A356铝合金显微结构及拉伸断口分析_范宋杰

表 2 点元素分析情况/ %( 质量) Tab. 2 The result of chemical elements analysis
of microregion / wt %
位置 第一点 第二点 第三点
Al 12. 30 25. 48 1. 72
Si 87. 70 74. 52 69. 48
Mg 0 0 13. 00
械性能 。因为超过一定临界尺寸的气孔 ,是材料失 效时裂纹萌芽点 。本试验中使用的合金经过热等静 压处理 ,在金相照片和在扫描电镜照片中 ,没有发现 一般铸造铝合金中明显的大气孔 ,可以看到气孔残 留下的细小的不规则的空隙 ,说明热等静压处理在 较高的温度和较高的压力条件下 ,可以有效地减少 和消除大的气孔 ,降低合金中的气孔体积分数 ,从而 可以较大的提高材料的基本力学性能 。
第 2
14 卷 007
第 2 期 年4月
金属功能材料
Metallic Functional Mat
erial
s
Vol1 14 April ,
, No1 2 2007
A356 铝合金显微结构及拉伸断口分析
范宋杰1 ,2 ,何国球1 ,2 ,刘晓山1 ,2 ,徐 坡1
6. 6
来自百度文库
0. 36
0. 09
0. 19
< 0. 005
< 0. 01
余量
在该试样上切一块小试样 ,切割成适当尺寸 ,磨 平抛光后 ,使用腐蚀液为浓度为 0. 5 %(质量) 的 H F 溶液 ,腐蚀 8s 左右 ,在大型卧式光学金相相机上 (莱 卡2446) 拍摄金相照片 ,放大倍数为 ×50 , ×100 ; 用 场发射扫描电镜观察制取的金相试样的表面形貌 , 使用二次电子 ( SEI) 和背散射电子 (B EI) 拍摄 ,做点 元素分析 ,分析析出相和第二相粒子的成分 ,分布和 形貌 ; 从拉伸断裂试样上截取断口 , 高度大约为 5mm 左右 ,切割时用薄膜保护断口不被污染 ,切下 后浸于丙酮溶液中 , 使用超声波清洗 , 处理后做 SEM 试验 ,拍摄断口的表面形貌 ,观察断口特征 。
图 2 场扫描电镜照片 Fig. 2 The photographs of FE2SEM
3. 2 拉伸断口分析 图 3 是本试样的扫描电镜拉伸断口照片 。从拉
伸断口的扫描电镜照片来看 ,断口表面形貌为脆性 断裂和塑性断裂的混合断口 。图 3 (a ,c) 中可以发 现 ,断口表面具有一定的韧窝 ,但是韧窝比较浅和 小 ,铝基体是面心立方结构 ,因此基本上不存在解离 断裂 ,时效铝合金的拉伸断裂形式一般分为三种 ,即 滑移带开裂 、沿晶开裂和韧窝型开裂[6] ,在本试样中 发现其断口表面有很多较为平坦的为准解离面 ,这
铝合金经时效强化 ,在初生相基体内会析出大
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量的沉淀相粒子 ,长条状共晶硅相性质硬而脆 ,且与 基体变形差别很大 ,在拉伸时在共晶硅特别是端部 尖锐处会产生较大的应力集中而产生裂纹 ,拉伸时 这些微裂纹长大 ,临近的微裂纹连接成为较大的裂
纹[8] ,而基体中也存在细小的脆性相 ,由于基体较 软 ,一部分会产生韧窝 (晶界中也会产生) ,一部分则 以有利的晶面开裂 ,形成准解离面 ,这些裂纹互相连 接导致最后的断裂 ,因此形成了复杂的断口形貌[9] 。
图 3 拉伸断口形貌( SEM) Fig. 3 The morphology of tensile fracture surface
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金属功能材料 2007 年
α2Al 结晶与共晶硅相凝固时间不同 ,初生α( Al) 结 晶后 ,少量气孔残留在晶界上 ,当共晶反应后留在 α2Al 与共晶硅相的界面 。图 2 ( b) 是共晶硅颗粒的 放大图 ,点元素分析证明是硅的富集区 ,且硅含量很 高 ,图中原来长条状的共晶硅相被打断 ,使硅颗粒得 到细化 ,这是由于 Sr 元素变质处理的结果 。图 2 (d) 是铝基体中的气孔 ,形状如同“苍蝇脚”,具有缩 孔的特点 。大量气孔的存在会极大地恶化合金的机
