A356铝合金显微组织及断口分析报告.docx
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1、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 争论方法和试验设计31.4 预期结果和意义32 试验过程32.1 生产工艺421.1 加料42.1.2 精炼42.1.3 保温、扒渣和放料42.1. 4 单线除气和单线过滤52.1. 5 连铸62.2 试验过程62.2. 1 试样的选取62.2.2 金相试样的制取82.2.3 用显微镜观看92.3 观看方法102.3.1 显微组织的观看102.3.2 对断口形貌的观看113 试验结果及分析113.1 对所取 K 模试样的观看113.2 金相试样的观看及分析123.2.1 对显微组织的观看123.2.2 断口缺
2、陷15结论23致24参考文献25附录271 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。长期以来,铸造铝合金以其价廉、质轻、性能牢靠等因素在工业应用中获得了较大的进展。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 铝合金具有铸造流淌性好、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
3、。然而,由于其凝固收缩,同时在熔融状态下很简洁溶入氢,因此铸造铝合金不行避开地包含确定数量的缺陷,比方空隙、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乏50%,疲乏极限降 20%8-9。所以争论构件中缺陷的性质、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争论的。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缘由,争论断裂机理,比结合工艺过程分析缺陷产生的缘由,从而对改进工艺提出确定的有效措施,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
4、析争论较少,争论容深但不够综合,每篇论文多争论其局部缺陷,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争论。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亲热联系 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力气,改善合金的力学性能。A356 合金处于-AlMg2SiSi 三元共晶系,其平衡组织为初生-Al-AlSi共晶 Mg2Si。其相图如右图 1-1,在冷却时,由液相先析出-Al 铝,随着铝的析出, 液相成分变至二元共晶线,发
5、生共晶反响,反响式为:L -AlSi(1)图 1-1 铝硅镁三元共晶图由于 A356 的含 Si 量仅为 7,所以,液相成分在到达三元共晶点之前,液相消逝,凝固完全。凝固后的组织为初生-Al 基体-AlSi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Mg2Si(如图1-1)。室温下的组织为初生-Al、-AlSi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-Al 和-AlSi共晶。在实际铸造条件下非平衡凝固,除根本相外,还可消灭少量-AlMg2SiSi 三元共晶体和杂质铁等构成的杂质相和一些简洁的多元共晶相13。一般来说,
6、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。由于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等其次相,分布于晶粒以及晶界处,影响基体连续性;铸造过程中由于清渣不彻底以及
7、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 ;-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铝合金简洁断裂,从而影响其强度、塑韧性和力学性能。假设共晶Si呈灰色针状和片状, 杂乱无章地分布在-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 争论方法和试验设计大颗粒夹杂: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看其存
8、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看主要用金相显微镜进展观看。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看索取试样的显微形貌,并获得各个形貌的照片。对于断口的观看所用试样是公司供给的,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
9、制成金相试样,通过金相显微镜观看并记录观看到的缺陷,分析缺陷产生的缘由。1.4 预期结果和意义1) 结合企业生产需求,对 A356 铝合金进展金相及扫描电镜试验,对分布在初生-Al 基体上的共晶硅相、杂质相及气孔等进展观看,分析其分布特征、形貌及影响。2) 用扫描电镜观看铝合金断口形貌,并争论其断裂过程及机理。3) 将所观看的断口形貌进展分类。2 试验过程此次试验分为三个步骤: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试验阶段,是关键步骤,要生疏试验过程中的每个步骤, 把握所需的参数;3观看方法,是对试样进展观看的总结。2.1 生产工艺联信公司用的是桥铝厂供给的电解铝液,通
10、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。两条国最铸生产线,单块铝锭规格:长:740mm;宽:10595mm; 高:55mm;重量:约9.5Kg。整跺铝锭规格:740740760mm。每跺块数: 93 块。具体工艺过程如下。21.1 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%,Cu0.20%,Zn0.10%,Mn0.10%,Ti0.20%,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
11、为两次,真空包最大铝量为9000 运来铝水后用天车吊到炉前,翻开和料炉炉门开头倒铝水,此时铝液温度在840-880,5min 左右倒完,开头熔炼。依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 2.1A356.2 铝合金化学成份%SiTiMgFeCuMnZnP6.5-7.50.20.30-0.450.120.10.050.05痕迹2.1.2 精炼加料后为了快速均匀成分和温度,在和料炉中进展电磁搅拌。搅拌时间在15-20min,依据不同工艺搅拌温度在690-740;炉精炼是通过喷吹以氮气作为载体将精炼剂和清渣剂参与
