A356铝合金显微组织及断口分析

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1、 欢迎阅读本文档，希望本文档能够对您有所帮助！目 录1 绪论11.1断口分析的意义11.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析11.3研究方法和实验设计31.4预期结果和意义32 实验过程32.1 生产工艺421.1 加料42.1.2 精炼42.13 保温、扒渣和放料42.1. 4 单线除气和单线过滤52.1. 5连铸62.2 实验过程62.2. 1 试样的选取62.2.2 金相试样的制取82.2.3 用显微镜观察92.3 观察方法102.3.1显微组织的观察102.3.2 对断口形貌的观察113 实验结果及分析113.1对所取K模试样的观察113.2 金相试样的观察及分析123.2.1 对显微组

2、织的观察123.2.2 断口缺陷15结论23致谢24参考文献25附录27 感谢阅读本文档，希望本文档能够对您有所帮助！1 绪论1.1断口分析的意义随着现代科技的发展以及现代工业的需求，作为21世纪三大支柱产业的材料科学正朝着高比强度，高强高韧等综合性能等方向发展。长久以来，铸造铝合金以其价廉、质轻、性能可靠等因素在工业应用中获得了较大的发展。尤其随着近年来对轨道交通材料轻量化的要求日益迫切1，作为铸造铝合金中应用最广的A356铝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2-3，与钢轮毂相比，铝合金轮毂具

3、有质量轻、安全、舒适、节能等，在汽车和航空工业上得到了日益广泛的应用4。然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等5-7。这些缺陷对构件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%8-9。所以研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的影响具有重要意义10。而这些缺陷往往是通过显微组织和断口分析来研究的。另外，通过显微组织和断口分析所得到的结果可以分析这些缺陷产生的原因，研究断裂机理，比结合工艺过程分析缺陷产生的原因，从而对改进工艺提出一定的有效措施，确定较好

4、的生产工艺，以提高铝合金铸锭的性能。但关于该合金的微观组织及其断口分析研究较少，研究内容深但不够综合，每篇论文多研究其部分缺陷，断口的获得多为拉伸端口。因此，希望对A356铝合金的断口缺陷有一个较为全面的研究。1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析铸件的力学性能与其微观组织有密切联系11。A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，它是Al-Si二元合金中添加镁、形成强化相Mg2Si，通过热处理来显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。A356合金处于-AlMg2SiSi三元共晶系内，其平衡组织为初生-Al（-AlSi）共晶Mg2Si。其相图如右图1-1，在冷却时，由液相先析出

5、-Al铝，随着铝的析出，液相成分变至二元共晶线，发生共晶反应，反应式为：L -AlSi (1)图1-1 铝硅镁三元共晶图由于A356的含Si量仅为7，所以，液相成分在达到三元共晶点之前，液相消失，凝固完全。凝固后的组织为初生-Al基体（-AlSi）共晶。凝固后铝固溶体含有Si和Mg元素，在继续冷却过程中析出Si和Mg2Si(如图1-1)。室温下的组织为初生-Al、（-AlSi）共晶和Mg2Si。冷却速度较快时，次生相Si和Mg2Si弥散细小不易分辩，而表现出-Al和（-AlSi）共晶。在实际铸造条件下（非平衡凝固），除基本相外，还可出现少量-AlMg2SiSi三元共晶体和杂质铁等构成的杂质相和

6、一些复杂的多元共晶相13。一般来说，铸造缺陷对构件的抗拉强度影响较小，但较显著影响构件的伸长率14。A356铝合金内部缺陷主要有偏析、缩松、缩孔、气孔、针孔、非金属夹杂和夹渣、金属夹杂、氧化铝膜、白点等。这些缺陷对其性能和强度有很大的影响。因为生产铝锭的铝水是电解铝液，电解铝液的温度一般在930以上，是过热金属15电解过程产生的H2和AL2O3夹杂直接进入铝液中，会造成H2含量高和AL2O3夹杂多16，H2产生气孔、气泡和白点缺陷的重要因素，AL2O3易形成夹渣；电解铝液中的杂质元素Fe、Si与合金中的Mn、Mg等元素作用形成Al-FeMnSi、Mg2Si等第二相，分布于晶粒内以及晶界处，影响

