上海材料研究所金相分析培训十一铝及铝合金的金相检验PPT课件

1 铝与铝合金金相检验 杨力 2 概述 1 特点 密度小 优良的塑性 高导电性 导热性 抗蚀性能 铸造性 切削加工成型 高的比强度和比刚度 2 应用 飞机 机械 化工 电力 仪表 建筑等各领域 3 铝合金的分类 4 铝合金的分类 铸造铝合金合金组元含量在D点以右 由于出现共晶组织 其塑性差 液体流动性好 适合铸造 故称铸造铝合金 根据在铝基体中加入的主要合金元素分为铸造铝硅合金 ZL1XX 铸造铝铜合金 ZL2XX 铸造铝镁合金 ZL3XX 铸造铝锌合金 ZL4XX 铸造铝混合稀土合金 铸造铝锂合金等 变形铝合金合金组元含量在D点以左的合金可通过加热得到单相固溶体 塑性变形能力较好 适合于冷热加工 故称为 根据其能否采用热处理手段来强化性能 分为可热处理强化铝合金 Al Cu 2XXX 系列 Al Si 4XXX 系列 Al Mg 5XXX 系列 Al Mg Si 6XXX 系列 Al Zn 7XXX 系列及其他系列 如Al Li 不可热处理强化铝合金 纯铝 1XXX 系列 防锈铝Al Mn 3XXX 系列 Al Mg 5XXX 系列 5 合金元素在铝中的作用 Si 室温时硅在铝中溶解度极小 属共晶类组织Cu 高强度铝合金的重要合金元素Mg 可以提高铝合金的强度 降低比重 并有一定的抗蚀性Mn 提高铝的抗蚀性Zn 在铝中溶解度很大 6 铝合金金相检验内容 1 加工过程形成的不良组织2 确认各种合金元素加入而形成的金属间化合物相 7 铝合金的宏观检验 特点 使用简单手段 可在较大范围内对铝合金制品的内在缺陷作检验 方法 断口检验低倍检验 8 铝合金的宏观检验 1 试样的制备取样部位 有代表性取样方式 锯切或铣割加工方法 切削加工量小粗糙度要求 不低于3 2Ra清洗 汽油 酒精 丙酮 9 铝合金的宏观检验 2 试样的侵蚀侵蚀剂 NaOH 10 25 时间 3 30min去膜 20 30 HNO3冲水 10 铝合金的宏观检验 3 检验标准JB T7946 2 1999 铸造铝合金针孔 五级针孔GB T3246 2 2000 变形铝及铝合金制品低倍组织检验方法 缺陷分为22种晶粒度检验断口检验 11 变形铝合金的缺陷 疏松 非金属夹杂 外来夹杂及白斑 氧化膜 化合物 一次晶 羽毛状晶 光亮晶粒 气孔 冷隔 铸造裂纹 板材分层 缩尾 成层 挤压裂纹 淬火裂纹 粗晶环 焊合不良 锻造裂纹 压折 流纹不顺 裂口 纵向裂纹 12 铝合金的微观检验 1 试样的制备取样粗磨 锉刀锉平细磨 砂纸抛光粗抛 转速500 600rpm 精抛 转速150 500rpm 2 侵蚀剂的选择根据合金成分 材料状态及检验目的常用侵蚀剂 见表12 1 13 铸造铝合金 Al Si系 ZL1 15种牌号Al Cu系 ZL2 6种牌号Al Mg系 ZL3 3种牌号Al Zn系 ZL4 2种牌号 14 铝硅合金 ZL1xx 第三代铸造铝合金具有良好的铸造性能和抗蚀性含硅 4 5 13 加入强化元素 形成强化相Mg2Si Al2Cu Al2CuMg等缺点 共晶Si呈粗大的针状 机械性能低 需经变质处理 15 Al Si二元合金状态图 16 Al Si二元合金状态图 Al Si二元相图 最简单的共晶型相图 在577 和含12 6 Si时 