鋁合金顯微組織及斷口分析

目錄HYPERLINK1緒論 1HYPERLINK1.1斷口分析的意義 1HYPERLINK1.2對顯微組織及斷口缺點的理論分析 1HYPERLINK1.3研究辦法和實驗設(shè)計 3HYPERLINK1.4預(yù)期成果和意義 3HYPERLINK2實驗過程 3HYPERLINK2.1生產(chǎn)工藝 4HYPERLINK2．1.1加料 4HYPERLINK2.1.2精煉 4HYPERLINK2.1．3保溫、扒渣和放料 4HYPERLINK2.1.4單線除氣和單線過濾 5HYPERLINK2.1.5連鑄 6HYPERLINK2.2實驗過程 6HYPERLINK2.2.1試樣的選用 6HYPERLINK2.2.2金相試樣的制取 8HYPERLINK2.2.3用顯微鏡觀察 9HYPERLINK2.3觀察辦法 10HYPERLINK2.3.1顯微組織的觀察 10HYPERLINK2.3.2對斷口形貌的觀察 11HYPERLINK3實驗成果及分析 11HYPERLINK3.1對所取K模試樣的觀察 11HYPERLINK3.2金相試樣的觀察及分析 12HYPERLINK3.2.1對顯微組織的觀察 12HYPERLINK3.2.2斷口缺點 15HYPERLINK結(jié)論 23HYPERLINK致謝 24HYPERLINK參考文獻 25HYPERLINK附錄 271緒論1.1斷口分析的意義隨著當代科技的發(fā)展以及當代工業(yè)的需求，作為21世紀三大支柱產(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，鍛造鋁合金以其價廉、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。特別隨著近年來對軌道交通材料輕量化的規(guī)定日益迫切[1]，作為鍛造鋁合金中應(yīng)用最廣的A356鋁合金含有鍛造流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向小，通過變質(zhì)和熱解決后，含有良好的力學(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，鋁合金輪轂含有質(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，同時在熔融狀態(tài)下很容易溶入氫，因此鍛造鋁合金不可避免地包含一定數(shù)量的缺點，例如空隙、氧化物、孔洞和非金屬夾雜物等[5-7]。這些缺點對構(gòu)件的力學(xué)性能影響較大，如含1%體積分數(shù)的空隙將造成其疲勞50%，疲勞極限降20%[8-9]。因此研究構(gòu)件中缺點的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和分布位置對力學(xué)性能的影響含有重要意義[10]。而這些缺點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成果能夠分析這些缺點產(chǎn)生的因素，研究斷裂機理，比結(jié)合工藝過程分析缺點產(chǎn)生的因素，從而對改善工藝提出一定的有效方法，擬定較好的生產(chǎn)工藝，以提高鋁合金鑄錠的性能。但有關(guān)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點，斷口的獲得多為拉伸端口。因此，但愿對A356鋁合金的斷口缺點有一種較為全方面的研究。1.2對顯微組織及斷口缺點的理論分析鑄件的力學(xué)性能與其微觀組織有親密聯(lián)系[11]。A356合金是一種典型的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Mg2Si，通過熱解決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合金處在α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶系內(nèi)，其平衡組織為初生α-Al＋（α-Al＋Si）共晶＋Mg2Si。其相圖如右圖1-1，在冷卻時，由液相先析出α-Al鋁，隨著鋁的析出，液相成分變至二元共晶線，發(fā)生共晶反映，反映式為：L→α-Al＋Si(1)圖1-1鋁硅鎂三元共晶圖圖1-1鋁硅鎂三元共晶圖由于A356的含Si量僅為7％，因此，液相成分在達成三元共晶點之前，液相消失，凝固完全。凝固后的組織為初生α-Al基體＋（α-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α-Al、（α-Al＋Si）共晶和Mg2Si。冷卻速度較快時，次生相Si和Mg2Si彌散細小不易分辯，而體現(xiàn)出α-Al和（α-Al＋Si）共晶。在實際鍛造條件下（非平衡凝固），除基本相外，還可出現(xiàn)少量α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶體和雜質(zhì)鐵等構(gòu)成的雜質(zhì)相和某些復(fù)雜的多元共晶相[13]。普通來說，鍛造缺點對構(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)部缺點重要有偏析、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。