7、基体连续性；铸造过程中由于清渣不彻底以及凝固过程中的选分结晶和冷却条件不当易于生成夹杂、缩松和缩孔17；-Al枝晶二次枝晶臂之间板片状共晶体是材料中最薄弱的区域，该区域中尺寸最大的Si颗粒首先发生断裂形成裂纹源。由于以上因素的影响，A356铝合金容易断裂，从而影响其强度、塑韧性和力学性能。若共晶Si呈灰色针状和片状，杂乱无章地分布在-Al铝基体上，用光学显微镜可以看到铸造过程中的铸造缩孔、铸造气孔、氧化膜等缺陷。1.3研究方法和实验设计大颗粒夹杂：用肉眼观察其存在形式、数量、大小和分布特点（存在区域）以及夹杂物本身的形貌和大小，并结合冶炼工艺分析其来源；检测杂质净化效果和晶粒细化效果。显微夹杂

8、：用金相显微镜和扫描电镜观察其存在形式、数量、大小和分布特点（存在区域）以及夹杂物本身的形貌和大小，并结合冶炼工艺分析其来源；检测杂质净化效果和晶粒细化效果。对A356铝合金显微组织的观察主要用金相显微镜进行观察。首先是取样：包括用长柄样勺从和料炉铝液、用短柄样勺从炉外取样以及取成品样，将取到的熔液倒入样饼模和K模得到样饼和K模试样，用上述取样方法选取不同工艺参数、不同生产阶段的试样。将取得的试样通过切、车、銑、磨、抛等步骤制成金相试样，通过不同的放大倍率观察索取试样的显微形貌，并获得各个形貌的照片。对于断口的观察所用试样是公司提供的，将试样断口处切下，在车床上将试样切成金相试样大小，然后通过

9、粗磨、细磨、抛光、浸蚀制成金相试样，通过金相显微镜观察并记录观察到的缺陷，分析缺陷产生的原因。1.4预期结果和意义1）结合企业生产需求，对A356铝合金进行金相及扫描电镜试验，对分布在初生-Al基体上的共晶硅相、杂质相及气孔等进行观察，分析其分布特征、形貌及影响。2）用扫描电镜观察铝合金断口形貌，并研究其断裂过程及机理。3）将所观察的断口形貌进行分类。2 实验过程此次实验分为三个步骤：1）生产工艺，主要是了解生产的概况，记录生产过程中的工艺参数；2）实验阶段，是关键步骤，要熟悉实验过程中的每个步骤，掌握所需的参数；3）观察方法，是对试样进行观察的总结。2.1 生产工艺联信公司用的是魏桥铝厂提供

10、的电解铝液，通过连铸生产A356铝合金铸锭。该厂有四个和料炉，每炉装料量为30t，从南到北分别为1#炉、2#炉、3#炉和4#炉。两条国内最大连铸生产线，单块铝锭规格：长：740mm；宽：105（95）mm；高：55mm；重量：约9.5Kg。整跺铝锭规格：740740760mm。每跺块数：93块。详细工艺过程如下。21.1 加料A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，主要成分是：Si6.5%-7.5%，Mg20%-0.40%，Cu0.20%，Zn0.10%，Mn0.10%，Ti0.20%，其他元素每种0.05%，其余是铝。该厂主要生产A356.2铝合金，加料方法为：向和料炉中加铝水分

11、为两次，真空包（最大铝量为9000）运来铝水后用天车吊到炉前，打开和料炉炉门开始倒铝水，此时铝液温度在840-880，5min左右倒完，开始熔炼。根据不同工艺设定熔炼温度和所要加的成及其用量计算加料量，如加硅、加镁、加钛、废铝锭等。下表是A356.2铝合金的成分表。表2.1 A356.2铝合金化学成份（%）Si Ti Mg Fe Cu Mn Zn P6.5-7.5 0.2 0.30-0.45 0.12 0.1 0.05 0.05 痕迹2.1.2 精炼加料后为了快速均匀成分和温度，在和料炉中进行电磁搅拌。搅拌时间在15-20min，根据不同工艺搅拌温度在690-740；炉内精炼是通过喷吹以氮气作

