铁对A356铝合金的影响.doc

实验报告实 验 题 目: 铁对A356铝合金的影响学 院: 材料科学与工程 系 别: 材料与冶金工程 专 业: 冶金工程 学 号: 姓 名: 指 导 老 师: 二一二年七月一、实验目的通过本综合实验，使学生掌握如下知识：（1）了解铁元素对A356铝合金的危害；（2）通过对铝合金的均匀化退火和固溶处理工艺，总结各种热处理对富铁相的影响，从而总结铝合金热处理方法对性能的影响；（3）加深学生对热处理如何影响金相组织的认识；（4）铝合金金相检验的原理及检验步骤，进一步加深对铝合金中金属夹杂物的认识。二、实验原理在铝合金中，针状-Fe相对合金性能影响很大。当合金中铁超过一定含量时，严重影响合金的物理性能（如抗拉强度、硬度）。通过实验改变铁相形貌，提高合金的物理性能。相关文献指出热处理能改变铝合金中-Fe相。铝合金的常规热处理方法是将其加热到液相线以下某一温度，然后保温。在固相线温度进行热处理，能使富Fe相溶解、碎断、球化，从而改善合金的性能。Narayanan等详细研究了非平衡热处理对铝硅合金中铁相的影响。热处理使铁相形态明显改善，并提高了合金的力学性能。在热处理过程中铁相端部慢慢的溶解，并沿宽度方向断裂。可见热处理的温度对铁相溶解断裂的影响远比时间的影响大。合金在固相线温度进行热处理能使富铁相溶解、断裂和球化，从而改变合金的性能。热处理温度是影响针状铁相溶断的最重要的因素，温度提高，铁相平均长度明显变小，热处理温度越高，铁相的长度越短。针铁发生熔断主要是由于针铁相内部和表面存在缺陷，这些缺陷位置的铁原子、硅原子等原子处于高能状态，在满足热力学和动力学条件时，由于原子扩散而在这些缺陷处发生溶解现象。然而针状铁相一般被认为是一种稳定的相组织。在铝硅合金的各种常规热处理规范中针状铁相均不易发生形貌上的变化。采用非平衡热处理的方法，即在常规的热处理温度之上，在合金的凝固温度以下这样一个温度区间里对试样进行保温，使针状铁相产生断裂变短。当高于常规热处理温度进行保温时，针状铁相的溶断就可以进行，但仍需要较长的时间。进一步提高非平衡热处理的温度，可以预期能增加针状铁相的断裂速度，却会导致局部区域的晶间熔化。溶断温度高，溶断所需时间就短。三、实验设备与材料1实验设备：金相显微镜、维氏硬度计、Axio Imager蔡司光学显微镜、抛光机、砂轮机、切割机、石墨坩埚、砂箱、井式加热炉、天平。2实验材料：A356铝合金坯料（铝硅亚共晶合金：熔点为615，密度为2.63g/cm3二元共晶温度为576 ，Fe含量为0.2%)。Al-Fe中间合金坯料（Fe含量为18%）。四、实验过程1、研究发现随着Fe含量的升高，铁相存在方式由向转变，铸件中当含Fe量不同其铁相形貌也不同。一般说，含Fe0.8%时，铸件组织中仅出现鱼骨状的铁相。当合金中含Fe0.8%时，铁相逐渐向铁相转变，铸件组织中易析出针状铁相，合金的力学性能也出现较大的变化，当Fe达到1.0%左右时，合金中仍然存在少量的铁相，但基本以针状的铁相形态存在，针状的铁相极易割裂-AL基体，因此当Fe含量0.8%时，合金的力学性能下降较快。比较不同含量的性能，找到铝、铁含量的配比关系，具体配比见表。材料组别 A356铝合金（g）Al-Fe中间合金（g）Fe含量（%）一组560.00.00.2二组547.412.60.6三组534.825.21.0四组519.140.91.5五组503.456.62.0总量2664.7135.32、称量物质：实验时，考虑物质的氧化、成渣。不能按物质为100%量取，量取量应同时扩大为103%。使用天平称量A356铝合金块重量、Al-Fe中间合金块重量。实验用A356铝合金为块状，Al-Fe中间合金为块状。 3、熔炼过程：1）A356铝合金的熔点615，Al-Fe中间合金熔点在1000左右，所以应将A356铝合金和Al-Fe中间合金一同加入。由于很多外在因素：加热炉、物质本身、坩埚等因素的影响，应加热铝合金为800 。2）先将石墨坩埚预热到熔炼温度，待温度为800打开炉盖，将称好的A356铝合金和Al-Fe中间合金一同放入坩埚中，在井式加热炉中加热。3）在800下熔炼15分钟后，打开炉盖用铁棒搅拌铝液，使铁和铝充分反应，使铁充分扩散。之后再保温20分钟后即可浇注。备注：由于井式炉每炉可以加入三个坩埚，我们5组成分分为两炉熔炼。 4、浇注 将熔炼好的铝液注入直径为2cm长为15cm的模具中，每炉浇注三根试样，在空气中冷却。将浇成的每组三根试样，分别从每组中取出一根试样做均匀化退火（将试样加热至545，保温十个小时，随炉冷却）；将未处理的试样每组取一根和经过均匀化退火的试样标号用于制样。