第14卷 第2期金属功能材料Vol114, No12
2007年4月MetallicFunctionalMaterialsApril, 2007
A356铝合金显微结构及拉伸断口分析
范宋杰1,2,何国球1,2,刘晓山1,2,徐 坡1
(1.同济大学材料科学与工程学院,上海200092;2.上海市金属功能材料开发应用重点实验室,上海200092)
摘 要:本文对A356铝合金进行了金相及场发射扫描电镜试验,对分布在初生α2Al基体上的共晶硅相、富铁相及气孔等进行了观察,分析了它们的分布特征、形貌及影响;用扫描电镜观察铝合金的拉伸断口形貌,表明其断裂是以脆性断裂为主的混合断裂,并研究了其断裂过程及机理。关键词:A356合金;显微结构;拉伸断口
中图分类号:TG146.21 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2007)02-0024-04
AnalysisofTheFANLIUXiao2shan1,2,XUPo1
(1.Engineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.ShanghaiforR&DandApplicationofMetallicFunctionalMaterial,Shanghai200092,China)ABSTRACT:Theeutecticsiliconphase、Fe2richparticlesandshrinkagedefectdistributedintheprimaryα2AlphasewereobservedbytestmethodssuchastheopticalmetallographicmicroscopeandFE2SEM.Thecharacteristicofmi2crostructurehasbeenanalysed.ThetensilefracturesurfacewasalsoobservedbySEM.Thefracturesurfaceshowsthemixed2rupturecharacteristicsofquasi2cleavageanddimple.Thefractureprocessandmechanismwasinvestiga2ted.
KEYWORDS:A356alloy;microstructure;tensilefracturesurface
1 引 言
A356系列铝合金是美国于70年代研制的一种
铝合金,该合金是常用的铸造铝2硅2镁系合金,此合金具有铸造流动性好、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[1,2],是铸造铝合金中用途最广的合金之一。共晶硅颗粒在基体中的分布及形状影响了铸造A356铝合金的机械性能,细小球状、均匀分布的硅颗粒可以提高该
合金的拉伸、冲击及疲劳性能。而铸造过程中引入
的铁相将使合金的力学性能严重恶化[3]。其它如残留气孔等缺陷也对合金有不利的影响。因此本文对A356铝合金的微观组织进行了观察和分析,以期为热加工等工艺提供借鉴资料。断口的观察和分析可以给材料的性能和行为等提供许多方面的信息,借助断口形貌的分析解决了许多重要部件的力学行为问题[4],而A356铝合金的断口分析资料较少,本文也对该合金的拉伸断口进行了研究
。
基金资助:国家自然科学基金资助项目(50371063);美国通用汽车公司资助项目(RP-07-159);教育部“新世纪优秀人才支
(NCET-05-0388)。持计划”
作者简介:范宋杰(1982-),男,浙江奉化人,同济大学材料学硕士。
E2Mail:[email protected],电话:(0)[1**********]
第2期 范宋杰等:A356铝合金显微结构及拉伸断口分析25
2 试验材料和方法
试验材料是由美国通用汽车公司提供的商用铸造铝合金A356(长250mm,宽160mm,高51mm),
该合金成分如表1所示。该材料经T6温度热处理,包括固溶处理和人工时效两个阶段,在538℃固溶处理5h后淬火,在138℃时效4h后空冷。
表1 A356铝合金化学成分/%(质量)
Tab.1 ChemicalcompositionofA356alloy
元素
含量
Si6.6
Mg0.36
Fe0.09
Ti0.19
Sr
其它元素(Cr,Cu,Mn,Ni,Sn,Zn)
Al
余量
在该试样上切一块小试样,切割成适当尺寸,磨平抛光后,使用腐蚀液为浓度为0.5%(质量)的HF溶液,腐蚀8s左右,在大型卧式光学金相相机上(莱卡2446)拍摄金相照片,放大倍数为×50,×100;用场发射扫描电镜观察制取的金相试样的表面形貌,使用二次电子(SEI)和背散射电子(BEI)拍摄,做点元素分析,分析析出相和第二相粒子的成分,分布和形貌;从拉伸断裂试样上截取断口,高度大约为5mm左右,切割时用薄膜保护断口不被污染,切下后浸于丙酮溶液中,使用超声波清洗,SEM
试验,拍摄断口的表面形貌,长条状断断续续分布在初生α2Al相上,初生α2Al相呈枝晶状分布,但部分被打断,这是由于材料经细化剂细化和T6热处理后的效果[5],这些共晶硅相一般分布在初生α2Al相的晶界上,因为在界面上共晶硅易于成核长大。为了清楚地观察其它相,对试样进行场发射扫描电镜试验及点元素分析,结果如图2和表2所示。
2/%(质量)
2ofchemicalelementsanalysis
ofmicroregion/wt%
位置
第一点第二点第三点
Al12.3025.481.72
Si87.