12、为载体将精炼剂和清渣剂加入炉内的，氮气纯度大于等于99.995%，喷吹时间为5min-10min。精炼剂和清渣剂的用量为0.1%-0.2%（与Al相比）。精炼后取样分析，根据能谱仪结果判断各个元素含量是否合格，补加硅镁等矿石。2.13 保温、扒渣和放料精炼结束后保温一段时间（一般在10min-15min），待温度均匀后开始扒渣。该厂运用人工扒渣，扒渣时间在15min-30min，时间可长达40min，费时费力。扒渣完成后静置5min，使成分和温度均匀。待成分和温度符合放料条件时，打开和料炉炉门开始放料。2.1. 4 单线除气和单线过滤铝液出和料炉后先进行在线除气，在经过过滤，之后进入结晶器开始

13、连铸。2.1.4.1 单线除气使用ALPUR-55旋转除气装置进行在线除气(图2-1)。这种除气装置为双石墨转子，最大金属流量为55t/h。ALPUR净化工艺是基于吸附净化原理，通过转子吹出精炼气体，借助旋转喷嘴产生均匀分布的微小气泡，并与反应室内的熔体充分接触反应使熔体净化。精炼气体可以是氮气，也可以是氮气与氯气的混合气体。图2-1 ALPUR净化铝熔体示意图2.1.4.2单线过滤 过滤除渣主要是靠过滤介质的阻挡作用、摩擦力或流体的压力使杂质沉降或堵滞，从而净化熔体。上述生产线采用CFF双级泡沫陶瓷过滤板，过滤箱安装2套平行过滤板，处理流量为55t/h。过滤板为双层30/50ppi复合泡沫陶

14、瓷过滤板，上层过滤板的孔隙度为30ppi，底层过滤板的孔隙度为50ppi。CFF泡沫陶瓷过滤装置可以有效除去直径大于20um的夹渣物，过滤效率可达75%。图2-2为泡沫陶瓷过滤装置工作示意图。图2-2 CFF泡沫陶瓷过滤装里工作示度图2.1. 5连铸过滤后的铝液通过溜槽流入结晶器，浇铸机转速为863rpm-864rpm，开始结晶出来的坯壳先由人工导入足辊，之后进入校直段。铝锭经过切定尺之后被切断。铝锭的冷却是通过喷水冷却的，分三段冷却。冷却水流速分别为0.137m/s、0.684m/s和1.478m/s；流量分别为133.7m3、401.1m3和883.1m3。剪切后的铝锭通过机械手堆垛，最后

15、捆扎。2.2 实验过程对于显微组织及断口分析实验，主要工具是显微镜观察。因此实验主要分三个步骤：1)试样的选取；2)金相试样的制备；3)观察记录。2.2. 1 试样的选取取样时要注意取样阶段和参数，对各个试样的详细信息做记录。在1#、3#、4#炉内取样时按下表取样。表格如下。表2-2 1#炉参数表阶段 时间 取样温度熔炼 8 h 724精炼 0.5h 737喷吹 699过滤 693表2-3 3#炉和4#炉参数表阶段 时间 取样温度3#炉熔炼 8 h 7473#炉精炼 0.5h 7374#炉熔炼 7024#炉精炼 6991)炉内取样：炉内取样用长柄样勺（如图2-3），取样前先给样勺和模具刷一层涂

16、料并烘烤干燥，保证样勺和模具干净。为保证所取铝液有代表性应该在炉膛中心取样，先用样勺扒开浮渣，然后将样勺深入液面100mm以下，防止带入渣子。将铝液取出后倒入样饼模（图2-2-1）得到样饼，倒入K模（K模包括有K模本体，K模本体设置有一槽道，槽道内设置有至少一个沿槽道宽度方向布置的断裂楔块）中得到K模试样。在取K模时，一对模具要用一勺铝水同时浇铸完全，凡是其中一个不合格的要同时浇铸一对。图2-3 长柄样勺2)炉外取样：炉外取样与炉内取样大致相同，但用短柄样勺（图2-4-2）取样。取样时要逆着铝液流盛取。图2-4 短柄取样勺和样饼模，1-样饼模，2-短柄样勺3)成品样的选取：成品铝锭应选有代表性