這些缺點對其性能和強度有很大的影響。由于生產(chǎn)鋁錠的鋁水是電解鋁液，電解鋁液的溫度普通在930℃以上，是過熱金屬[15]電解過程產(chǎn)生的H2和AL2O3夾雜直接進入鋁液中，會造成H2含量高和AL2O3夾雜多[16]，H2產(chǎn)憤怒孔、氣泡和白點缺點的重要因素，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，分布于晶粒內(nèi)以及晶界處，影響基體持續(xù)性；鍛造過程中由于清渣不徹底以及凝固過程中的選分結(jié)晶和冷卻條件不當易于生成夾雜、縮松和縮孔[17]；α-Al枝晶二次枝晶臂之間板片狀共晶體是材料中最單薄的區(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α-Al鋁基體1.3研究辦法和實驗設(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)凈化效果和晶粒細化效果。對A356鋁合金顯微組織的觀察重要用金相顯微鏡進行觀察。首先是取樣：涉及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，用上述取樣辦法選用不同工藝參數(shù)、不同生產(chǎn)階段的試樣。將獲得的試樣通過切、車、銑、磨、拋等環(huán)節(jié)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、細磨、拋光、浸蝕制成金相試樣，通過金相顯微鏡觀察并統(tǒng)計觀察到的缺點，分析缺點產(chǎn)生的因素。1.4預(yù)期成果和意義1）結(jié)合公司生產(chǎn)需求，對A356鋁合金進行金相及掃描電鏡實驗，對分布在初生α-Al基體上的共晶硅相、雜質(zhì)相及氣孔等進行觀察，分析其分布特性、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行分類。2實驗過程本次實驗分為三個環(huán)節(jié)：1）生產(chǎn)工藝，重要是理解生產(chǎn)的概況，統(tǒng)計生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)；2）實驗階段，是核心環(huán)節(jié)，要熟悉實驗過程中的每個環(huán)節(jié)，掌握所需的參數(shù)；3）觀察辦法，是對試樣進行觀察的總結(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：740×740×760mm。每跺塊數(shù)：93塊。具體工藝過程以下。2．1.1加料A356合金是一種典型的Al-Si-Mg系三元合金，重要成分是：Si6.5%-7.5%，Mg20%-0.40%，Cu≦0.20%，Zn≦0.10%，Mn≦0.10%，Ti≦0.20%，其它元素每種≦0.05%，其它是鋁。該廠重要生產(chǎn)A356.2鋁合金，加料辦法為：向和料爐中加鋁水分為兩次，真空包（最大鋁量為9000㎏）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算加料量，如加硅、加鎂、加鈦、廢鋁錠等表2.1A356.2鋁合金化學(xué)成分（%）SiTiMgFeCuMnZnP6.5-7.5≤0.20.30-0.45≤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，在和料爐中進行電磁攪拌。攪拌時間在15-20min，根據(jù)不同工藝攪拌溫度在690℃-740℃；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，氮氣純度不不大于等于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)能譜儀成果判斷各個元素含量與否合格，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（普通在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40min，費時費力。扒渣完畢后靜置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行在線除氣，在通過過濾，之后進入結(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，并與反映室內(nèi)的熔體充足接觸反映使熔體凈化。精煉氣體能夠是氮氣，也能夠是氮氣與氯氣的混合氣體。圖2-1ALPUR凈化鋁熔體示意圖2.1.4.2單線過濾過濾除渣重要是靠過濾介質(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，解決流量為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50ppi。CFF泡沫陶瓷過濾裝置能夠有效除去直徑不不大于20um的夾渣物，過濾效率可達75%。圖2-2為泡沫陶瓷過濾裝置工作示意圖。圖2-2CFF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工導(dǎo)入足輥，之后進入校直段。鋁錠通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。