二元共晶反应L Al Si 在共晶温度 577 Si在固体Al中溶解度为1 65 室温时溶解度几乎为零 17 铝硅合金基本组成相 Al 树枝状晶 基体 Si初晶硅 多边形 几何状 深灰色共晶硅 针块状 18 三种铝硅合金基本组织 亚共晶Al Si合金 树枝状 Al 相 Si 共晶体 分布在 枝晶间 共晶Al Si合金 Si 共晶过共晶Al Si合金 块状初生Si Si 共晶体 19 ZL102合金 10 0 13 Si 在Al Si相图共晶点成分左右 其组织有大量 Al Si共晶组织以外 可出现少量的初生 Al 或出生Si相 通常ZL102合金中含较多杂质元素Fe 因此用Al Fe Si三元相图可得出 对于含Fe量较低 且含Si量处于共晶点成分左侧的ZL102合金组织为 Al Si Al9Fe2Si2 三元共晶对于含Fe量较高 或有较多含P量时 ZL102合金组织为 初生Si Al9Fe2Si2 Al 有时可能有 Al12Fe3Si 20 ZL103铸造态金相 21 变质处理 变质处理 为提高Al Si合金的综合性能 加入变质剂 改变硅的分布形状 使其呈点球状 变质处理的类型 钠变质 磷变质 锶变质变质不正常原因变质不足是由于变质不完全 或部分变质失效所致变质后停留时间过长引起变质效果衰退 变质过度主要是由于变质剂加入过多所引起 22 变质处理前后硅形貌 23 磷变质处理 24 铝硅合金组织中的杂质相及主要特征 FeAl3 抛光态呈针片状 浅灰色 比 Al Fe Si 稍明 0 5 HF浸蚀后基本不变色 浸蚀时间长略呈棕色 T1相 即 Al12Fe3Si 相 抛光态为亮灰色 初晶呈多角形 与 Al 形成共晶时呈文字状 0 5 HF浸蚀后不变色 T2相 即 Al9Si2Fe2 相 抛光态呈粗针片状或细针条状 短栅状 灰色 具有钢光泽 在0 5 HF作用下呈棕色 25 多元铝硅合金中新相及主要特征 Mg2Si相 抛光态初晶呈多角形 共晶常为鱼骨状 亮灰色 但随试样抛光时间不同而呈蓝 棕色 0 5 HF浸蚀后变为黑色 相 即Al2Cu相 抛光态为浅桔红色或带粉红色的密集结晶 常呈湖泊状或具光滑边界的骨骼状分布于 晶界处 在0 5 HF作用下不受蚀 经25 HNO3热蚀后呈红铜色 深棕色或黑褐色 S相 即Al2CuMg 抛光态为黄灰色或浅黄色 常呈蜂窝状密集结晶 在0 5 HF作用下略受浸蚀呈浅棕色 W相 即AlxMg5Cu4Si4相 抛光态为浅灰色 或青灰色片状 块状或骨骼状 在0 5 HF浸蚀下不浸蚀 26 铝硅合金的热处理 由于Si在Al中的溶解度变化较小 故铝硅二元合金的热处理强化效果较差 但多元铝硅合金均可以通过热处理以析出弥散强化相的方法来提高性能 铝合金中主要形成的中间相有 Al2Cu 相 Mg2Si 相 Mg2Zn2 相 Al2CuMg S相 Al2Mg3Zn2 T相 AlxMg5Cu4Si4 W相 等 由于他们在铝中的溶解度随温度下降而剧烈降低 故可用固溶处理 淬火 和时效的方法来提高强度 27 固溶处理 把合金加热到溶解度曲线以上 相图 保温一定时间 随后迅速冷却 得到过饱和固溶体组织 以便随后通过时效来提高强度 固溶加热温度应高于溶解度曲线 以得到最大溶解度的固溶体 提高强化效果 但应低于共晶温度 以免出现共晶过热组织 从而降低零件力学性能 