17、的，然后弄断，切下断口，采取一定措施保护断口防止断口被氧化。2.2.2 金相试样的制取用金相分析的方法来观察检验金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段，例如对原材料的冶金质量情况如偏析、非金属夹杂物分布类型与级别检查；对铸造材料的铸造疏松、气孔、夹渣组织均匀性检查；对锻造件的表面脱碳、过热、过烧、裂纹、变形等情况检查。金相试样的制取是十分关键的一步18，若制备不当，则可能出现假象，从而得出错误的结论19。金相试样的制备包括：切样、銑样、磨样、抛光和浸蚀。1）切样和銑样：所取成品断口试样横截面大小不合适难以放进磨样机固定装置时，应该首先将试样切成一定大小和形状，注意不要破坏要观察的断面。在

18、对断面和样饼进行磨制前应该先銑所要观察的那一面，以使盖面平整，便于磨制。2）磨样：磨光过程是试样制备最重要的阶段，除使试样表面平整外，主要是使组织损伤层减少到最低程度。试样是用机械进行磨制的，每次可同时磨六个试样。首先将试样固定在固定装置上，然后设置参数，开启开关进行磨制。磨样过程分三步：粗磨、中磨和细磨。要求每次要覆盖上次的磨痕，磨完后要清洗掉砂纸上的残留。磨样过程中连续供水喷在磨样处。磨样时参数如下。表2：磨样参数磨样方式 转速（rpm） 时间(s) 压力（N） 水砂纸型号 冷却水流量粗磨 150 90 30 80 大中磨 150 150 40 220 中细磨 150 180 50 120

19、0 小抛光：试样磨完后要进行机械抛光，抛光的目的是去除磨光时留下的磨痕，提高试样表面的光反射性，改善组织分辨率，要求将金相试样抛成镜面。抛光过程也分三步：粗抛、中抛和细抛，抛光时不喷水，有对应的抛光液。每次抛完要将抛光布上的残余洗净。抛光过程参数设置如下。表3：抛光参数抛样方式 转速（rpm） 时间(s)） 压力（N） 抛光液型号（um） 剂量/级别粗抛 150 330 60 9 0/9中抛 150 270 60 3 0/0细抛 150 240 60 0.04 0/0浸蚀：所有的金相试样都必须浸蚀，显微组织可以很清晰显示，便于观察。所用浸蚀剂为0.5%氢氟酸水溶液(HF0.5mL+蒸馏水100

20、mL)，浸蚀时间为10s-15s。浸蚀后用清水冲洗，然后用酒精擦拭，最后用电吹风吹干。2.2.3 用显微镜观察所利用的金相显微镜（如图2-5）型号为Fegrapol-31，是丹麦生产的。显微镜直接与电脑相连，所观察的图像可以直接被拍成照片传到电脑上。利用显微镜对所有试样进行显微组织观察和断口缺陷分析后可获得显微组织图像和断口缺陷图像。图2-5金相显微镜2.3 观察方法实验观察的内容主要有：显微组织的观察主要是显微组织类型、形态和大小。断口观察主要是观察断口的缺陷、数量、形态和大小。2.3.1显微组织的观察1）-Al基体和共晶Si相的观察：对视野中所呈现形态要首先认识组织的种类、颜色和数量等特征

21、。对共晶Si相晶粒大小的测量首先要选定具有代表性的或颗粒便于测量的晶粒，要对不同处理的晶粒（如变质的与未变质的）进行观察。金相图中的晶粒尺寸大小、相的分布、各相相对含量、相的特征以及化学成分等都可以通过Image-Pro Plus的计算机数字化处理来完成。2)二次枝晶的观察：对二次枝晶的研究主要是对枝晶间距的研究。二次枝晶间距的测量方法为截线法20。如图2-4所示，即画一条平行于一次枝晶的线和若干条平行于二次枝晶臂且垂直于一次枝晶的线，通过测量各条平行线的间距大小并取平均值来计算二次枝晶的平均间距。只取与一次枝晶相连且二次枝晶臂完整的枝晶进行测量。图 2-4 二次枝晶测量方法在金相图片中找出符