2.2實驗過程對于顯微組織及斷口分析實驗，重要工具是顯微鏡觀察。因此實驗重要分三個環(huán)節(jié)：1)試樣的選用；2)金相試樣的制備；3)觀察統(tǒng)計。2.2.1試樣的選用取樣時要注意取樣階段和參數(shù)，對各個試樣的具體信息做統(tǒng)計。在1#、3#、4#爐內(nèi)取樣時按下表取樣。表格以下。表2-21#爐參數(shù)表階段時間取樣溫度熔煉8h724℃精煉0.5h737噴吹699過濾693℃表2-33#爐和4#爐參數(shù)表階段時間取樣溫度3#爐熔煉8h747℃3#爐精煉0.5h7374#爐熔煉7024#爐精煉699℃1)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，確保樣勺和模具干凈。為確保所取鋁液有代表性應(yīng)當在爐膛中心取樣，先用樣勺扒開浮渣，然后將樣勺進一步液面100mm下列，避免帶入渣子。將鋁液取出后倒入樣餅?zāi)＃▓D2-2-1）得到樣餅，倒入K模（K模涉及有K模本體，K模本體設(shè)立有一槽道，槽道內(nèi)設(shè)立有最少一種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鑄完全圖2-3長柄樣勺2)爐外取樣：爐外取樣與爐內(nèi)取樣大致相似，但用短柄樣勺（圖2-4-2）圖2-4短柄取樣勺和樣餅?zāi)＃?-樣餅?zāi)＃?-短柄樣勺3)成品樣的選用：成品鋁錠應(yīng)選有代表性的，然后弄斷，切下斷口，采用一定方法保護斷口避免斷口被氧化。2.2.2金相試樣的制取用金相分析的辦法來觀察檢查金屬內(nèi)部的組織構(gòu)造是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要手段，例如對原材料的冶金質(zhì)量狀況如偏析、非金屬夾雜物分布類型與級別檢查；對鍛造材料的鍛造疏松、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、變形等狀況檢查。金相試樣的制取是十分核心的一步[18]，若制備不當，則可能出現(xiàn)假象，從而得出錯誤的結(jié)論[19]。金相試樣的制備涉及：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適宜難以放進磨樣機固定裝置時，應(yīng)當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。在對斷面和樣餅進行磨制前應(yīng)當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，重要是使組織損傷層減少到最低程度。試樣是用機械進行磨制的，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)立參數(shù)，啟動開關(guān)進行磨制。磨樣過程分三步：粗磨、中磨和細磨。規(guī)定每次要覆蓋上次的磨痕，磨完后要清洗掉砂紙上的殘留。磨樣過程中持續(xù)供水噴在磨樣處。磨樣時參數(shù)以下。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大中細磨150180501200小拋光：試樣磨完后要進行機械拋光，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，規(guī)定將金相試樣拋成鏡面。拋光過程也分三步：粗拋、中拋和細拋，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存洗凈。拋光過程參數(shù)設(shè)立以下。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1503306090/9中拋1502706030/0細拋150240600.040/0浸蝕：全部的金相試樣都必須浸蝕，顯微組織能夠很清晰顯示，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，最后用電吹風吹干。2.2.3用顯微鏡觀察所運用的金相顯微鏡（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，所觀察的圖像能夠直接被拍成照片傳到電腦上。運用顯微鏡對全部試樣進行顯微組織觀察和斷口缺點分析后可獲得顯微組織圖像和斷口缺點圖像。圖2-5金相顯微鏡2.3觀察辦法實驗觀察的內(nèi)容重要有：顯微組織的觀察重要是顯微組織類型、形態(tài)和大小。斷口觀察重要是觀察斷口的缺點、數(shù)量、形態(tài)和大小。2.3.1顯微組織的觀察1）α-Al基體和共晶Si相的觀察：對視野中所呈現(xiàn)形態(tài)要首先認識組織的種類、顏色和數(shù)量等特性。對共晶Si相晶粒大小的測量首先要選定含有代表性的或顆粒便于測量的晶粒，要對不同解決的晶粒（如變質(zhì)的與未變質(zhì)的）進行觀察。金相圖中的晶粒尺寸大小、相的分布、各相相對含量、相的特性以及化學(xué)成分等都能夠通過Image-ProPlus的計算機數(shù)字化解決來完畢。2)二次枝晶的觀察：對二次枝晶的研究重要是對枝晶間距的研究。二次枝晶間距的測量辦法為截線法[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行測量。