A356鋁合金顯微組織與斷口分析報(bào)告

1、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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)31.4預(yù)期結(jié)果和意義32 實(shí)驗(yàn)過程32.1 生產(chǎn)工藝421.1 加料42.1.2 精煉42.13 保溫、扒渣和放料42.1. 4 單線除氣和單線過濾52.1. 5連鑄62.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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 對顯微組織的觀察123.2.2 斷口缺陷15結(jié)論23致

2、24參考文獻(xiàn)25附錄271 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(qiáng)度，高強(qiáng)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(jià)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1，作為鑄造鋁合金中應(yīng)用最廣的A356鋁合金具有鑄造流動(dòng)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(jī)械加工性能2-3，與鋼輪轂相比，鋁合金輪轂具有質(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4。然而，由于其凝固收縮，

3、同時(shí)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(jī)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，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，研究容深但不夠

4、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(gè)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(gè)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(qiáng)化相Mg2Si，通過熱處理來顯著提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力，改善合金的力學(xué)性能。A356合金處于-AlMg2SiSi三元共晶系，其平衡組織為初生-Al（-AlSi）共晶Mg2Si。其相圖如右圖1-1，在冷卻時(shí)，由液相先析出-Al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：L -AlSi (1)圖1

5、-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(diǎn)之前，液相消失，凝固完全。凝固后的組織為初生-Al基體（-AlSi）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-Al、（-AlSi）共晶和Mg2Si。冷卻速度較快時(shí)，次生相Si和Mg2Si彌散細(xì)小不易分辯，而表現(xiàn)出-Al和（-AlSi）共晶。在實(shí)際鑄造條件下（非平衡凝固），除基本相外，還可出現(xiàn)少量-AlMg2SiSi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(qiáng)度影響較小，但較顯著影響構(gòu)件的伸長率14

6、。A356鋁合金部缺陷主要有偏析、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(diǎn)等。這些缺陷對其性能和強(qiáng)度有很大的影響。因?yàn)樯a(chǎn)鋁錠的鋁水是電解鋁液，電解鋁液的溫度一般在930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(huì)造成H2含量高和AL2O3夾雜多16，H2產(chǎn)生氣孔、氣泡和白點(diǎn)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等元素作用形成Al-FeMnSi、Mg2Si等第二相，分布于晶粒以及晶界處，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

7、；-Al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(qiáng)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-Al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。1.3研究方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(diǎn)（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。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(diǎn)（存在區(qū)域）以及夾雜物本身的形貌和大小，并

8、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，并獲得各個(gè)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)

9、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(yàn)，對分布在初生-Al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(jī)理。3）將所觀察的斷口形貌進(jìn)行分類。2 實(shí)驗(yàn)過程此次實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)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(shí)驗(yàn)階段，是關(guān)鍵步驟，要熟悉實(shí)驗(yàn)過程中的每個(gè)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(gè)和料爐，每爐裝料量為30t，從南到北分別為1#爐、

10、2#爐、3#爐和4#爐。兩條國最鑄生產(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：740×740×760mm。每跺塊數(shù)：93塊。詳細(xì)工藝過程如下。21.1 加料A356合金是一個(gè)典型的Al-Si-Mg系三元合金，主要成分是：Si6.5%-7.5%，Mg20%-0.40%，Cu0.20%，Zn0.10%，Mn0.10%，Ti0.20%，其他元素每種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）運(yùn)來鋁水后用天車吊到爐前，打開和料爐爐門開始倒鋁水

11、，此時(shí)鋁液溫度在840-880，5min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(jì)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2.1 A356.2鋁合金化學(xué)成份（%）Si Ti Mg Fe Cu Mn Zn P6.5-7.5 0.2 0.30-0.45 0.12 0.1 0.05 0.05 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(shí)間在15-20min，根據(jù)不同工藝攪拌溫度在690-740；爐精煉是通過噴吹以氮?dú)庾鳛檩d體將精煉劑和清渣劑加入爐的，氮?dú)饧兌却笥诘扔?9.995%，噴吹時(shí)間為5min-10

12、min。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(gè)元素含量是否合格，補(bǔ)加硅鎂等礦石。2.13 保溫、扒渣和放料精煉結(jié)束后保溫一段時(shí)間（一般在10min-15min），待溫度均勻后開始扒渣。該廠運(yùn)用人工扒渣，扒渣時(shí)間在15min-30min，時(shí)間可長達(dá)40min，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。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(shí)，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。2.1.4.1 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