22、合要求的位置，先画出一次枝晶的平行线，再画出垂直于一次枝晶并平行于二次枝晶臂的线，测量截线上两平行线间距，并计算平行线间二次枝晶臂的数量，将所得数值除以二次枝晶臂数量，即获得所需要测量的二次枝晶间距，为了准确获得二次枝晶间距，选取金相图E处测量位置，并将所获得的二次枝晶间距再次求平均值。近似计算DCS如下： DCS= L / n (2)式中，L为图像中任意截线的长度，n为截线所截胞界的总数或截线与共晶区域交点的总数。2.3.2 对断口形貌的观察1）肉眼观察：对于K模，主要是用来检查铝液纯净度的。将一对K模标记上1-10，然后弄断。检查对应断口，看断口的夹渣（即小黑点数）。将数出的黑点数除以10

23、得到K值，根据K值判断铝液是否合格。表格如下：表2.4 各阶段K值级别K值级别10ABCDEF其中，对于浇包A级为合格，静置炉B级合格，和料炉E级合格。2）金相观察：对于显微缺陷的观察只能借助于显微镜，要不断移动物镜尽量观察断面所有的地方，用不同放大倍数的物镜观察，观察不同放大倍率下缺陷所呈现的形态。3 实验结果及分析主要分析实验过程所获取K模试样和金相试样。K模试样主要是用肉眼观察夹渣数；金相试样主要观察铝基体和共晶硅的形态以及断口缺陷形貌。3.1对所取K模试样的观察所取K模（如图3-1）分为精炼前、精炼后、过滤前和过滤后的铝液浇铸的，粗略地观察和分析铝水纯净度以及精炼、除气和过滤效果。图3

24、-1 K模试样通过数所选K模断口夹渣数，得到K值分别如下表：表3.1 各阶段所得K值阶段 K值（加精炼剂） K值（加清渣剂） 熔炼 3.5 3.6精炼 2.3 1.2除气 0.5 0.4过滤 0.1 0.1通过上述表格所得数值与标。表2.4比较可知，各阶段铝水均合格；通过各阶段数值比较可知：精炼后特别是加清渣剂后铝水纯净度升高，另外除气和过滤均有除渣效果。3.2 金相试样的观察及分析金相显微镜可以观察试样显微组织形态及分布，还可以对晶粒度大小和二次枝晶进行测量；对断口缺陷类型及形态、大小及数量和分布进行观测。3.2.1 对显微组织的观察主要观察铝合金中-Al基体（如图3-2a和图3-3b、图3

25、-3c、图3-3d中A）形态和共晶Si相形态、大小。根据Al-Si二元合金相图，A356铝合金属于亚共晶合金，其凝固过程先析出初生Al枝晶，然后Al-Si共晶体在枝晶臂之间形成。3.2.1.1未经变质处理未经变质处理的共晶Si一般呈针状（如图3-2a和图3-3b、图3-3c、图3-3d中B），颜色比-Al基体深。裂纹的萌生与Si相有密切关系21：（1）共晶Si与共晶Al界面为非共格界面，存在空位缺陷，在应力作用下这些空位互相结合长大，导致了共晶Si与Al基体的界面分离；（2）共晶Si与Al基体的塑性不同，Si相为脆性相，而Al基体为塑性相；在应力作用下直径最大的Si相22优先发生断裂，成为裂纹

26、源。共晶Si呈灰色针状杂乱无章地分布在-Al铝基体晶界上(如图3-2a中方框内)，当裂纹扩展遇到与裂纹前进方向相异的共晶硅粒子时，将截断共晶硅粒子，使硅粒子发生断裂23，即穿晶断裂。3.2.1.2 变质处理后加锶变质效果最好，锶变质有很好的长效性，可使变质效果维持长达5-8小时。变质后的共晶硅颗粒大部分呈点球状或短纤维状（如图3-2b、图3-2d和图3-2c中的B2）。但研究表明，锶的加入加大了铝熔液的吸气性24。由于变质后共晶硅形态的改变，可使得合金性能有所提高。图3-2 a 未变质无缺陷图3-2b 典型缩松（变质后）图3-2c 典型气孔+渣（变质后）图 3-2d 典型缩孔（变质后）3.2.