5、制样将铸锭用切割机切去上部下部，留中间部分，将中间部分锯成四段用于观察，由上及下分别别号为1、2、3、4号件。分别磨制试样下面：先用砂轮机倒角，再用砂纸细磨：280、320、400、500、600、800、1000号磨制，再用分别用粗抛、精抛抛光机抛光，之后观察组织形态。6、金相组织观察照相用Axio Imager蔡司光学显微镜分别在100倍、200倍、500倍、1000倍下观察试样组织富铁相形态并拍照。照下金相组织，用于观察和对比。7、硬度测试用维氏硬度计分别测试各试样的维氏硬度并记录数据。8、热处理由于经验不足及相关文献较少，淬火温度采取逐级降低探索的方式确定。第一次设定淬火温度为700，结果经30分钟随炉升温至700试样全部熔化；第二次调整淬火温度为650并采取待炉温到650后加入试样，待加入试样后炉温升至650保温10分钟，结果试样部分软化；第三次调整淬火温度为630，保温10分钟，断电并开炉降温，待20分钟后炉温降至600，取出试样在65的水中淬火。9、将淬火后的试样重复5-7步骤。五、实验结果及分析第一组（维氏）硬度 测试点试件1/HV2/HV3/HV原1号51.356.053.953.73原3号66.973.071.570.47第二组（维氏）硬度 测试点试件1/HV2/HV3/HV原1号65.562.259.762.47原3号67.866.965.266.63第三组（维氏）硬度 测试点试件1/HV2/HV3/HV原1号59.561.260.160.27原3号63.964.268.165.40第四组（维氏）硬度 测试点试件1/HV2/HV3/HV原1号60.257.256.457.93原3号62.861.862.762.43第五组（维氏）硬度 测试点试件1/HV2/HV3/HV原1号52.853.956.354.33原3号65.264.466.865.47各组别平均（维氏）硬度组别试件第一组/第二组/第三组/第四组/第五组/原1号53.7362.4760.2757.9354.33原3号70.4766.6365.4062.4365.47硬度分析：如图所示在铝硅合金中随着Fe含量的升高，试样的硬度呈下降趋势。当合金中含Fe0.8%时，铸件组织中仅出现鱼骨状的铁相。当合金中含Fe0.8%时，铁相逐渐向铁相转变，铸件组织中易析出针状铁相，合金的力学性能也出现较大的变化，当Fe达到1.0%左右时，合金中仍然存在少量的铁相，但基本以针状的铁相形态存在，针状的铁相极易割裂-AL基体，因此当Fe含量0.8%时，合金的力学性能下降较快。从而降低合金的机械性能(如抗拉强度、硬度)。由原1号件与原3号件比较可知3号试样硬度大于1号试样的硬度，这是由于铸件上下冷却速度不同，铸件上部冷却速度较下部冷却速度快导致上部铁相较易形成，从而使得1号件硬度较低。另一方面，对于3号试样，Al2Cu、Mg2Si、Al2CuMg等金属化合物这些强化相在较缓慢冷却时，随温度的下降溶解度显著减小而析出，这些强化相由于发生脱溶分解，产生沉淀相强化；同时由于重力沉积作用这些强化相在铸件下部（3号件）也趋于增加，弥散在Al基体中，也使得试样硬度增加。备注：上图中个别硬度不服从整体趋势，分析时予以忽略，这些个别点可能是由于人为因素或测试试样平面不够平行造成。原一组3号原一组1号原二组1号原二组3号原三组3号原三组1号原四组3号原四组1号原五组1号原五组1号金相分析：Si：初生硅呈多面体。与形成共晶时呈针状，变质成颗粒状。抛光为灰色，在不交偏光下无外圈。HV：1320。Mg2Si： 亮灰色，偏光下无外圈。初晶呈多角形，当与形成共晶时呈短条或颗粒状，并排列成鱼骨状。Mg2Si在抛光过程中受到侵蚀，于显微镜下呈暗蓝色到棕色HV：450。Al2Cu： 明场观察时为亮白色或具微弱玫瑰色。在不交偏光下无明显外圈；当其与形成二元共晶体时，常呈较粗肥的颗粒状，湖泊状或连成网络状。HV：560。S（Al2CuMg）： 呈密集点状，黄灰色；或为棱镜状或针状，呈略暗于Al2Cu的亮灰色，偏光下外圈紫到黄灰色。HV：449。T1（Al2FeSi）亦称（Fe-Si）：较Si为浅的灰色，片状。与形成共晶时呈骨骼状，偏光下无外圈。T2（Al9Fe2Si2），亦称（Fe-Si）：较T1及FeAl3略暗的针条状。偏光下有明显外圈。HV：578。FeAl3：灰色较Si稍亮，呈针状，量多与A形成共晶时为骨骼状。偏光下有暗色外圈。HV：960。Al6（MnFe）：针条及块状。较FeAl3略亮，与形成共晶时为骨骼状，偏光下有明显外圈。具有明确强烈的色彩。HV：540。N：亮灰，针状或条状，偏光下为暗到亮灰外圈。HV：608。由以上金相照片可以看出不同组别的相同位置