A356铝合金显微组织及断口分析

A356铝合金显微组织及断口分析目录1 绪论11.1断口分析的意义 11.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析11.3研究方法和实验设计31.4预期结果和意义 32 实验过程42.1 生产工艺42．1.1 加料42.1.2 精炼42.1．3 保温、扒渣和放料52.1. 4 单线除气和单线过滤52.1. 5连铸62.2 实验过程62.2. 1 试样的选取62.2.2 金相试样的制取72.2.3 用显微镜观看 82.3 观看方法92.3.1显微组织的观看92.3.2 对断口形貌的观看103 实验结果及分析103.1对所取K模试样的观看103.2 金相试样的观看及分析113.2.1 对显微组织的观看113.2.2 断口缺陷13结论17致谢17参考文献 18附录211 绪论1.1断口分析的意义随着现代科技的进展以及现代工业的需求，作为21世纪三大支柱产业的材料科学正朝着高比强度，高强高韧等综合性能等方向进展。

长久以来，铸造铝合金以其价廉、质轻、性能可靠等因素在工业应用中获得了较大的进展。

专门随着近年来对轨道交通材料轻量化的要求日益迫切[1]，作为铸造铝合金中应用最广的A356铝合金具有铸造流淌性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，通过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[2-3]，与钢轮毂相比，铝合金轮毂具有质量轻、安全、舒服、节能等，在汽车和航空工业上得到了日益广泛的应用[4]。

然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下专门容易溶入氢，因此铸造铝合金不可幸免地包含一定数量的缺陷，例如间隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等[5-7]。

这些缺陷对构件的力学性能阻碍较大，如含1%体积分数的间隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%[8-9]。

因此研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的阻碍具有重要意义[10]。

而这些缺陷往往是通过显微组织和断口分析来研究的。

另外，通过显微组织和断口分析所得到的结果能够分析这些缺陷产生的缘故，研究断裂机理，比结合工艺过程分析缺陷产生的缘故，从而对改进工艺提出一定的有效措施，确定较好的生产工艺，以提升铝合金铸锭的性能。

但关于该合金的微观组织及其断口分析研究较少，研究内容深但不够综合，每篇论文多研究其部分缺陷，断口的获得多为拉伸端口。

因此，期望对A356铝合金的断口缺陷有一个较为全面的研究。

1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析铸件的力学性能与其微观组织有紧密联系[11]。

A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，它是Al-Si二元合金中添加镁、形成强化相Mg2 Si，通过热处理来明显提升合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。

A 356合金处于α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶系内，其平稳组织为初生α-Al＋（α-Al＋Si）共晶＋Mg2Si。

其相图如右图1-1，在冷却时，由液相先析出α-Al铝，随着铝的析出，液相成分变至二元共晶线，发生共晶反应，反应式为：L→α-Al＋Si (1)图1-1 铝硅镁三元共晶图由于A356的含Si量仅为7％，因此，液相成分在达到三元共晶点之前，液相消逝，凝固完全。

凝固后的组织为初生α-Al基体＋（α-Al＋Si）共晶。

凝固后铝固溶体含有Si和Mg元素，在连续冷却过程中析出Si和Mg 2Si(如图1-1)。

室温下的组织为初生α-Al、（α-Al＋Si）共晶和Mg2Si。

冷却速度较快时，次生相Si和Mg2Si弥散细小不易分辩，而表现出α-Al和（α-Al＋Si）共晶。

在实际铸造条件下（非平稳凝固），除差不多相外，还可显现少量α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶体和杂质铁等构成的杂质相和一些复杂的多元共晶相[13]。