圖2-4二次枝晶測量辦法在金相圖片中找出符合規(guī)定的位置，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，為了精確獲得二次枝晶間距，選用金相圖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以下：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)域交點的總數(shù)。2.3.2對斷口形貌的觀察1）肉眼觀察：對于K模，重要是用來檢查鋁液純凈度的。將一對K模標記上1-10，然后弄斷。檢核對應(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值判斷鋁液與否合格。表格以下：表2.4各階段K值級別K值級別<0.10.1-0.50.5-1.01.0-5.05.0-10>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：對于顯微缺點的觀察只能借助于顯微鏡，要不停移動物鏡盡量觀察斷面全部的地方，用不同放大倍數(shù)的物鏡觀察，觀察不同放大倍率下缺點所呈現(xiàn)的形態(tài)。3實驗成果及分析重要分析實驗過程所獲取K模試樣和金相試樣。K模試樣重要是用肉眼觀察夾渣數(shù)；金相試樣重要觀察鋁基體和共晶硅的形態(tài)以及斷口缺點形貌。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3-1K模試樣通過數(shù)所選K模斷口夾渣數(shù)，得到K值分別以下表：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。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，另外除氣和過濾都有除渣效果。3.2金相試樣的觀察及分析金相顯微鏡能夠觀察試樣顯微組織形態(tài)及分布，還能夠?qū)Я６却笮『投沃нM行測量；對斷口缺點類型及形態(tài)、大小及數(shù)量和分布進行觀察。3.2.1對顯微組織的觀察重要觀察鋁合金中α-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)解決未經(jīng)變質(zhì)解決的共晶Si普通呈針狀（如圖3-2a和圖3-3b、圖3-3c、圖3-3d中B），顏色比α-Al基體深。裂紋的萌生與Si相有親密關(guān)系[21]：（1）共晶Si與共晶Al界面為非共格界面，存在空位缺點，在應(yīng)力作用下這些空位互相結(jié)合長大，造成了共晶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α-Al鋁基體晶界上(如圖3-2a中方框內(nèi))，當裂紋擴展碰到與裂紋邁進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。3.2.1.2變質(zhì)解決后加鍶變質(zhì)效果最佳，鍶變質(zhì)有較好的長效性，可使變質(zhì)效果維持長達5-8小時。變質(zhì)后的共晶硅顆粒大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)的變化，可使得合金性能有所提高。圖3-2a圖3-2b典型縮松（變質(zhì)后）圖3-2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3-2c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。二次枝晶間距的大小是微觀組織中一種重要數(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)劣的重要特性，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合金的單薄環(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)中是比較先進的。3.2.2斷口缺點斷口缺點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點有：縮松、縮孔、氣孔、針孔、非金屬夾雜和夾渣、氧化鋁膜（體現(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充而產(chǎn)生的細小而分散的孔洞性缺點。在金相顯微鏡下觀察，縮松體現(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孔體現(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3-3圖3-3b典型縮孔（未變質(zhì)）2)產(chǎn)生因素：縮松普通涉及收縮縮松和氣體縮松。收縮縮松產(chǎn)生的機理是金屬鍛造結(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局限性而形成空腔，這種空腔即為收縮縮松。普通尺寸很小，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，氣體被隱蔽在樹枝晶枝杈間隙內(nèi)，隨著結(jié)晶的進行，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。