甚至报废 固溶化后 需以很快的速度冷却下来 防止合金中间相析出 以得到高浓度的过饱和固溶体 28 时效处理 固溶处理所得到的过饱和固溶体处于亚稳定状态 其中的合金中间相 如Al2Cu Mg2Si等 有很大的析出倾向 所以 固溶处理后 在一定温度下 随时间增长 过饱和固溶体逐渐析出弥散的中间相 Al2Cu Mg2Si等 细小质点 使合金硬度 强度升高 该过程即为 时效 合金在室温下析出的现象为 自然时效 加热到一定温度保温时的析出为 人工时效 29 铝铜合金ZL2xx系列 第二代铸造铝合金 Cu含量3 11 是强度最高的铝合金可通过热处理强化 具有高的强度和耐热性 铸造性能差 易产生裂纹 密度高 抗蚀性低强化相Al2Cu适于铸造大负荷或耐热铸件 30 Al Cu二元合金状态图 31 铝铜合金主要相 Al2Cu T Al12Mn2Cu Al6Mn Al3Ti等新相 杂质相 N Al7Cu2Fe 等 可分别形成 Al6Mn 二元共晶及 Al12Mn2Cu 三元共晶 32 铝镁合金ZL3xx系列 第四代铝合金 Mg含量4 11 耐蚀铸铝合金 高的抗蚀性 强度 切削性能和表面光洁度铸造和耐热性能差适于铸造抗蚀 耐冲击和表面装饰性能高的铸件该合金中的主要相 Al Mg5Al8 FeAl3 33 铝锌合金ZL4xx系列 第一代铸造铝合金 无论强度 抗蚀性和铸造性能均无突出的优点 故应用范围有限 合金中的相组成 Al Mg2Si Al9Fe2Si2 34 过热和过烧 显微特征共晶硅周角圆滑并凝聚长大 显示过热特征 共晶硅进一步聚集长大 出现共晶体熔化形成过烧 当温度过高时 出现典型的复熔球和晶界重熔成为严重过烧 一般不允许有过烧存在 产生原因热处理工艺不当 或热处理炉的温度控制仪表失灵 和炉子跑温引起温度过高所致 若炉温不均匀或装炉不合理 造成部分过烧现象 35 过热 过烧特征 36 变形铝合金 37 38 变形强化铝合金 只能采用加工硬化的方法来提高强度纯铝防锈铝 Al Mn系 Al Mg系 39 主要组成相杂质相 40 热处理强化铝合金 热处理 固溶处理 时效处理种类 锻造铝合金 Al Mg Si Cu系 硬铝合金 Al Cu Mg Mn系 超硬铝合金 Al Zn Mg Cu系 41 主要组成相杂质相主要强化相 42 2A14 LD10 金相组织 43 主要组成相杂质主要强化相 44 2A12 LY12 合金的金相组织 45 主要组成相杂质相主要强化相 46 7A04 LC4 合金的金相组织 47 铸造铝合金的金相检验标准 变质效果评定 提高合金的综合性能 硅得到细化 呈点球状 标准 JB T7946 1 1999 铸造铝硅合金变质 钠变质分为6级 磷变质分为4级热处理过烧组织评定标准 JB T7946 3 1999 铸造铝硅合金过烧 分为5级晶粒度评定标准 JB T7946 4 1999 铸造铝铜合金晶粒度 晶粒度分为8级 48 变形铝合金金相检验标准 标准GB T3246 1 2000 变形铝及铝合金制品的显微组织经验方法 铸锭的显微组织检验加工制品淬火及退火试样检验高温氧化铜扩散晶粒度检验 49 铝合金中主要相的侵蚀特征 通过用不同侵蚀剂侵蚀后观察色泽变化予以鉴别 铝合金相鉴别的试剂及相的腐蚀特征见表11 1 50 铜及铜合金的金相检验 51 概述 1 