A356铝合金显微组织及断口分析

目录

1 绪论 (1)

1.1断口分析的意义 (1)

1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析 (1)

1.3研究方法和实验设计 (3)

1.4预期结果和意义 (3)

2 实验过程 (4)

2.1 生产工艺 (4)

2．1.1 加料 (4)

2.1.2 精炼 (4)

2.1．3 保温、扒渣和放料 (5)

2.1. 4 单线除气和单线过滤 (5)

2.1. 5连铸 (6)

2.2 实验过程 (6)

2.2. 1 试样的选取 (6)

2.2.2 金相试样的制取 (8)

2.2.3 用显微镜观察 (9)

2.3 观察方法 (10)

2.3.1显微组织的观察 (10)

2.3.2 对断口形貌的观察 (11)

3 实验结果及分析 (11)

3.1对所取K模试样的观察 (11)

3.2 金相试样的观察及分析 (12)

3.2.1 对显微组织的观察 (12)

3.2.2 断口缺陷 (15)

结论 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录 (27)

1 绪论

1.1断口分析的意义

随着现代科技的发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发展。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发展。尤其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铝合金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理后，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、舒适、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，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、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影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%[8-9]。所以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影响具有重要意义[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可以分析这些缺陷产生的原因，研究断裂机理，比结合工艺过程分析缺陷产生的原因，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，以提高铝合金铸锭的性能。

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，希望对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密切联系[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Mg2Si，通过热处理来显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。A356合金处于α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶系内，其平衡组织为初生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％，所以，液相成分在达到三元共晶点之前，液相消失，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，在继续冷却过程中析出Si和Mg2Si(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（非平衡凝固），除基本相外，还可出现少量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]。

一般来说，铸造缺陷对构件的抗拉强度影响较小，但较显著影响构件的伸长率[14]。A356铝合金内部缺陷主要有偏析、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很大的影响。因为生产铝锭的铝水是电解铝液，电解铝液的温度一般在930℃以上，是过热金属[15]电解过程产生的H2和AL2O3夹杂直接进入铝液中，会造成H2含量高和AL2O3夹杂多[16]，H2产生气孔、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，影响基体连续性；铸造过程中由于清渣不彻底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颗粒首先发生断裂形成裂纹源。由于以上因素的影响，A356铝合金容易断裂，从而影响其强度、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，用光学显微镜可以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：用肉眼观察其存在形式、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；检测杂质净化效果和晶粒细化效果。

显微夹杂：用金相显微镜和扫描电镜观察其存在形式、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；检测杂质净化效果和晶粒细化效果。

对A356铝合金显微组织的观察主要用金相显微镜进行观察。首先是取样：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、不同生产阶段的试样。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察索取试样的显微形貌，并获得各个形貌的照片。

对于断口的观察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，通过金相显微镜观察并记录观察到的缺陷，分析缺陷产生的原因。

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察，分析其分布特征、形貌及影响。