當體積收縮大而液體金屬補縮嚴重局限性時就會形成縮孔。3）危害：縮松使鑄錠密度減小，致密性減少特別是減少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發(fā)裂紋。縮孔破壞了金屬的持續(xù)性，嚴重影響工藝性能，截取鑄錠坯料時必須去掉。4）防止方法：根據(jù)縮松和縮孔產(chǎn)生因素和形成過程可知，有以下的防止方法：a）減少熔體中氣體含量，如烘爐徹底、精煉劑和所需工具烘烤徹底、減少多個材料的水含量、避免熔體在爐內(nèi)時間過長、避免熔體過熱等。b）縮小鑄錠中過渡帶的尺寸，如：采用適宜的漏斗均勻供流適宜提高鍛造溫度和減少鍛造速度、適宜提高水壓以提高鑄錠冷卻強度、適宜減少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，它是內(nèi)表面光滑的球狀空洞缺點，其為未逸出的氣泡在鑄錠中形成的缺點，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。圖3-3c2)產(chǎn)生因素：熔體中的氣體以氣泡析出，必須含有三個條件：一是溶解的氣體處在過飽和狀態(tài)；二是氣泡內(nèi)的壓力之和不不大于作用與氣泡的外壓力；三是有不不大于臨界尺寸的氣泡核。在實際鍛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重要因素：a）熔體原始含氣量高。熔體原始含氣量愈大，則溫度減少時析出的氣體愈多；結(jié)晶界面上液相過飽和濃度愈大，造成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，氣體擴散愈不充足，且來不及析出，因而允許不產(chǎn)憤怒孔的氣體過飽和度增大，造成形成氣泡的過飽和區(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，因而愈能減少形成氣孔的傾向。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)、分派系數(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）鍛造工藝條件。重要通過變化結(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)憤怒孔的臨界含氫量愈高。4)防止方法：1）從原料、工具、設(shè)備、工藝等方面入手減少含氣量。2）適宜提高鍛造溫度、減少鍛造速度，建立良好的析氣條件便于氣泡上浮。3）提高鑄錠冷卻速度制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)局限性）圖3-3e典型夾渣（未變質(zhì)）2）非金屬夾雜產(chǎn)生因素：在熔煉和鍛造過程中，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）防治方法：a）將材料中的油污、水分和灰塵等去除干凈。b）爐子、溜槽和澆道解決干凈。c）精煉要好，精煉溫度不能太低，避免渣子分離不好爐渣要除凈。d）提高鍛造溫度以增加金屬流動性，增進渣子上浮。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，是鑄錠中單個顆粒較大的顆黑色粒或細小成群簇狀細粒。2）產(chǎn)生因素：夾渣經(jīng)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）避免方法：1）認真精煉，確保靜置時間，采用過濾方法。2）保持金屬液面安靜，最佳采用同水平鍛造。3）烘烤工具要徹底，適宜提高鍛造溫度，鍛造完畢后認真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）圖3-3g典型氧化膜（未變質(zhì)）2）形成因素：氧化膜形成的機理重要有兩個：一是在熔煉和鍛造過程中熔體表面始終和空氣接觸，不停進行高溫氧化反映形成氧化膜并覆蓋在熔體表面。當攪拌和熔鑄操作不當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，氧化物夾雜進入熔體成為氧化膜。3）防止方法：a）將原輔助材料的油污、腐蝕產(chǎn)物、灰塵、泥沙和水分等去除干凈。b）熔煉過程中盡量少重復(fù)補料和沖淡，攪拌辦法要對的，避免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，靜置時間要足夠。e）使用的多個工具要預(yù)熱。f）鍛造溫度不能過低，要確保熔體的良好流動性。結(jié)論根據(jù)所觀察的成果和對實驗成果的分析，以及結(jié)合實際工藝克的以下結(jié)論：1）斷口缺點重要有縮松、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持續(xù)性。因此這些缺點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724℃-737℃，加入精煉劑50Kg，精煉時間28min-30min，攪拌時間20min時工藝效果最佳。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17.78um，對合金性能特別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)下完畢的，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協(xié)助。