特点 优良的导电性 导热性 足够的强度 弹性和耐磨性 良好的耐腐蚀性 2 应用 电气 石油化工 船舶 机械 建筑等各领域 3 分类 纯铜 黄铜 青铜 白铜加工铜合金 紫铜 黄铜 青铜 白铜铸造铜合金 黄铜 青铜压铸铜合金 特殊黄铜 52 铜合金的宏观检验 制样侵蚀 硝酸水溶液侵蚀 稀盐酸去黑膜铸造铜合金的常见缺陷疏松气孔外来非金属和金属夹杂铸造粗晶冷隔 53 铜合金的微观组织检验 制样 侵蚀 三氯化铁盐酸溶液 硝酸铁水溶液 54 铜合金中非金属夹杂物 常见夹杂物 Cu2O CuS MnS Cu3P BeC Fe Pb Bi等 55 夹杂物在显微镜下的颜色与形态 56 氢脆 纯铜中氧含量较高时 在氢气等气氛中退火过程中 氢气在高温下渗入Cu内与Cu2O作用 形成高压水蒸气 在强度较低的晶界形成逸出通道导致铜的开裂 纯铜中氧含量评定标准YS T335 1991 电真空器件用无氧铜含氧量金相检验法 57 氢脆 58 纯铜 紫铜 分类 含氧量和生产方式工业纯铜 T1 T2 T3 T4无氧铜 TU1 TU2 TUP TUMn组织 铜晶粒 加工变形后为纤维状组织 再结晶退火后为等轴晶 有孪晶 低倍组织为发达的柱状晶晶粒度评定YS T347 2004 单相铜合金晶粒度测定法 GB T6394 2002 金属平均晶粒度测定方法 59 铜晶粒 60 低倍组织 61 紫铜中 Cu Cu2O 共晶体 62 黄铜 普通黄铜 在铜中加入一定量的锌获得普通黄铜Zn 32 单相 黄铜32 Zn 50 Zn 50 单相 黄铜特殊黄铜 加入其他合金元素Pb Al Sn Fe Mn Si Ni等 63 铜 锌二元合金相图 64 铜 锌二元平衡相图中的相 相 固溶体面心立方晶格 Zn在室温下的最大溶解度达38 39 温度升高溶解度降低 在902 905 降到32 相塑性极高 适合于冷热加工 并有优良的锻造 焊接和镀锡能力 相 以电子化合物CuZn为基的固溶体 属体心立方晶格 状态图中由450 468 的连线是 相有序转变温度 高于此线 相是无序固溶体 塑性极高 适于热变形 在连线以下是有序固溶体 塑性差 冷变形较困难 相 以电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体 属复杂立方晶格 低于270 是有序固溶体 性极脆不能塑性加工 65 H62的组织形貌 挤压组织热轧组织 66 特殊黄铜 67 例题 试计算特殊黄铜HAl59 3 2的名义含Zn量及预估其组织36 3 6 2 1 3 XZn 46 4 36 59 3 6 2 1 3 HAl59 3 2的组织为 68 铝黄铜 ZH77 2 77 Cu 2 Al 锌当量折算为28 7 故为单相 组织ZH67 2 5 67 Cu 2 5 AlHAl59 3 2 59 Cu 3 Al 2 Ni 按锌当量计算预估组织为 其中 为微量 但铸态组织多数为不平衡冷却 所以实际组织为 69 铅黄铜 在黄铜中加入铅可以提高合金的耐 减 磨和切削性能 铸态时铅质点分布于枝晶间 变形加工后一般以细小粒子的形态均匀分布于合金中 如HPb74 3铅黄铜的显微组织为 Pb HPb59 1铅黄铜的显微组织为 Pb 70 H59 1 71 锰黄铜 在黄铜中加入锰和铁 铅等元素得到锰黄铜 其力学性能 耐蚀性 工艺性