上海材料研究所金相分析培训----第十一章铝及铝合金的金相检验2009(1)

1、Senior Engineer YangLi铝与铝合金金相检验杨力概述概述n1、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。n2、应用：飞机、机械、化工、电力、仪表、建筑等各领域。铝合金的分类铝合金的分类铝合金的分类铝合金的分类n铸造铝合金n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。n变形铝合金n合金组元含量在D

2、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。合金元素在铝中的作用nSi：室温时硅在铝中溶解度极小，属共晶类组织nCu：高强度铝合金的重要合金元素nMg：可以提高铝合金的强度，降低比重，并有一定的抗蚀性nMn：提高铝的抗蚀性nZ

3、n：在铝中溶解度很大，铝合金金相检验内容铝合金金相检验内容n1、加工过程形成的不良组织n2、确认各种合金元素加入而形成的金属间化合物相铝合金的宏观检验铝合金的宏观检验n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。n方法：n断口检验 n低倍检验 铝合金的宏观检验铝合金的宏观检验n1、试样的制备n取样部位：有代表性n取样方式：锯切或铣割n加工方法：切削加工量小n粗糙度要求：不低于3.2Ran清洗：汽油、酒精、丙酮铝合金的宏观检验铝合金的宏观检验n2、试样的侵蚀n侵蚀剂：NaOH（10%25%）n时间：330minn去膜：20%30%HNO3n冲水铝合金的宏观检验铝合金的宏观检验

4、n3、检验标准nJB/T7946.2-1999铸造铝合金针孔n五级针孔nGB/T3246.2-2000变形铝及铝合金制品低倍组织检验方法n缺陷分为22种n晶粒度检验n断口检验变形铝合金的缺陷变形铝合金的缺陷n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。铝合金的微观检验铝合金的微观检验n1、试样的制备n取样n粗磨：锉刀锉平n细磨：砂纸n抛光n粗抛（ 转速500600rpm）n精抛（ 转速150500rpm）n2、侵蚀剂的选择n根据合金成分

5、、材料状态及检验目的常用侵蚀剂（见表12-1）铸造铝合金铸造铝合金nAl-Si系（ZL1） 15种牌号nAl-Cu系（ZL2）6种牌号nAl-Mg系（ZL3）3种牌号nAl-Zn系（ZL4）2种牌号铝硅合金（铝硅合金（ZL1xx）n第三代铸造铝合金n具有良好的铸造性能和抗蚀性n含硅（4.5%13%）加入强化元素，形成强化相Mg2Si、Al2Cu、Al2CuMg等n缺点：共晶Si呈粗大的针状，机械性能低。需经变质处理。Al-Si二元合金状态图二元合金状态图Al-Si二元合金状态图二元合金状态图nAlSi二元相图（最简单的共晶型相图）：在577和含12.6Si时：n二元共晶反应 L(Al)+ Si

6、。n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。铝硅合金基本组成相铝硅合金基本组成相n（Al）树枝状晶（基体）nSin初晶硅：多边形、几何状、深灰色 n共晶硅：针块状 三种铝硅合金基本组织三种铝硅合金基本组织n亚共晶AlSi合金：n树枝状(Al)相（Si）共晶体（分布在枝晶间）n共晶AlSi合金：n（Si）共晶n过共晶AlSi合金：n块状初生Si（Si）共晶体： ZL102合金（合金（10.013Si）n在AlSi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。n通常ZL102合金中含较多杂质元素Fe，因此用Al

7、FeSi三元相图可得出：n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：n(Al)Si（Al9Fe2Si2）三元共晶n对于含Fe量较高，或有较多含P量时，ZL102合金组织为：n初生Si（Al9Fe2Si2）(Al)有时可能有（Al12Fe3Si）ZL103铸造态金相变质处理变质处理n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。n变质处理的类型：钠变质、磷变质、锶变质n变质不正常原因n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。n变质过度主要是由于变质剂加入过多所引起。变质处理前后硅形貌变质处

8、理前后硅形貌磷变质处理磷变质处理铝硅合金组织中的杂质相铝硅合金组织中的杂质相及主要特征及主要特征nFeAl3:抛光态呈针片状、浅灰色（比（AlFeSi）稍明），0.5HF浸蚀后基本不变色，浸蚀时间长略呈棕色。nT1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。0.5HF浸蚀后不变色，nT2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0.5HF作用下呈棕色。 多元铝硅合金中新相 及主要特征nMg2Si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。0.5HF浸蚀后变为黑色。n

9、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0.5HF作用下不受蚀，经25HNO3热蚀后呈红铜色、深棕色或黑褐色。nS相，即Al2CuMg:抛光态为黄灰色或浅黄色，常呈蜂窝状密集结晶。在0.5HF作用下略受浸蚀呈浅棕色。nW相，即AlxMg5Cu4Si4相：抛光态为浅灰色、或青灰色片状、块状或骨骼状。在0.5HF浸蚀下不浸蚀。铝硅合金的热处理铝硅合金的热处理n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。n铝合金中主要形成的中间相有：Al2Cu （

10、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。固溶处理固溶处理n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。n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。n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。 时效处理时效处理

11、n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”。n合金在室温下析出的现象为“自然时效”。n加热到一定温度保温时的析出为“人工时效”。铝铜合金铝铜合金ZL2xx系列系列n第二代铸造铝合金，Cu含量3%11%，是强度最高的铝合金n可通过热处理强化，具有高的强度和耐热性，n铸造性能差，易产生裂纹，密度高，抗蚀性低n强化相Al2Cun适于铸造大负荷或耐热铸件Al-Cu二元合金状态图二元合

