常用有色金属材料的组织与检验.ppt

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1、常用有色金属材料的组织与检验1常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验 众所周知，目前有色金属材料在航空工业中占有重要地位。据报道，目前铝合金在现代先进的军用及民航飞机的结构材料中仍保持统治地位（约占结构用材的5080%）。这主要有两方面原因：一是通过改进热处理状态，充分发挥原有合金的潜力；另一方面是通过降低合金中的杂质含量，研制出一系列高纯、高强、高韧的新型铝合金，提高了合金的疲劳强度、断裂韧性，降低裂纹扩展速率，改善抗应力腐蚀性能。另外，镍基高温合金、钛合金和铝、镁合金有色金属在航空发动机用材中约占7090%。近年来，随着发动机推动比的提高，高压压气机叶片和盘也开始采用高温

2、合金，使其在发动机上的用量也有所增加，最高可达60%左右。且在民用工业上也逐渐增多。为确保有色金属材料的性能符合有关技术条件的要求，以保证产品的内在质量，应根据有关标准之规定，加强合金的金相组织检验工作。为此，本意主要介绍常用铝合金及铜合金的组织及其检验方法。2常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金一、铝合金一、铝合金（一）概述 铝合金具有质轻、抗蚀、导电、导热、比强度高等特点，而且无低温脆性，易加工成型等优点，可通过固溶强化、时效强化和冷加工强化等工艺来提高其力学性能，因此，在航空、航天及许多国防部门都是不可缺少的材料，在机械制造、化工、电力、仪表及轻工部门等也

3、得到了广泛的应用。铝合金通常按热处理特性、性能、用途、或合金系列来分类（图1），合金元素量低于最大熔点D时，合金加热到一定温度后可成为单相固溶体，塑性好，便于加工，故称为“形变铝合金”。合金元素量大于D点后，由于出现共晶组织，其塑性差，流动性好，适用于铸造，故称为“铸造合金”。在变形铝合金中，按合金成分又可分为热处理可强化铝合金及热处理不可强化铝合金。按性质和用途还可分为防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝等合金。而铸造铝合金通常根据主要添加元素分成各种不同合金系列，如铝硅、铝铜、铝镁和铝锌等系列合金。铝合金在铸、锻和热处理等各种生产工艺不同，相应的组织和性能不同，还会出现变质不良、过烧、粗晶与穿流等各

4、种组织缺陷和废品。所以各种铝制件在其制造过程中，必须进行高低倍组织检查来确保产品质量的可靠性。图1 铝合金分类状态示意图3常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金（二）铸造铝合金 1.铸造铝合金的组织特点 铸造是高温液体金属在浇注前进行必要的处理后，在各种类型的铸型中凝固成型的过程。在此过程中金属液的结晶有它特定的规律，它不同于轧制型材的固相形变组织。浇注后的各相形成有先后之分，先生成相的成长一般不受到空间阻碍或较少受到阻碍，当先生成相的核心形成后，其周围都是它成长的空间，因而先生成相具有特定的无拘束的形态。后生成的其它相只能在先生成相的残留空间生成，故受到先生成相

5、的阻碍，其分布也受到约束。另外，液体金属将与空气、造型材料和熔炼浇注工具等发生机械的、物理和化学的相互作用，对凝固后的铸件内部会产生气孔和夹杂等各种不利影响，所以铸组织有它固有特点。1）铸件凝固冷却较慢，组织较粗大，各种初晶、共晶形成的相结晶成较粗大的片状、块状、针状或骨骼状等，而铝固溶体晶粒生长成明显的树枝状。2）由于铸造合金中有较高的合金元素，就易形成粗大而数量较多的共晶组织，分布在(Al)固溶体晶粒边界和枝晶间，构成枝晶网络。3）铸件形状不同，各部位冷速不同，形成结晶的不平衡而产生成分和组织的不均匀，以及初晶和共晶的偏析等，各种相组织变化较大，给金相组织的鉴别带来很多困难。铸造组织中还存

6、在较多的铸造缺陷，如氧化物夹杂、缩孔、疏松、针孔、气泡和裂纹等。2.铸造工艺对组织的影响 合金熔炼和铸造成型工艺对铸造组织的影响是明显的，主要的因素有以下几个4常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金方面：1）冷却速度的影响 在铸造成型过程中，提高冷却速度，使固溶体晶粒由粗大的树枝状结晶变成细小的等轴晶粒，还引起初生相和共晶相的细化，分布更为均匀。由于组织的细化，增加了热处理效果，明显地提高了机械性能，同时可以减轻和防止某些铸缺陷的形成，改善铸件的致密性，抵制针孔的产生，消除粗大脆性相，使之成细小均匀分布，减小其有害作用。2）凝固压力的影响 浇注后增加凝固压力可加速