7074.5269.48
Mg0013.00
Fe0015.80
3.结果与讨论
3.1 显微组织分析
金相显微镜观察(如图1)发现,共晶硅组织呈
图1 A356合金的金相照片
Fig.1 ThemetallographsofA356alloys
第一、二点均为共晶硅相上取的点,是硅的富集区,典型的亚共晶非平衡凝固组织,第三点中有Mg、Fe存在,是富铁相及沉淀的Mg2Si相。在图2(a)中可以观察到针状富铁相,长度大约为100μm左右,而且多数分布在共晶硅及与基体界面处,这些富铁相是熔炼和铸造使用的工具(钢或铸铁)带入铝中而产生的,它们割裂了金属基体的连续性,使力学
性能严重恶化。图2(c)是富铁相与共晶硅颗粒的放大图,可以看到基体与共晶硅界面之间有细小裂纹及很小的缩孔,细长的富铁相是断裂的,而不是连续的,然而试样没有经过拉伸变形,也就是不是外力使其断裂,有可能是由于热处理和热等静压过程中,基体相与共晶硅及富铁相的热膨胀系数不同导致局部应力集中而形成的,而小缩孔则可能是由于初生
α2Al结晶与共晶硅相凝固时间不同,初生α(Al)结
晶后,少量气孔残留在晶界上,当共晶反应后留在α2Al与共晶硅相的界面。图2(b)是共晶硅颗粒的放大图,点元素分析证明是硅的富集区,且硅含量很高,图中原来长条状的共晶硅相被打断,使硅颗粒得到细化,这是由于Sr元素变质处理的结果。图2(d)是铝基体中的气孔,形状如同“苍蝇脚”,具有缩孔的特点。大量气孔的存在会极大地恶化合金的机
械性能。因为超过一定临界尺寸的气孔,是材料失
效时裂纹萌芽点。本试验中使用的合金经过热等静压处理,在金相照片和在扫描电镜照片中,没有发现一般铸造铝合金中明显的大气孔,可以看到气孔残留下的细小的不规则的空隙,说明热等静压处理在较高的温度和较高的压力条件下,可以有效地减少和消除大的气孔,降低合金中的气孔体积分数,从而可以较大的提高材料的基本力学性能
。
图2 场扫描电镜照片
Fig.2 ThephotographsofFE2SEM
3.2 拉伸断口分析
些准解理面则在断口表面大量分布,可以清楚地看到河流状花纹,因此以准解离断裂为主要方式[7],在图3左部可能是沿晶界开裂的痕迹,可以推断该试
样以脆性断裂起主要作用。图3(b)是准解理面的放大图,可以清楚地看到台阶,在准解理面边缘可以发现细小的裂纹。图3(d)则具有类似沿晶断口的形貌,而且存在极少数小的韧窝,在基体表面还分布了少量氧化物颗粒。
铝合金经时效强化,在初生相基体内会析出大
图3是本试样的扫描电镜拉伸断口照片。从拉伸断口的扫描电镜照片来看,断口表面形貌为脆性断裂和塑性断裂的混合断口。图3(a,c)中可以发现,断口表面具有一定的韧窝,但是韧窝比较浅和小,铝基体是面心立方结构,因此基本上不存在解离断裂,时效铝合金的拉伸断裂形式一般分为三种,即滑移带开裂、沿晶开裂和韧窝型开裂[6],在本试样中发现其断口表面有很多较为平坦的为准解离面,这
量的沉淀相粒子,长条状共晶硅相性质硬而脆,且与基体变形差别很大,在拉伸时在共晶硅特别是端部尖锐处会产生较大的应力集中而产生裂纹,拉伸时这些微裂纹长大,临近的微裂纹连接成为较大的裂
纹[8],而基体中也存在细小的脆性相,由于基体较软,一部分会产生韧窝(晶界中也会产生),一部分则以有利的晶面开裂,形成准解离面,这些裂纹互相连接导致最后的断裂,因此形成了复杂的断口形貌[9]
。
图3 拉伸断口形貌(SEM)
Fig.3 Themorphologyoftensilefracturesurface
fatiguebehaviourofcastAl27Si2Mgalloy[J].MaterSciTech2001,17:446.