12、炉的,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,依据能谱仪结果推断各个元素含量是否合格,补加硅镁等矿石。2.1.3 保温、扒渣和放料精炼完毕后保温一段时间一般在 10min-15min,待温度均匀后开头扒渣。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,翻开和料炉炉门开头放料。2.1. 4 单线除气和单线过滤铝液出和料炉后先进展在线除气,在经过过滤,之后进入结晶器开头连铸。2.1.4.1
13、 单线除气使用 ALPUR-55 旋转除气装置进展在线除气(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,并与反响室的熔体充分接触反响使熔体净化。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。上述生产线承受 CFF 双级泡沫瓷过滤板,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
14、沫瓷过滤板, 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 为泡沫瓷过滤装置工作示意图。图 2-2 CFF 泡沫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,开头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
15、。剪切后的铝锭通过机械手堆垛,最终捆扎。2.2 试验过程对于显微组织及断口分析试验,主要工具是显微镜观看。因此试验主要分三个步骤: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留意取样阶段和参数,对各个试样的具体信息做记录。在 1#、3#、4#炉取样时按下表取样。表格如下。表 2-21#炉参数表阶段时间取样温度熔炼精炼喷吹过滤8 h 0.5h724737699693表 2-33#炉和 4#炉参数表阶段时间取样温度3# 炉 熔 炼8h7473# 炉精炼0.5h7374#炉熔炼7024#炉精炼6991) 炉取样:炉取样用长柄样勺如图 2-3,取样前先给样勺和模具
16、刷一层涂料并烘烤枯燥,保证样勺和模具干净。为保证所取铝液有代表性应当在炉膛中心取样,先用样勺扒开浮渣,然后将样勺深入液面 100mm 以下,防止带入渣子。将铝液取出后倒入样饼模图 2-2-1得到样饼,倒入 K 模K 模包括有 K 模本体,K 模本体设置有一槽道,槽道设置有至少一个沿槽道宽度方向布置的断裂楔块中得到K 模试样。在取K 模时,一对模具要用一勺铝水同时浇铸完全, 但凡其中一个不合格的要同时浇铸一对。图 2-3 长柄样勺2) 炉外取样:炉外取样与炉取样大致一样,但用短柄样勺图 2-4-2取样。取样时要逆着铝液流盛取。图 2-4 短柄取样勺和样饼模,1-样饼模,2-短柄样勺3) 成品样的
17、选取:成品铝锭应选有代表性的,然后弄断,切下断口,实行确定措施保护断口防止断口被氧化。2.2.2 金相试样的制取用金相分析的方法来观看检验金属部的组织构造是工业生产中的一种重要 手段,例如对原材料的冶金质量状况如偏析、非金属夹杂物分布类型与级别检查; 对铸造材料的铸造疏松、气孔、夹渣组织均匀性检查;对锻造件的外表脱碳、过热、过烧、裂纹、变形等状况检查。金相试样的制取是格外关键的一步 18,假设制备不当,则可能消灭假象,从而得出错误的结论 19。金相试样的制备包括: 切样、銑样、磨样、抛光和浸蚀。1) 切样和銑样:所取成品断口试样横截面大小不适宜难以放进磨样机固定装置时,应当首先将试样切成确定大
18、小和外形,留意不要破坏要观看的断面。在对断面和样饼进展磨制前应领先銑所要观看的那一面,以使盖面平坦,便于磨制。2) 磨样:磨光过程是试样制备最重要的阶段,除使试样外表平坦外,主要是使组织损伤层削减到最低程度。试样是用机械进展磨制的,每次可同时磨六个试样。首先将试样固定在固定装置上,然后设置参数,开启开关进展磨制。磨样过程分三步:粗磨、中磨和细磨。要求每次要掩盖上次的磨痕,磨完后要清洗掉砂纸上的残留。磨样过程中连续供水喷在磨样处。磨样时参数如下。表 2:磨样参数磨样方式转速rpm时间(s)压力N水砂纸型号冷却水流量粗磨150903080大中磨15015040220中细磨150180501200小
19、抛光:试样磨完后要进展机械抛光,抛光的目的是去除磨光时留下的磨痕, 提高试样外表的光反射性,改善组织区分率,要求将金相试样抛成镜面。抛光过程也分三步:粗抛、中抛和细抛,抛光时不喷水,有对应的抛光液。每次抛完要将抛光布上的剩余洗净。抛光过程参数设置如下。表 3:抛光参数抛样方式别转速rpm时间(s)压力N抛光液型号um剂量/级粗抛1503306090/9中抛1502706030/0细抛150240600.040/0浸蚀:全部的金相试样都必需浸蚀,显微组织可以很清楚显示,便于观看。所用浸蚀剂为0.5%氢氟酸水溶液 (HF0.5mL+蒸馏水 100mL),浸蚀时间为10s-15s。浸蚀后用清水冲洗,
20、然后用酒精擦拭,最终用电吹风吹干。2.2.3 用显微镜观看所利用的金相显微镜如图2-5型号为Fegrapol-31,是丹麦生产的。显微镜直接与电脑相连,所观看的图像可以直接被拍成照片传到电脑上。利用显微镜对全部试样进展显微组织观看和断口缺陷分析后可获得显微组织图像和断口缺陷图像。图 2-5 金相显微镜2.3 观看方法试验观看的容主要有:显微组织的观看主要是显微组织类型、形态和大小。断口观看主要是观看断口的缺陷、数量、形态和大小。2.3.1 显微组织的观看1-Al 基体和共晶 Si 相的观看:对视野中所呈现形态要首先生疏组织的种类、颜色和数量等特征。对共晶 Si 相晶粒大小的测量首先要选定具有代
21、表性的或颗粒便于测量的晶粒,要对不同处理的晶粒如变质的与未变质的进展观看。金相图中的晶粒尺寸大小、相的分布、各相相对含量、相的特征以及化学成分等都可以通过 Image-Pro Plus 的计算机数字化处理来完成。2)二次枝晶的观看:对二次枝晶的争论主要是对枝晶间距的争论。二次枝晶间距的测量方法为截线法20。如图 2-4 所示,即画一条平行于一次枝晶的线和假设干条平行于二次枝晶臂且垂直于一次枝晶的线,通过测量各条平行线的间距大小并取平均值来计算二次枝晶的平均间距。只取与一次枝晶相连且二次枝晶臂完整的枝晶进展测量。图 2-4 二次枝晶测量方法在金相图片中找出符合要求的位置,先画出一次枝晶的平行线,
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