7、模具和铸件间的热交换，使冷速加快，缩短凝固时间，细化晶粒，减少成分偏析，而且增加氢在金属液中的固溶度，防止气泡成核，因而减轻了气孔和针孔等缺陷，提高了补缩能力，可消除缩孔和疏松。在高压下凝固时可提高Al-Si合金中硅的溶解度，增加共晶体中硅的数量，使枝晶改变为等轴晶组织和共晶硅细化，因而提高了强度塑性和抗疲劳能力。3）变质处理对组织与性能的影响 金属液的变质处理是细化铸造组织的方法之一，它可使固溶体、共晶组织和初晶组织细化。在合金中添加少量的Ti、Zr、B、V等合金元素，以增加合金液中Al3Ti、Al3Zr、AlB2、TiB2等高熔点化合物作为固溶体结晶核心，而使固溶体细化。在含硅较高的铝合金

8、液中添加磷和金属钢或氟化钠、氯化钠等混合盐，增加硅的结晶核心，使共晶硅细化呈小颗粒状，消除粗大的针状和片状硅，从而提高了机械性能。在过共晶型铝硅合金中添加少量的磷或磷复合物，以形成AlP化合物作为初生硅的晶核，使初晶硅细化至1080m之间的颗粒状硅晶体，消除粗大板状、块状和针状硅晶体，改善加工性能和机械性能，以获得高耐磨的铸铝合金。3.铸铝合金的组织及其形态 根据合金中主要元素含量的不同，可分为五类铸造铝合金。合金成分不同，性5常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金能各异，主要是由于组成相及其形态不同所致。1）铝硅系合金 这类合金中一般含有513%硅，属于亚共晶和

9、共晶型合金。它具有良好的铸造性能、气密性和抗蚀性等优点，是工业中应用最广泛的铸造合金。含硅量为1013%的简单Al-Si二元合金（ZL102），具有良好的铸造性能，但在熔融状态下吸气倾向大，铸件易形成针孔，而且铝与硅不形成任何化合物，仅形成有限固溶体。它的金相组织是由粗大的针条状的共晶硅和块状初晶硅分布在(Al)基体上（图2），由于硅的脆性大，机械性能和加工性能也很差，不能热处理强化，只能通过变质处理来细化硅晶体改善性能，所以一般只能用于负荷不大的、形状复杂的仪表外壳的零件。若合金中杂质元素铁含量过高，会形成粗大的条片状铁相（图3），使铸件晶粒粗大，脆性增加。图2 ZL102合金(Al)基体上

10、分布着条片状共晶硅和块状初晶硅 100 图3 ZL102合金经NaOH水溶液 侵蚀后黑色铁相 1006常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金 为了进一步提高Al-Si合金的性能，通常在Al-Si合金中加入一些强化元素组成多元合金，使合金中形成Mg2Si、Al2Cu、S(Al2CuMg)、W(Al4Mg5Cu4Si4)等强化相，通过固溶沉淀来提高合金性能，根据加入合金元素量就形成了各种合金系列的牌号。为了达到铸铝合金规定的基本性能，一般加入合金元素含量较高，因此，可以形成相的各类较多，有的与基体形成共晶体，有的形成化合物相，一般它们以固溶体类型的化合物或金属间化合物

11、存在。合金中相的形态、大小和浇注工艺及铸件形状有密切关系。通常组成相的形态有它固有特征，并可通过化学试剂和光学特性加以鉴别。Si相：在Al-Si系合金中常以三种形态出现。（1）初晶Si，呈边界规则的多边形块状，一般以独立的形态存在。（2）未变质共晶Si，呈针状或条片状。（3）变质后共晶Si，呈短条状或粒状。侵蚀前呈暗灰色有闪光，侵蚀后闪光消失变暗灰色。在偏光下有微红反射，硬度达1380HV。Mg2Si相：是Al-Si系中的强化相，在抛光态呈亮灰色，随抛光时间延长变为蓝棕色。初晶为多角形，共晶多呈鱼骨状或分枝，实际生产中在铸件偏析处均能见到。它不受NaOH水溶液侵蚀，而混合酸、硝酸、氢氟酸和磷酸