[3]蔡勖勤.铝硅系铸造铝合金中的铁相[J].理化检验2物理分册,
2003,39(4):180.[4]亨利G,豪斯特曼D1宏观断口学及显微断口学[M].北京:机械
4 结 论
1.金相观察表明共晶硅相呈长条状的枝晶分布
在初生α2Al相上,扫描电镜观察发现针状富铁相多数分布在共晶硅及其与基体界面处,且细长的富铁相是断裂不连续的,并有少量细小形状如同"苍蝇脚"的缩孔存在,这些沉淀相及气孔的存在使A356铝合金的力学性能恶化。
2.拉伸断口扫描电镜观察表明,A356的断口是以脆性断裂为主的韧脆混合断裂,可以在断口表面看到大量的准解离平面及少量韧窝。
参考文献:
〔1〕EjioforJU,ReddyRG.Effectsofporouscarbononsintered
Al2Si2Mgmatrixcomposites[J].JournalofMaterialsEngineer2
ingandPerformance,1997,6(6),785.
[2]AtxagaG,PelayoA,IrisarriAM.Effectofmicrostructureon
工业出版社.1990.
[5]洪润洲,周永江,姚惟斌.时效工艺对Zl101A合金性能的影响
[J].材料工程,2004,10:39.
[6]张新梅,郝丽华,蒋大鸣,庞振民.A12Mg2Si合金拉伸断口研究
[J].材料工程,1996,5:35.
[7]RanGuang,ZhouJingen,WangQG.Theeffectofhotisostatic
pressingonthemicrostructureandtensilepropertiesofanun2modifiedA3562T6castaluminumalloy[J].JournalofAlloysandCompounds,2006,421:80.
[8]WangQG,CaceresCH,GriffithsJR.Damagebyeutecticpar2
ticlecrackinginaluminumcastingalloysA356/357[J].MetMaterTransA,2003,34(12):2901
[9]上海交通大学.金属断口分析[M].北京:国防工业出版杜.1979,
7
收稿日期:2006-09-30
第14卷 第2期金属功能材料Vol114, No12
2007年4月MetallicFunctionalMaterialsApril, 2007
A356铝合金显微结构及拉伸断口分析
范宋杰1,2,何国球1,2,刘晓山1,2,徐 坡1
(1.同济大学材料科学与工程学院,上海200092;2.上海市金属功能材料开发应用重点实验室,上海200092)
摘 要:本文对A356铝合金进行了金相及场发射扫描电镜试验,对分布在初生α2Al基体上的共晶硅相、富铁相及气孔等进行了观察,分析了它们的分布特征、形貌及影响;用扫描电镜观察铝合金的拉伸断口形貌,表明其断裂是以脆性断裂为主的混合断裂,并研究了其断裂过程及机理。关键词:A356合金;显微结构;拉伸断口
中图分类号:TG146.21 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2007)02-0024-04
AnalysisofTheFANLIUXiao2shan1,2,XUPo1
(1.Engineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.ShanghaiforR&DandApplicationofMetallicFunctionalMaterial,Shanghai200092,China)ABSTRACT:Theeutecticsiliconphase、Fe2richparticlesandshrinkagedefectdistributedintheprimaryα2AlphasewereobservedbytestmethodssuchastheopticalmetallographicmicroscopeandFE2SEM.Thecharacteristicofmi2crostructurehasbeenanalysed.ThetensilefracturesurfacewasalsoobservedbySEM.Thefracturesurfaceshowsthemixed2rupturecharacteristicsofquasi2cleavageanddimple.Thefractureprocessandmechanismwasinvestiga2ted.