12、金状态图铝铜合金主要相铝铜合金主要相n（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。铝镁合金铝镁合金ZL3xx系列系列n第四代铝合金，Mg含量4%11%n耐蚀铸铝合金，高的抗蚀性、强度、切削性能和表面光洁度n铸造和耐热性能差n适于铸造抗蚀、耐冲击和表面装饰性能高的铸件n该合金中的主要相（Al）+（Mg5Al8）+FeAl3铝锌合金铝锌合金ZL4xx系列系列n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。n合金中的相组成（Al）

13、+Mg2Si+（Al9Fe2Si2）。过热和过烧n显微特征n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。n产生原因n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。过热、过烧特征Senior Engineer YangLi 变形铝合金变形铝合金 变形强化铝合金变形强化铝合金n只能采用加工硬化的方法来提高强度n纯铝n防锈铝：Al-Mn系、Al-Mg系主要组成相 杂质相热处理强化铝合金n热处理：固溶处理+时效处理

14、n种类：n锻造铝合金（Al-Mg-Si-Cu系）n硬铝合金 （Al- Cu -Mg-Mn系）n超硬铝合金 （Al-Zn-Mg-Cu系） 主要组成相 杂质相 主要强化相2A14 （LD10）金相组织 主要组成相 杂质 主要强化相 2A12 （LY12）合金的 金相组织主要组成相 杂质相 主要强化相7A04 （LC4）合金的金相组织 铸造铝合金的金相检验标准铸造铝合金的金相检验标准n变质效果评定：n提高合金的综合性能，硅得到细化，呈点球状。n标准：JB/T7946.1-1999铸造铝硅合金变质n钠变质分为6级、磷变质分为4级n热处理过烧组织评定n标准：JB/T7946.3-1999铸造铝硅合金过烧

15、n分为5级n晶粒度评定n标准：JB/T7946.4-1999铸造铝铜合金晶粒度n晶粒度分为8级变形铝合金金相检验标准n标准GB/T3246.1-2000变形铝及铝合金制品的显微组织经验方法n铸锭的显微组织检验n加工制品淬火及退火试样检验n高温氧化n铜扩散n晶粒度检验铝合金中主要相的侵蚀特征n通过用不同侵蚀剂侵蚀后观察色泽变化予以鉴别。n铝合金相鉴别的试剂及相的腐蚀特征见表11-1Senior Engineer YangLi铜及铜合金的金相检验铜及铜合金的金相检验概述n1、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。n2、应用：电气、石油化工、船舶、机械、建筑等各领域。

16、n3、分类：n纯铜、黄铜、青铜、白铜n加工铜合金：紫铜、黄铜、青铜、白铜n铸造铜合金：黄铜、青铜n压铸铜合金：特殊黄铜铜合金的宏观检验n制样n侵蚀：硝酸水溶液侵蚀，稀盐酸去黑膜n铸造铜合金的常见缺陷n疏松n气孔n外来非金属和金属夹杂n铸造粗晶n冷隔铜合金的微观组织检验n制样：n侵蚀：n三氯化铁盐酸溶液、硝酸铁水溶液。铜合金中非金属夹杂物n常见夹杂物：Cu2O、CuS、MnS、Cu3P、BeC、Fe、Pb、Bi等，夹杂物在显微镜下的颜色与形态夹杂类型 明场下观察正交偏光下观察Cu2O点状或球状，灰兰色血红色，各向异性CuS点状或块状，青灰色不透明 各向同性Cu3P不规则形状，深灰褐色 不透明Be

17、C规则几何形状 灰紫色不透明Pb点状或呈网状 深灰色不透明Fe星形或点状 兰灰色不透明氢脆n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。n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氢脆纯铜（紫铜）n分类：含氧量和生产方式n工业纯铜：T1、T2、T3、T4n无氧铜：TU1、TU2、TUP、TUMnn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）n低倍组织为发达的柱状晶n晶粒度评定nYS/T347-2004单相铜合金晶粒度测定法nGB/T639

18、4-2002金属平均晶粒度测定方法铜晶粒低倍组织紫铜中（Cu-Cu2O）共晶体黄铜n普通黄铜：n在铜中加入一定量的锌获得普通黄铜nZn32% 单相黄铜n32% Zn50% +nZn50% 单相 黄铜n特殊黄铜：加入其他合金元素Pb、Al、Sn、Fe、Mn、Si、Ni等铜锌二元合金相图铜锌二元平衡相图中的相n相：固溶体面心立方晶格。Zn在室温下的最大溶解度达3839，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n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450468的连线是相有序转变温度，高于此线相是无序固溶体

19、，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。n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。H62的组织形貌n挤压组织n热轧组织合金元素MnPbAlSiFeSnNiMg Cd锌当量系数0.51.06.010.00.92.0-1.3 2.0 1.0特殊黄铜例题n试计算特殊黄铜HAl59-3-2的名义含Zn量及预估其组织n 36(36)-(21.3)nXZn 46.4n 36+59 (36)-(21.3)nHAl59-3-2的组织为（ ）铝黄铜nZH772，77Cu，2Al，锌当量折算为28.7，故为单相组织nZH67-2.5 ，67Cu，2.5AlnHAl59-3-2，59Cu，3Al，2Ni，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，所以实际组织为铅黄铜n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。H591锰