1 引 言
A356 系列铝合金是美国于 70 年代研制的一种 铝合金 ,该合金是常用的铸造铝2硅2镁系合金 ,此合 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[1 ,2] , 是铸造铝合金中用途最广的合金之一 。共晶硅颗粒 在基体中的分布及形状影响了铸造 A356 铝合金的 机械性能 ,细小球状 、均匀分布的硅颗粒可以提高该
Analysis of The Microstructure and Tensile Fractogra phs of A356 Alloy
FAN So ng2jie1 ,2 , H E Guo2qiu1 ,2 , L IU Xiao2shan1 ,2 , XU Po1
(1. School of Materials Science and Engineering , Tongji U niversity , Shanghai 200092 , China ; 2. Shanghai Key Lab for R &D and Application of Metallic Functio nal Material , Shanghai 200092 , China)
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2 试验材料和方法
该合金成分如表 1 所示 。该材料经 T6 温度热处 理 ,包括固溶处理和人工时效两个阶段 ,在 538 ℃固
试验材料是由美国通用汽车公司提供的商用铸 溶处理 5h 后淬火 ,在 138 ℃时效 4h 后空冷 。
造铝合金 A356 (长 250mm ,宽 160mm ,高 51mm) ,
表 1 A356 铝合金化学成分/ %( 质量)
Tab. 1 Chemical composition of A356 alloy
元素
Si
Mg
Fe
Ti
Sr
其它元素 ( Cr ,Cu ,Mn ,Ni ,Sn ,Zn)
Al
含量
ABSTRACT : The eutectic silico n p hase 、Fe2rich particles and shrinkage defect dist ributed in t he p rimaryα2Al p hase were o bserved by test met hods such as t he optical metallograp hic micro scope and F E2SEM. The characteristic of mi2 cro st ruct ure has been analysed. The tensile f ract ure surface was also observed by SEM. The f ract ure surface shows t he mixed2rupt ure characteristics of quasi2cleavage and dimple. The f ract ure p rocess and mechanism was investiga2 ted. KEY WORDS : A356 alloy ; micro st ruct ure ; tensile f ract ure surface
基金资助 :国家自然科学基金资助项目 (50371063) ;美国通用汽车公司资助项目 ( RP - 07 - 159) ;教育部“新世纪优秀人才支 持计划”(NCET - 05 - 0388) 。
作者简介 :范宋杰 (1982 - ) ,男 ,浙江奉化人 ,同济大学材料学硕士 。 E2Mail :0520060005 @smail. tongji. edu. cn ,电话 : (0) 13564916507
(1. 同济大学 材料科学与工程学院 ,上海 200092 ;