KEYWORDS:A356alloy;microstructure;tensilefracturesurface
1 引 言
A356系列铝合金是美国于70年代研制的一种
铝合金,该合金是常用的铸造铝2硅2镁系合金,此合金具有铸造流动性好、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[1,2],是铸造铝合金中用途最广的合金之一。共晶硅颗粒在基体中的分布及形状影响了铸造A356铝合金的机械性能,细小球状、均匀分布的硅颗粒可以提高该
合金的拉伸、冲击及疲劳性能。而铸造过程中引入
的铁相将使合金的力学性能严重恶化[3]。其它如残留气孔等缺陷也对合金有不利的影响。因此本文对A356铝合金的微观组织进行了观察和分析,以期为热加工等工艺提供借鉴资料。断口的观察和分析可以给材料的性能和行为等提供许多方面的信息,借助断口形貌的分析解决了许多重要部件的力学行为问题[4],而A356铝合金的断口分析资料较少,本文也对该合金的拉伸断口进行了研究
。
基金资助:国家自然科学基金资助项目(50371063);美国通用汽车公司资助项目(RP-07-159);教育部“新世纪优秀人才支
(NCET-05-0388)。持计划”
作者简介:范宋杰(1982-),男,浙江奉化人,同济大学材料学硕士。
E2Mail:[email protected],电话:(0)[1**********]
第2期 范宋杰等:A356铝合金显微结构及拉伸断口分析25
2 试验材料和方法
试验材料是由美国通用汽车公司提供的商用铸造铝合金A356(长250mm,宽160mm,高51mm),
该合金成分如表1所示。该材料经T6温度热处理,包括固溶处理和人工时效两个阶段,在538℃固溶处理5h后淬火,在138℃时效4h后空冷。
表1 A356铝合金化学成分/%(质量)
Tab.1 ChemicalcompositionofA356alloy
元素
含量
Si6.6
Mg0.36
Fe0.09
Ti0.19
Sr
其它元素(Cr,Cu,Mn,Ni,Sn,Zn)
Al
余量
在该试样上切一块小试样,切割成适当尺寸,磨平抛光后,使用腐蚀液为浓度为0.5%(质量)的HF溶液,腐蚀8s左右,在大型卧式光学金相相机上(莱卡2446)拍摄金相照片,放大倍数为×50,×100;用场发射扫描电镜观察制取的金相试样的表面形貌,使用二次电子(SEI)和背散射电子(BEI)拍摄,做点元素分析,分析析出相和第二相粒子的成分,分布和形貌;从拉伸断裂试样上截取断口,高度大约为5mm左右,切割时用薄膜保护断口不被污染,切下后浸于丙酮溶液中,使用超声波清洗,SEM
试验,拍摄断口的表面形貌,长条状断断续续分布在初生α2Al相上,初生α2Al相呈枝晶状分布,但部分被打断,这是由于材料经细化剂细化和T6热处理后的效果[5],这些共晶硅相一般分布在初生α2Al相的晶界上,因为在界面上共晶硅易于成核长大。为了清楚地观察其它相,对试样进行场发射扫描电镜试验及点元素分析,结果如图2和表2所示。
2/%(质量)
2ofchemicalelementsanalysis
ofmicroregion/wt%
位置
第一点第二点第三点
Al12.3025.481.72
Si87.
7074.5269.48
Mg0013.00
Fe0015.80
3.结果与讨论
3.1 显微组织分析
金相显微镜观察(如图1)发现,共晶硅组织呈
图1 A356合金的金相照片
Fig.1 ThemetallographsofA356alloys
第一、二点均为共晶硅相上取的点,是硅的富集区,典型的亚共晶非平衡凝固组织,第三点中有Mg、Fe存在,是富铁相及沉淀的Mg2Si相。在图2(a)中可以观察到针状富铁相,长度大约为100μm左右,而且多数分布在共晶硅及与基体界面处,这些富铁相是熔炼和铸造使用的工具(钢或铸铁)带入铝中而产生的,它们割裂了金属基体的连续性,使力学
性能严重恶化。图2(c)是富铁相与共晶硅颗粒的放大图,可以看到基体与共晶硅界面之间有细小裂纹及很小的缩孔,细长的富铁相是断裂的,而不是连续的,然而试样没有经过拉伸变形,也就是不是外力使其断裂,有可能是由于热处理和热等静压过程中,基体相与共晶硅及富铁相的热膨胀系数不同导致局部应力集中而形成的,而小缩孔则可能是由于初生
α2Al结晶与共晶硅相凝固时间不同,初生α(Al)结
晶后,少量气孔残留在晶界上,当共晶反应后留在α2Al与共晶硅相的界面。图2(b)是共晶硅颗粒的放大图,点元素分析证明是硅的富集区,且硅含量很高,图中原来长条状的共晶硅相被打断,使硅颗粒得到细化,这是由于Sr元素变质处理的结果。图2(d)是铝基体中的气孔,形状如同“苍蝇脚”,具有缩孔的特点。大量气孔的存在会极大地恶化合金的机