27、1.3 二次枝晶二次枝晶（如图3-2b和3-2c中的B3）是在一次枝晶臂上生出来的，形状如树枝状，比一次枝晶要细。二次枝晶间距的大小是微观组织中一个重要数据，是衡量组织优劣的重要参数。二次枝晶间距大小是评判凝固组织优劣的重要特征，二次枝晶臂间距大小直接影响着成分偏析、第二相及显微孔洞的分布，另外，枝晶与枝晶间块状共晶体的强度高于二次枝晶臂之间板片状共晶体，因此板片状共晶体是A356合金的薄弱环节，裂纹首先在这个区域萌生25。根据图2-4和式（2）可分别测量出图3-2b和3-2c中矩形方框中所标注的二次枝晶间距为：13.08um和17.78um。其中L分别为：65.36um和53.33um。n分

28、别为：5和3。这个成果在国内同类行业中是比较先进的。3.2.2 断口缺陷断口缺陷分析是分析铝合金断裂机理的重要方式，在所取试样中观察到的缺陷有：缩松、缩孔、气孔、针孔、非金属夹杂和夹渣、氧化铝膜（表现为混皮、渣皮等）。3.2.2.1缩松和缩孔1）缩松的形态：缩松（如图3-2b中的C和3-3a中的C）和缩孔（图3-3b中的C和图3-2中的d）是铸锭在凝固过程中，由于合金在液态和固态的体积收缩得不到补充而产生的细小而分散的孔洞性缺陷。在金相显微镜下观察，缩松表现为沿晶界形成的形状不规则的图形，颜色单一且比基体深。缩孔表现为沿晶界较规则的图形，多近似为圆形，颜色单一且比基体深。图3-3a 典型缩松（

29、变质后）图3-3b 典型缩孔（未变质）2)产生原因：缩松一般包括收缩缩松和气体缩松。收缩缩松产生的机理是金属铸造结晶时从液态凝固成固态，体积收缩在树枝晶枝杈间因液体金属补缩不足而形成空腔，这种空腔即为收缩缩松。一般尺寸很小，难以避免。气体缩松产生的机理是：熔体中未出去的气体氢气含量较高，气体被隐蔽在树枝晶枝杈间隙内，随着结晶的进行，树枝晶枝杈互相搭接形成骨架，枝杈间的气体和凝固时析出的气体无法逸出而集聚，结晶后这些气体占据的位置形成空腔，即为气体缩松。当体积收缩大而液体金属补缩严重不足时就会形成缩孔。3）危害：缩松使铸锭密度减小，致密性降低特别是降低高强铝合金的冲击韧性和断面收缩率，在热轧和锻

30、造时易引起裂纹。缩孔破坏了金属的连续性，严重影响工艺性能，截取铸锭坯料时必须去掉。4）预防措施：根据缩松和缩孔产生原因和形成过程可知，有如下的预防措施：a）降低熔体中气体含量，如烘炉彻底、精炼剂和所需工具烘烤彻底、降低各种材料的水含量、防止熔体在炉内时间过长、防止熔体过热等。b）缩小铸锭中过渡带的尺寸，如：采用合适的漏斗均匀供流适当提高铸造温度和降低铸造速度、适当提高水压以提高铸锭冷却强度、适当降低开始凝固温度和凝固终了温度差。3.2.2.2 气孔和渣孔1)形态：气孔（如图3-2c中的D）是铸件组织中的圆形空洞，它是内表面光滑的球状空洞缺陷，其为未逸出的气泡在铸锭中形成的缺陷，其在显微镜下观察

31、呈规则的圆形，但是析出位置不固定；渣孔（如图3-3c中的D）是气孔中卷入渣滓形成的，其内表面就不再是光滑的，在显微镜下观察呈不太规则的图形且颜色不一致。图3-3c 典型渣孔（未变质）2)产生原因：熔体中的气体以气泡析出，必须具备三个条件：一是溶解的气体处于过饱和状态；二是气泡内的压力之和大于作用与气泡的外压力；三是有大于临界尺寸的气泡核。在实际铸造条件下由于熔体中总是存在大量的非金属夹杂物、结晶体和精炼时未逸出的气泡因此熔体中的非自发气泡核很容易形成。另外结晶前沿造成的氢含量的过饱和对气泡的形成造成有利条件。3)影响气孔和渣孔形成的主要因素：a）熔体原始含气量高。熔体原始含气量愈大，则温度降低