一样来讲，铸造缺陷对构件的抗拉强度阻碍较小，但较明显阻碍构件的伸长率[14]。

A356铝合金内部缺陷要紧有偏析、缩松、缩孔、气孔、针孔、非金属夹杂和夹渣、金属夹杂、氧化铝膜、白点等。

这些缺陷对其性能和强度有专门大的阻碍。

因为生产铝锭的铝水是电解铝液，电解铝液的温度一样在930℃以上，是过热金属[15]电解过程产生的H2和AL2O3夹杂直截了当进入铝液中，会造成H2含量高和AL2O3夹杂多[16]，H2产动气孔、气泡和白点缺陷的重要因素，AL2O3易形成夹渣；电解铝液中的杂质元素Fe、Si与合金中的Mn、Mg等元素作用形成Al-FeMnSi、Mg2Si等第二相，分布于晶粒内以及晶界处，阻碍基体连续性；铸造过程中由于清渣不完全以及凝固过程中的选分结晶和冷却条件不当易于生成夹杂、缩松和缩孔[17]；α-Al枝晶二次枝晶臂之间板片状共晶体是材料中最薄弱的区域，该区域中尺寸最大的Si颗粒第一发生断裂形成裂纹源。

由于以上因素的阻碍，A356铝合金容易断裂，从而阻碍其强度、塑韧性和力学性能。

若共晶Si呈灰色针状和片状，杂乱无章地分布在α-Al铝基体上，用光学显微镜能够看到铸造过程中的铸造缩孔、铸造气孔、氧化膜等缺陷。

1.3研究方法和实验设计大颗粒夹杂：用肉眼观看其存在形式、数量、大小和分布特点（存在区域）以及夹杂物本身的形貌和大小，并结合冶炼工艺分析其来源；检测杂质净化成效和晶粒细化成效。

显微夹杂：用金相显微镜和扫描电镜观看其存在形式、数量、大小和分布特点（存在区域）以及夹杂物本身的形貌和大小，并结合冶炼工艺分析其来源；检测杂质净化成效和晶粒细化成效。

对A356铝合金显微组织的观看要紧用金相显微镜进行观看。

第一是取样：包括用长柄样勺从和料炉铝液、用短柄样勺从炉外取样以及取成品样，将取到的熔液倒入样饼模和K模得到样饼和K模试样，用上述取样方法选取不同工艺参数、不同生产时期的试样。

将取得的试样通过切、车、銑、磨、抛等步骤制成金相试样，通过不同的放大倍率观看索取试样的显微形貌，并获得各个形貌的照片。

关于断口的观看所用试样是公司提供的，将试样断口处切下，在车床上将试样切成金相试样大小，然后通过粗磨、细磨、抛光、浸蚀制成金相试样，通过金相显微镜观看并记录观看到的缺陷，分析缺陷产生的缘故。

1.4预期结果和意义1）结合企业生产需求，对A356铝合金进行金相及扫描电镜试验，对分布在初生α-Al基体上的共晶硅相、杂质相及气孔等进行观看，分析其分布特点、形貌及阻碍。

2）用扫描电镜观看铝合金断口形貌，并研究其断裂过程及机理。

3）将所观看的断口形貌进行分类。

2 实验过程此次实验分为三个步骤：1）生产工艺，要紧是了解生产的概况，记录生产过程中的工艺参数；2）实验时期，是关键步骤，要熟悉实验过程中的每个步骤，把握所需的参数；3）观看方法，是对试样进行观看的总结。

2.1 生产工艺联信公司用的是魏桥铝厂提供的电解铝液，通过连铸生产A356铝合金铸锭。

该厂有四个和料炉，每炉装料量为30t，从南到北分不为1#炉、2#炉、3#炉和4#炉。

两条国内最大连铸生产线，单块铝锭规格：长：740mm；宽：105（95）mm；高：55mm；重量：约9.5Kg。

整跺铝锭规格：740×7 40×760mm。

每跺块数：93块。

详细工艺过程如下。

2．1.1 加料A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，要紧成分是：Si6.5%-7.5%，Mg20%-0.40%，Cu≦0.20%，Zn≦0.10%，Mn≦0.10%，Ti≦0.20%，其他元素每种≦0.05%，其余是铝。