2. 上海市金属功能材料开发应用重点实验室 ,上海 200092)
摘 要 : 本文对 A356 铝合金进行了金相及场发射扫描电镜试验 ,对分布在初生α2Al 基体上的共晶硅相 、富铁相及 气孔等进行了观察 ,分析了它们的分布特征 、形貌及影响 ;用扫描电镜观察铝合金的拉伸断口形貌 ,表明其断裂是 以脆性断裂为主的混合断裂 ,并研究了其断裂过程及机理 。 关键词 :A356 合金 ;显微结构 ;拉伸断口 中图分类号 : T G146. 21 文献标识码 :A 文章编号 :1005 - 8192 (2007) 02 - 0024 - 04
Fe 0 0 15. 80
图 1 A356 合金的金相照片 Fig. 1 The metallographs of A356 alloys
第一 、二点均为共晶硅相上取的点 ,是硅的富集 区 ,典型的亚共晶非平衡凝固组织 ,第三点中有 Mg 、Fe 存在 ,是富铁相及沉淀的 Mg2 Si 相 。在图 2 (a) 中可以观察到针状富铁相 ,长度大约为 100μm 左右 ,而且多数分布在共晶硅及与基体界面处 ,这些 富铁相是熔炼和铸造使用的工具 (钢或铸铁) 带入铝 中而产生的 ,它们割裂了金属基体的连续性 ,使力学
些准解理面则在断口表面大量分布 ,可以清楚地看 到河流状花纹 ,因此以准解离断裂为主要方式[7] ,在 图 3 左部可能是沿晶界开裂的痕迹 ,可以推断该试 样以脆性断裂起主要作用 。图 3 ( b) 是准解理面的 放大图 ,可以清楚地看到台阶 ,在准解理面边缘可以 发现细小的裂纹 。图 3 ( d) 则具有类似沿晶断口的 形貌 ,而且存在极少数小的韧窝 ,在基体表面还分布 了少量氧化物颗粒 。
4 结 论
1. 金相观察表明共晶硅相呈长条状的枝晶分布 在初生α2Al 相上 ,扫描电镜观察发现针状富铁相多 数分布在共晶硅及其与基体界面处 ,且细长的富铁 相是断裂不连续的 ,并有少量细小形状如同" 苍蝇 脚"的缩孔存在 ,这些沉淀相及气孔的存在使 A356 铝合金的力学性能恶化 。
2. 拉伸断口扫描电镜观察表明 ,A356 的断口是 以脆性断裂为主的韧脆混合断裂 ,可以在断口表面 看到大量的准解离平面及少量韧窝 。
性能严重恶化 。图 2 (c) 是富铁相与共晶硅颗粒的 放大图 ,可以看到基体与共晶硅界面之间有细小裂 纹及很小的缩孔 ,细长的富铁相是断裂的 ,而不是连 续的 ,然而试样没有经过拉伸变形 ,也就是不是外力 使其断裂 ,有可能是由于热处理和热等静压过程中 , 基体相与共晶硅及富铁相的热膨胀系数不同导致局 部应力集中而形成的 ,而小缩孔则可能是由于初生
参考文献 :
〔1〕Ejiofor J U , Reddy R G. Effect s of porous carbon on sintered Al2Si2Mg mat rix co mposites[J ] . Journal of Materials Engineer2 ing and Performance , 1997 , 6 (6) , 785.
3. 结果与讨论
3. 1 显微组织分析 金相显微镜观察 (如图 1) 发现 ,共晶硅组织呈
长条状断断续续分布在初生α2Al 相上 ,初生α2Al 相呈枝晶状分布 ,但部分被打断 ,这是由于材料经细 化剂细化和 T6 热处理后的效果[5] ,这些共晶硅相 一般分布在初生α2Al 相的晶界上 ,因为在界面上共 晶硅易于成核长大 。为了清楚地观察其它相 ,对试 样进行场发射扫描电镜试验及点元素分析 ,结果如 图 2 和表 2 所示 。
合金的拉伸 、冲击及疲劳性能 。而铸造过程中引入 的铁相将使合金的力学性能严重恶化[3] 。其它如残 留气孔等缺陷也对合金有不利的影响 。因此本文对 A356 铝合金的微观组织进行了观察和分析 ,以期为 热加工等工艺提供借鉴资料 。断口的观察和分析可 以给材料的性能和行为等提供许多方面的信息 ,借 助断口形貌的分析解决了许多重要部件的力学行为 问题[4] ,而 A356 铝合金的断口分析资料较少 ,本文 也对该合金的拉伸断口进行了研究 。