13、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)室的熔體充分接觸反應(yīng)使熔體凈化。精煉氣體可以是氮?dú)猓部梢允堑獨(dú)馀c氯氣的混合氣體。圖2-1 ALPUR凈化鋁熔體示意圖2.1.4.2單線過濾 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50ppi。CFF泡沫瓷過濾裝置可

14、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為泡沫瓷過濾裝置工作示意圖。圖2-2 CFF泡沫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(jī)轉(zhuǎn)速為863rpm-864rpm，開始結(jié)晶出來的坯殼先由人工導(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(jī)械手堆垛，最后捆扎。2.2 實(shí)驗(yàn)過程對于顯微組織及斷口分析實(shí)驗(yàn)，主要工具是顯微鏡觀察。因此實(shí)驗(yàn)主要分三個(gè)步驟：1)試

15、樣的選?。?)金相試樣的制備；3)觀察記錄。2.2. 1 試樣的選取取樣時(shí)要注意取樣階段和參數(shù)，對各個(gè)試樣的詳細(xì)信息做記錄。在1#、3#、4#爐取樣時(shí)按下表取樣。表格如下。表2-2 1#爐參數(shù)表階段 時(shí)間 取樣溫度熔煉 8 h 724精煉 0.5h 737噴吹 699過濾 693表2-3 3#爐和4#爐參數(shù)表階段 時(shí)間 取樣溫度3#爐熔煉 8 h 7473#爐精煉 0.5h 7374#爐熔煉 7024#爐精煉 6991)爐取樣：爐取樣用長柄樣勺（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

16、液面100mm以下，防止帶入渣子。將鋁液取出后倒入樣餅?zāi)＃▓D2-2-1）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，槽道設(shè)置有至少一個(gè)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(shí)，一對模具要用一勺鋁水同時(shí)澆鑄完全，凡是其中一個(gè)不合格的要同時(shí)澆鑄一對。圖2-3 長柄樣勺2)爐外取樣：爐外取樣與爐取樣大致相同，但用短柄樣勺（圖2-4-2）取樣。取樣時(shí)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)成品樣的選取：成品鋁錠應(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。2.2.2 金相試樣的制取用金相分析的方法來觀察檢驗(yàn)

17、金屬部的組織結(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(cuò)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(jī)固定裝置時(shí)，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，

18、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(jī)械進(jìn)行磨制的，每次可同時(shí)磨六個(gè)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(shí)參數(shù)如下。表2：磨樣參數(shù)磨樣方式 轉(zhuǎn)速（rpm） 時(shí)間(s) 壓力（N） 水砂紙型號(hào) 冷卻水流量粗磨 150 90 30 80 大中磨 150 150 40 220 中細(xì)磨 150 180 50 1200 小拋光：試樣磨完后要進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光的目的是去除磨光時(shí)留下的磨痕，提高試樣表面的光反射性，改善組織分辨率，要

19、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(shí)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(shí)間(s)） 壓力（N） 拋光液型號(hào)（um） 劑量/級別粗拋 150 330 60 9 0/9中拋 150 270 60 3 0/0細(xì)拋 150 240 60 0.04 0/0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(shí)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。2.2.3 用顯微鏡觀察所利

20、用的金相顯微鏡（如圖2-5）型號(hào)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(shí)驗(yàn)觀察的容主要有：顯微組織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）-Al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(shí)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

21、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(jì)算機(jī)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(jì)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。圖 2-4 二次枝晶測量方法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(jì)算平行

22、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(jì)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)或截線與共晶區(qū)域交點(diǎn)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(diǎn)數(shù)）。將數(shù)出的黑點(diǎn)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<0.10.1-0.50.5-1

23、.01.0-5.05.0-10>10ABCDEF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(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析主要分析實(shí)驗(yàn)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)，

24、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 3.5 3.6精煉 2.3 1.2除氣 0.5 0.4過濾 0.1 0.1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，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-Al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

25、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。3.2.1.1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-Al基體深。裂紋的萌生與Si相有密切關(guān)系21：（1）共晶Si與共晶Al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Al基體的界面分離；（2）共晶Si與Al基體的塑性不同，Si相為脆性相，而Al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-