他對我諄諄教導(dǎo)、嚴格規(guī)定，認真檢查我在課題進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)思維與研究辦法，使我真正地懂得了做學(xué)問搞課題研究應(yīng)從何入手、從何進一步，還使我真正含有了獨立從事科學(xué)研究的素質(zhì)與能力。同時，他還在為人方面予以了我極大地協(xié)助、教導(dǎo)和鼓舞，并對我的前途與發(fā)展寄予深切的關(guān)注和指點，我在此謹表達衷心地感謝。這次實驗始終在聯(lián)信戴卡公司完畢，涉及各個試樣的選用、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協(xié)助，特別是陳君衛(wèi)師傅對于觀察金相試樣給與許多指導(dǎo)。在此表達深深的謝意。最后向以上全部的人士以及全部關(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貴重意見，愿您們平安健康愉快!參考文獻[1]朱正峰.AI-Ti-B中間合金的制備及其細化性能的研究[D].甘肅:蘭州理工大學(xué).,5[2]EjioforJU,ReddyRG.EffectsofporouscarbononsinteredAl-Si-Mgmatrixcomposites[J].JournalofMaterialsEngineering[3]AtxagaG,PelayoA,IrisarriAM.EffectofmicrostructureonfatiguebehaviorofcastAl7-Si-Mgalloy[J].MaterSciTech[4]趙鴻.鋁在汽車上的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，1997，1:19-24[5]MayerH,eta.lInfluenceofporosityonthefatiguelimitofdiecastmagnesiumandaluminumalloys[J].IntJFatigue,,25:245-256[6]WangQG,ApelianD,LadosDA.FatiguebehaviorofA356-T6aluminumcastalloys.PartIEffectofcastingdefects[J].JournalofLightMetals,(1):73-84[7]AvalleM,eta.lCastingdefectsandfatiguestrengthofadiecastaluminumalloy:acomparisonbetweenstandardspecimensandproductioncomponents[J].IntJFatigue,,24:1-9[8]CatonMJ.Predictingfatiguepropertiesofcastaluminumbycharacteringsmallcrackpropagationbehavior[D].Universityof[9]Buffier`eJY,SavellibS,JouneauPH.ExperimentalstudyofporosityanditsrelationtofatiguemechanismsofmodelAl-Si7-Mg0.3castAlalloys[J].IntJFatigue,,24[10]冉廣,周敬恩,王永芳,席生岐.A356鋁合金微觀組織及其拉伸性能[J].西安:金屬熱解決，（32）[11]易有福,龍思遠,徐紹勇,王瑞斐,唐曉亮.低壓鍛造A356鋁合金輪轂的微觀組織和力學(xué)性能[J].特種鍛造及有色合金.,28[12]毛協(xié)民.汽車輪轂用A356鋁合金介紹[J].汽車工藝與材料.,10[13]AVALLEM.Castingdefectsandfatiguestrengthofadie-castaluminumalloy:acomparisonbetweenstandardspecimensandproductioncomponents[J].Int.J.Fatigue,,24:1-9[14]劉小山,何國求,范宋杰.A356鋁合金的單軸疲勞特性及斷口分析[J].金屬功效材料,，8[15]孫建華.電解鋁液生產(chǎn)鋁合金扁錠工藝技術(shù)研究與實踐[J].科苑論壇,鋁加工.,1[16]吳文祥，陳琦,馬科.電解鋁液制700鋁合金的鑄態(tài)組織與性能[J].特種鑄造及有色合金,29（11）[17]HYPERLINK張亮,HYPERLINK王志峰,HYPERLINK賈曉飛,HYPERLINK趙維民.A356.2鋁合金輪轂輪輞的縮松分析及性能研究[J].熱加工工藝.,23[18]段虹,李麗霞,何敏祿.金相試樣制備技術(shù)之一:金相試樣的截取和鑲嵌[J].天津:天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報.1998，2[19]張載明.金相試樣磨光和拋光技術(shù)的探討[J].機械開發(fā).1998，1[20]鄒勛.結(jié)晶壓力對真空差壓鍛造鋁合金二次枝晶間距的影響[D].江西：南昌航空大.,6[21]李建國，王亮，楊文言.A356鋁合金中裂紋的萌生及其擴展[J].輕合金加工技術(shù).,1130-34[22]Mocellin