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。

2）用扫描电镜观察铝合金断口形貌，并研究其断裂过程及机理。

3）将所观察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，主要是了解生产的概况，记录生产过程中的工艺参数；2）实验阶段，是关键步骤，要熟悉实验过程中的每个步骤，掌握所需的参数；3）观察方法，是对试样进行观察的总结。

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，从南到北分别为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：740×740×760mm。

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，主要成分是：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。

该厂主要生产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，此时铝液温度在840℃-880℃，5min左右倒完，开始熔炼。

根据不同工艺设定熔炼温度和所要加的成及其用量计算加料量，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均匀成分和温度，在和料炉中进行电磁搅拌。

搅拌时间在15-20min，根据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99.995%，喷吹时间为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，根据能谱仪结果判断各个元素含量是否合格，补加硅镁等矿石。

2.1．3 保温、扒渣和放料精炼结束后保温一段时间（一般在10min-15min），待温度均匀后开始扒渣。

该厂运用人工扒渣，扒渣时间在15min-30min，时间可长达40min，费时费力。

扒渣完成后静置5min，使成分和温度均匀。

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，在经过过滤，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，借助旋转喷嘴产生均匀分布的微小气泡，并与反应室内的熔体充分接触反应使熔体净化。

精炼气体可以是氮气，也可以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单线过滤过滤除渣主要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。

上述生产线采用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泡沫陶瓷过滤装置可以有效除去直径大于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。

铝锭经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。

冷却水流速分别为0.137m/s、0.684m/s和1.478m/s；流量分别为133.7m3、401.1m3和883.1m3。

剪切后的铝锭通过机械手堆垛，最后捆扎。

2.2 实验过程对于显微组织及断口分析实验，主要工具是显微镜观察。

因此实验主要分三个步骤：1)试样的选取；2)金相试样的制备；3)观察记录。

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