26、Al鋁基體晶界上(如圖3-2a中方框)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到與裂紋前進(jìn)方向相異的共晶硅粒子時(shí)，將截?cái)喙簿Ч枇Ｗ?，使硅粒子發(fā)生斷裂23，即穿晶斷裂。3.2.1.2 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(shí)。變質(zhì)后的共晶硅顆粒大部分呈點(diǎn)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）3.2.1.3 二次枝晶二次枝晶（如圖3-2b和3

27、-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(gè)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，枝晶與枝晶間塊狀共晶體的強(qiáng)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(gè)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(gè)成果在國同類行業(yè)中是比較

28、先進(jìn)的。3.2.2 斷口缺陷斷口缺陷分析是分析鋁合金斷裂機(jī)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）。3.2.2.1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）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(bǔ)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）圖3-3b 典型縮孔（未變質(zhì)）2)產(chǎn)

29、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(jī)理是金屬鑄造結(jié)晶時(shí)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(bǔ)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(jī)理是：熔體中未出去的氣體氫氣含量較高，氣體被隱蔽在樹枝晶枝杈間隙，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(shí)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(bǔ)縮嚴(yán)重不足時(shí)就會(huì)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(qiáng)鋁合金的沖擊韌性和斷面收縮率，在熱軋和鍛造時(shí)易引起裂紋。縮孔破壞了金屬的連續(xù)性，嚴(yán)重影

30、響工藝性能，截取鑄錠坯料時(shí)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、防止熔體在爐時(shí)間過長、防止熔體過熱等。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(qiáng)度、適當(dāng)降低開始凝固溫度和凝固終了溫度差。3.2.2.2 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3-3

31、c中的D）是氣孔中卷入渣滓形成的，其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。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(gè)條件：一是溶解的氣體處于過飽和狀態(tài)；二是氣泡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(shí)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(shí)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(shí)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

32、成氣泡的過飽和區(qū)域愈寬；時(shí)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(kuò)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區(qū)域愈窄；同時(shí)，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(kuò)散系數(shù)、分配系數(shù)以及結(jié)晶區(qū)間的大小都會(huì)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)

33、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。3.2.2.3 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）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

34、屬流動(dòng)性，促進(jìn)渣子上浮。3.2.2.3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(gè)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(shí)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。3.2.2.3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

35、有渣子時(shí)就為渣皮（如圖3-3g中的F）。圖 3-3f 典型氧化膜（變質(zhì)后）圖3-3g 典型氧化膜（未變質(zhì)）2）形成原因：氧化膜形成的機(jī)理主要有兩個(gè)：一是在熔煉和鑄造過程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(shí)浮在熔體表面的氧化皮被破碎比卷入熔體，最后留在鑄錠中。二是鋁合金熔煉時(shí)，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

36、干凈。b）熔煉過程中盡量少反復(fù)補(bǔ)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。c）空氣濕度不能大。d）提高熔煉溫度，除渣除氣時(shí)間不能太短，靜置時(shí)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(dòng)性。結(jié)論根據(jù)所觀察的結(jié)果和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，以及結(jié)合實(shí)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(gè)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

37、、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(huì)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724-737，加入精煉劑50Kg，精煉時(shí)間28min-30min，攪拌時(shí)間20min時(shí)工藝效果最好。3）變質(zhì)后共晶硅的形態(tài)由針狀變成點(diǎn)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17.78um，對合金性能尤其是裂紋的萌生有一定影響。致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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)直到最后論文的定稿都得到了國老師的指點(diǎn)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)

38、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(dú)立從事科學(xué)研究的素質(zhì)與能力。同時(shí)，他還在為人方面給予了我極幫助、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(diǎn)，我在此謹(jǐn)表示衷心地感。這次試驗(yàn)一直在聯(lián)信戴卡公司完成，包括各個(gè)試樣的選取、試樣的制備、試樣的觀察、工藝參數(shù)的補(bǔ)充以及圖片的采集等。工廠的總和各位師傅給與了大力支持和幫助，尤其是君衛(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。對評審論文和參加答辯的各位老師、專家致以最真誠的感，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

39、健康快樂!參考文獻(xiàn)1 朱正峰.AI-Ti-B中間合金的制備及其細(xì)化性能的研究D.:理工大學(xué).2008,52 Ejiofor J U, Reddy R G. Effects of porous carbon on sintered Al- Si-Mgmatrix compositesJ. Journal of Materials Engineering3 Atxaga G, Pelayo A, Irisarri A M. Effect of microstructure on fatigue behavior of cast Al7- Si- Mg alloy J. Mater Sci Tech

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