級(jí)、磷變質(zhì)分為4級(jí)n熱處理過(guò)燒組織評(píng)定n標(biāo)準(zhǔn)：JB/T7946.3-1999鑄造鋁硅合金過(guò)燒

15、n分為5級(jí)n晶粒度評(píng)定n標(biāo)準(zhǔn)：JB/T7946.4-1999鑄造鋁銅合金晶粒度n晶粒度分為8級(jí)變形鋁合金金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)n標(biāo)準(zhǔn)GB/T3246.1-2000變形鋁及鋁合金制品的顯微組織經(jīng)驗(yàn)方法n鑄錠的顯微組織檢驗(yàn)n加工制品淬火及退火試樣檢驗(yàn)n高溫氧化n銅擴(kuò)散n晶粒度檢驗(yàn)鋁合金中主要相的侵蝕特征n通過(guò)用不同侵蝕劑侵蝕后觀察色澤變化予以鑒別。n鋁合金相鑒別的試劑及相的腐蝕特征見(jiàn)表11-1Senior Engineer YangLi銅及銅合金的金相檢驗(yàn)銅及銅合金的金相檢驗(yàn)概述n1、特點(diǎn)：優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，足夠的強(qiáng)度、彈性和耐磨性，良好的耐腐蝕性。n2、應(yīng)用：電氣、石油化工、船舶、機(jī)械、建筑等各領(lǐng)域。

16、n3、分類：n純銅、黃銅、青銅、白銅n加工銅合金：紫銅、黃銅、青銅、白銅n鑄造銅合金：黃銅、青銅n壓鑄銅合金：特殊黃銅銅合金的宏觀檢驗(yàn)n制樣n侵蝕：硝酸水溶液侵蝕，稀鹽酸去黑膜n鑄造銅合金的常見(jiàn)缺陷n疏松n氣孔n外來(lái)非金屬和金屬夾雜n鑄造粗晶n冷隔銅合金的微觀組織檢驗(yàn)n制樣：n侵蝕：n三氯化鐵鹽酸溶液、硝酸鐵水溶液。銅合金中非金屬夾雜物n常見(jiàn)夾雜物：Cu2O、CuS、MnS、Cu3P、BeC、Fe、Pb、Bi等，夾雜物在顯微鏡下的顏色與形態(tài)夾雜類型 明場(chǎng)下觀察正交偏光下觀察Cu2O點(diǎn)狀或球狀，灰蘭色血紅色，各向異性CuS點(diǎn)狀或塊狀，青灰色不透明 各向同性Cu3P不規(guī)則形狀，深灰褐色 不透明Be

17、C規(guī)則幾何形狀 灰紫色不透明Pb點(diǎn)狀或呈網(wǎng)狀 深灰色不透明Fe星形或點(diǎn)狀 蘭灰色不透明氫脆n純銅中氧含量較高時(shí)，在氫氣等氣氛中退火過(guò)程中，氫氣在高溫下滲入Cu內(nèi)與Cu2O作用，形成高壓水蒸氣，在強(qiáng)度較低的晶界形成逸出通道導(dǎo)致銅的開(kāi)裂。n純銅中氧含量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)YS/T335-1991電真空器件用無(wú)氧銅含氧量金相檢驗(yàn)法氫脆純銅（紫銅）n分類：含氧量和生產(chǎn)方式n工業(yè)純銅：T1、T2、T3、T4n無(wú)氧銅：TU1、TU2、TUP、TUMnn組織：銅晶粒；加工變形后為纖維狀組織，再結(jié)晶退火后為等軸晶（有孿晶）n低倍組織為發(fā)達(dá)的柱狀晶n晶粒度評(píng)定nYS/T347-2004單相銅合金晶粒度測(cè)定法nGB/T639

18、4-2002金屬平均晶粒度測(cè)定方法銅晶粒低倍組織紫銅中（Cu-Cu2O）共晶體黃銅n普通黃銅：n在銅中加入一定量的鋅獲得普通黃銅nZn32% 單相黃銅n32% Zn50% +nZn50% 單相 黃銅n特殊黃銅：加入其他合金元素Pb、Al、Sn、Fe、Mn、Si、Ni等銅鋅二元合金相圖銅鋅二元平衡相圖中的相n相：固溶體面心立方晶格。Zn在室溫下的最大溶解度達(dá)3839，溫度升高溶解度降低，在902(905)降到32。 相塑性極高，適合于冷熱加工，并有優(yōu)良的鍛造、焊接和鍍錫能力n相：以電子化合物CuZn為基的固溶體，屬體心立方晶格，狀態(tài)圖中由450468的連線是相有序轉(zhuǎn)變溫度，高于此線相是無(wú)序固溶體

19、，塑性極高，適于熱變形，在連線以下是有序固溶體，塑性差，冷變形較困難。n相：以電子化合物Cu5Zn8為基的固溶體，屬?gòu)?fù)雜立方晶格，低于270 是有序固溶體，性極脆不能塑性加工。H62的組織形貌n擠壓組織n熱軋組織合金元素MnPbAlSiFeSnNiMg Cd鋅當(dāng)量系數(shù)0.51.06.010.00.92.0-1.3 2.0 1.0特殊黃銅例題n試計(jì)算特殊黃銅HAl59-3-2的名義含Zn量及預(yù)估其組織n 36(36)-(21.3)nXZn 46.4n 36+59 (36)-(21.3)nHAl59-3-2的組織為（ ）鋁黃銅nZH772，77Cu，2Al，鋅當(dāng)量折算為28.7，故為單相組織nZH67-2.5 ，67Cu，2.5AlnHAl59-3-2，59Cu，3Al，2Ni，按鋅當(dāng)量計(jì)算預(yù)估組織為（ ），其中為微量，但鑄態(tài)組織多數(shù)為不平衡冷卻，所以實(shí)際組織為鉛黃銅n在黃銅中加入鉛可以提高合金的耐（減）磨和切削性能。鑄態(tài)時(shí)鉛質(zhì)點(diǎn)分布于枝晶間，變形加工后一般以細(xì)小粒子的形態(tài)均勻分布于合金中，如HPb74-3鉛黃銅的顯微組織為+Pb；HPb59-1鉛黃銅的顯微組織為+Pb。H591錳