械性能。因为超过一定临界尺寸的气孔,是材料失
效时裂纹萌芽点。本试验中使用的合金经过热等静压处理,在金相照片和在扫描电镜照片中,没有发现一般铸造铝合金中明显的大气孔,可以看到气孔残留下的细小的不规则的空隙,说明热等静压处理在较高的温度和较高的压力条件下,可以有效地减少和消除大的气孔,降低合金中的气孔体积分数,从而可以较大的提高材料的基本力学性能
。
图2 场扫描电镜照片
Fig.2 ThephotographsofFE2SEM
3.2 拉伸断口分析
些准解理面则在断口表面大量分布,可以清楚地看到河流状花纹,因此以准解离断裂为主要方式[7],在图3左部可能是沿晶界开裂的痕迹,可以推断该试
样以脆性断裂起主要作用。图3(b)是准解理面的放大图,可以清楚地看到台阶,在准解理面边缘可以发现细小的裂纹。图3(d)则具有类似沿晶断口的形貌,而且存在极少数小的韧窝,在基体表面还分布了少量氧化物颗粒。
铝合金经时效强化,在初生相基体内会析出大
图3是本试样的扫描电镜拉伸断口照片。从拉伸断口的扫描电镜照片来看,断口表面形貌为脆性断裂和塑性断裂的混合断口。图3(a,c)中可以发现,断口表面具有一定的韧窝,但是韧窝比较浅和小,铝基体是面心立方结构,因此基本上不存在解离断裂,时效铝合金的拉伸断裂形式一般分为三种,即滑移带开裂、沿晶开裂和韧窝型开裂[6],在本试样中发现其断口表面有很多较为平坦的为准解离面,这
量的沉淀相粒子,长条状共晶硅相性质硬而脆,且与基体变形差别很大,在拉伸时在共晶硅特别是端部尖锐处会产生较大的应力集中而产生裂纹,拉伸时这些微裂纹长大,临近的微裂纹连接成为较大的裂
纹[8],而基体中也存在细小的脆性相,由于基体较软,一部分会产生韧窝(晶界中也会产生),一部分则以有利的晶面开裂,形成准解离面,这些裂纹互相连接导致最后的断裂,因此形成了复杂的断口形貌[9]
。
图3 拉伸断口形貌(SEM)
Fig.3 Themorphologyoftensilefracturesurface
fatiguebehaviourofcastAl27Si2Mgalloy[J].MaterSciTech2001,17:446.
[3]蔡勖勤.铝硅系铸造铝合金中的铁相[J].理化检验2物理分册,
2003,39(4):180.[4]亨利G,豪斯特曼D1宏观断口学及显微断口学[M].北京:机械
4 结 论
1.金相观察表明共晶硅相呈长条状的枝晶分布
在初生α2Al相上,扫描电镜观察发现针状富铁相多数分布在共晶硅及其与基体界面处,且细长的富铁相是断裂不连续的,并有少量细小形状如同"苍蝇脚"的缩孔存在,这些沉淀相及气孔的存在使A356铝合金的力学性能恶化。
2.拉伸断口扫描电镜观察表明,A356的断口是以脆性断裂为主的韧脆混合断裂,可以在断口表面看到大量的准解离平面及少量韧窝。
参考文献:
〔1〕EjioforJU,ReddyRG.Effectsofporouscarbononsintered
Al2Si2Mgmatrixcomposites[J].JournalofMaterialsEngineer2
ingandPerformance,1997,6(6),785.
[2]AtxagaG,PelayoA,IrisarriAM.Effectofmicrostructureon
工业出版社.1990.
[5]洪润洲,周永江,姚惟斌.时效工艺对Zl101A合金性能的影响
[J].材料工程,2004,10:39.
[6]张新梅,郝丽华,蒋大鸣,庞振民.A12Mg2Si合金拉伸断口研究
[J].材料工程,1996,5:35.
[7]RanGuang,ZhouJingen,WangQG.Theeffectofhotisostatic
pressingonthemicrostructureandtensilepropertiesofanun2modifiedA3562T6castaluminumalloy[J].JournalofAlloysandCompounds,2006,421:80.
[8]WangQG,CaceresCH,GriffithsJR.Damagebyeutecticpar2
ticlecrackinginaluminumcastingalloysA356/357[J].MetMaterTransA,2003,34(12):2901
[9]上海交通大学.金属断口分析[M].北京:国防工业出版杜.1979,
7
收稿日期:2006-09-30