12、等水溶液均能使其强烈侵蚀（图4）。Al2Cu相：是主要强化相之一，在未侵蚀时为亮灰色略带微弱的玫瑰红，在高铜区呈网状共晶。而低铜区常沿晶界呈椭圆状共晶，当用0.5%HF水溶液侵蚀后为白亮色（图5），用25%HNO3或10%NaOH水溶液热蚀后变为铜红色或褐色。7常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金 W(AlxCu4Mg5Si4)相：强化效果不明显，在抛光状态下为浅灰色，其形状有骨骼状和块状。经0.5%HF侵蚀后变为棕红色，用25%HNO3侵蚀后为深褐色。Al6Cu3Ni相：在组织中数量较少，在高温下较稳定，可提高合金高温性能。在抛光条件下，外形较圆滑，呈骨骼状结

13、晶，颜色较亮，侵蚀时易显示相界。Al3Ni相：亦称相，常与(Al)组成二元共晶，以棒、片状结晶出现，抛光态为明灰色，在0.5%HF水溶液侵蚀下发黑。Al3Ti相：在耐热铸铝合金中增加耐热性，细化晶粒，抛光态下呈棒状或长片状，不受0.5%HF水溶液侵蚀，性脆，不受热处理影响。图4 颗粒状共晶Si(变质)+(Al)+块状多角 形初晶Mg2Si和分枝状共晶Mg2Si(黑色)，混合酸侵蚀 100 图5 灰色共晶Si+黑色针状铁相 +白亮色Al2Cu相 (黑色块状为显微缩孔)1008常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金Al3Fe相：含杂质Fe较高时，易出现Al3Fe相（硬

14、度960HV）。抛光态呈灰色粗针状为主，割裂基体，增加脆性，降低强度。适当加入一些锰元素，可改变铁相的组织形态，从而降低其危害性。(Al9Fe2Si2)相：其形态为片状或宽针状，呈浅灰色，在偏光下有亮色外圈，用0.5%HF水溶液侵蚀后呈棕色。其硬度为578HV。(Al12Fe3Si)相：初晶(Al12Fe3Si)相为不定形片状，但一般以共晶形式存在为骨骼状，未侵蚀时呈亮灰色，与(Al)交界处有黑色外圈。用H2SO4或NaOH水溶液侵蚀变黑色，其硬度为330360HV。AlFeMnSi相：其形态以骨骼状或“汉字”状，随合金中Fe含量增高而增多，用0.5%HF水溶液侵蚀后呈棕色或黑色，不受25%H

15、NO3水溶液侵蚀，因此可与W(AlxCu4Mg5Si4)相加以区别。N(Al7Cu2Fe)相：呈针片状，一般沿晶界分布，主要在Al-Cu合金中出现，Al-Si系中主要在ZL110合金中出现，以提高耐热性，有时在ZL107合金中也可能出现少量N(Al7Cu2Fe)相。侵蚀前为亮灰色，用0.5%HF水溶液侵蚀后呈棕色，用混合酸侵蚀后变为褐色，用高氯酸电抛光后呈褐色或黑色。Al8FeMg3Si6相：其形态呈骨骼状或枝叉状，不易侵蚀着色和显现相界，为灰白色，在偏光下发生明显的变色反应。9常用有色金属材料的组织与检验常用有色金属材料的组织与检验铝合金铝合金表8 铝合金中常见的主要相及其符号单元和二元化合

16、物18(Al)、(Si)、(Al2Cu)、(Mg2Si)、ZrAl3、VAl2、TiB2、TiAl3、Al7Cr、Al3Fe、Al3Ni、Al6Mn、(Al4Ce)、(Mg2Al3)或(Mg5Al8)、(MgZn2)、Al4Ce等三元化合物19S(Al2CuMg)、(AlSiFe)、(Al9Si2Fe2)、N(Al2FeSi3)、Al3(CuNi)2、Al6Cu3Ni、Al10Mn2Si、T(Al2Mg3Zn3)、Al8Mn4Ce、Al8CuCe、(MnFe)Al6、(Al12MnSi)、(Al12Fe3Si)、AlFeSi、T(Al6CuMg4)、AlMnSi、Al7Cu2Fe、Al9FeNi、T(Al12Mn2Cu）等四元化合物11W(AlxMg5Si4Cu4)也有写成W(Al4Mg5Si4Cu4)、Al8FeMg3Si6、Al12Cu(MnFe)、Al6(CuFeMn)、Al12(CrFe)3Si、AlFeMnSi、AlCrFeSi、AlCuFeSi、T(AlZnMgCu)、AlFeSiNi、AlCeCuSi等五元化合物2AlMgSiFeNi、AlCeNiFeSi共计5010常用