该厂要紧生产A356.2铝合金，加料方法为：向和料炉中加铝水分为两次，真空包（最大铝量为9000㎏）运来铝水后用天车吊到炉前，打开和料炉炉门开始倒铝水，现在铝液温度在840℃-880℃，5min左右倒完，开始熔炼。

按照不同工艺设定熔炼温度和所要加的成及其用量运算加料量，如加硅、加镁、加钛、废铝锭等。

下表是A356. 2铝合金的成分表。

表2.1 A356.2铝合金化学成份（%）Si Ti Mg Fe Cu Mn Zn P6.5-7.5 ≤0.20.30-0.45 ≤0.12 ≤0.1≤0.05 ≤0.05 痕迹2.1.2 精炼加料后为了快速平均成分和温度，在和料炉中进行电磁搅拌。

搅拌时刻在15-20min，按照不同工艺搅拌温度在690℃-740℃；炉内精炼是通过喷吹以氮气作为载体将精炼剂和清渣剂加入炉内的，氮气纯度大于等于99.99 5%，喷吹时刻为5min-10min。

精炼剂和清渣剂的用量为0.1%-0.2%（与Al 相比）。

精炼后取样分析，按照能谱仪结果判定各个元素含量是否合格，补加硅镁等矿石。

2.1．3 保温、扒渣和放料精炼终止后保温一段时刻（一样在10min-15min），待温度平均后开始扒渣。

该厂运用人工扒渣，扒渣时刻在15min-30min，时刻可长达40min，费时费劲。

扒渣完成后静置5min，使成分和温度平均。

待成分和温度符合放料条件时，打开和料炉炉门开始放料。

2.1. 4 单线除气和单线过滤铝液出和料炉后先进行在线除气，在通过过滤，之后进入结晶器开始连铸。

2.1.4.1 单线除气使用ALPUR-55旋转除气装置进行在线除气(图2-1)。

这种除气装置为双石墨转子，最大金属流量为55t/h。

ALPUR净化工艺是基于吸附净化原理，通过转子吹出精炼气体，借助旋转喷嘴产生平均分布的微小气泡，并与反应室内的熔体充分接触反应使熔体净化。

精炼气体能够是氮气，也能够是氮气与氯气的混合气体。

图2-1 ALPUR净化铝熔体示意图2.1.4.2单线过滤过滤除渣要紧是靠过滤介质的阻挡作用、摩擦力或流体的压力使杂质沉降或堵滞，从而净化熔体。

上述生产线采纳CFF双级泡沫陶瓷过滤板，过滤箱安装2套平行过滤板，处理流量为55t/h。

过滤板为双层30/50ppi复合泡沫陶瓷过滤板，上层过滤板的孔隙度为30ppi，底层过滤板的孔隙度为50ppi。

CFF泡沫陶瓷过滤装置能够有效除去直径大于20um的夹渣物，过滤效率可达75%。

图2-2为泡沫陶瓷过滤装置工作示意图。

图2-2 CFF泡沫陶瓷过滤装里工作示度图2.1. 5连铸过滤后的铝液通过溜槽流入结晶器，浇铸机转速为863rpm-864rpm，开始结晶出来的坯壳先由人工导入足辊，之后进入校直段。

铝锭通过切定尺之后被切断。

铝锭的冷却是通过喷水冷却的，分三段冷却。

冷却水流速分不为0.137m/s、0.684m/s和1.478m/s；流量分不为133.7m3、401.1m3和88 3.1m3。

剪切后的铝锭通过机械手堆垛，最后捆扎。

2.2 实验过程关于显微组织及断口分析实验，要紧工具是显微镜观看。

因此实验要紧分三个步骤：1)试样的选取；2)金相试样的制备；3)观看记录。

2.2. 1 试样的选取取样时要注意取样时期和参数，对各个试样的详细信息做记录。

在1#、3#、4#炉内取样时按下表取样。

表格如下。