32、时析出的气体愈多；结晶界面上液相过饱和浓度愈大，导致形成气泡的过饱和区域愈宽；时间愈长，则愈促使气孔的形成。b）冷却速度。铸锭冷却速度愈快，气体扩散愈不充分，且来不及析出，因而允许不产生气孔的气体过饱和度增大，导致形成气泡的过饱和区域愈窄；同时，冷却速度愈大，过渡带愈窄，枝晶不易封闭液相，因而愈能降低形成气孔的倾向。c）合金成分。合金成分影响原始含氢量，氢在合金中的扩散系数、分配系数以及结晶区间的大小都会不同程度的影响气孔的形成及分布。d）铸造工艺条件。主要通过改变结晶方式、过渡带尺寸来影响气孔的形成及分布。e）非金属夹杂含量。非金属夹杂愈少，则允许产生气孔的临界含氢量愈高。4)预防措施：1）

33、从原料、工具、设备、工艺等方面入手降低含气量。2）适当提高铸造温度、降低铸造速度，建立良好的析气条件便于气泡上浮。3）提高铸锭冷却速度阻止气体以气泡形式析出。3.2.2.3 非金属夹杂物1）形态：非金属夹杂(如图3-3d中E)没有固定的形状，多为块状，与基体颜色不同。图3-3d 典型非金属夹杂（变质不足）图3-3e 典型夹渣（未变质）2）非金属夹杂产生原因：在熔炼和铸造过程中，来自熔剂、炉渣、炉衬、油污和灰尘中的氧化物、氮化物、碳化物等带入熔体，且除渣不彻底，在铸锭中则产生夹杂。3）防治措施：a）将材料中的油污、水分和灰尘等清除干净。b）炉子、溜槽和浇道处理干净。c）精炼要好，精炼温度不能太低

34、，防止渣子分离不好炉渣要除净。d）提高铸造温度以增加金属流动性，促进渣子上浮。3.2.2.3夹渣1）形态：夹渣（3-3d中的E）往往是非金属夹杂物，是铸锭中单个颗粒较大的颗黑色粒或细小成群簇状细粒。2）产生原因：夹渣常常是随液体金属一起掉入铸锭中的炉渣、炉衬碎块儿或块度较大的氧化物所造成的。3）防止措施：1）仔细精炼，保证静置时间，采取过滤措施。2）保持金属液面平静，最好采用同水平铸造。3）烘烤工具要彻底，适当提高铸造温度，铸造完成后仔细清理炉子及其它工具。4）使用清洁的炉料。3.2.2.3氧化膜和渣皮1）形态：氧化膜(如图3-3d和3-3f中的F)是氧化铝形成的非金属夹杂用显微镜观察氧化膜为

35、黑色线状包留物，黑色为氧化膜，浅色为基体，当氧化铝膜中有渣子时就为渣皮（如图3-3g中的F）。图 3-3f 典型氧化膜（变质后）图3-3g 典型氧化膜（未变质）2）形成原因：氧化膜形成的机理主要有两个：一是在熔炼和铸造过程中熔体表面始终和空气接触，不断进行高温氧化反应形成氧化膜并覆盖在熔体表面。当搅拌和熔铸操作不当时浮在熔体表面的氧化皮被破碎比卷入熔体内，最后留在铸锭中。二是铝合金熔炼时，除了使用原铝锭、中间合金和纯铝等作为炉料外，还加入一定数量的废料（碎屑、废铝锭等）。废料成分复杂，尺寸小、质量差、存在着大量的氧化物夹杂，在熔炼过程中由于除渣不净，氧化物夹杂进入熔体成为氧化膜。3）预防措施：

36、a）将原辅助材料的油污、腐蚀产物、灰尘、泥沙和水分等清除干净。b）熔炼过程中尽量少反复补料和冲淡，搅拌方法要正确，防止表面氧化皮成为碎块掉入炉内。c）空气湿度不能大。d）提高熔炼温度，除渣除气时间不能太短，静置时间要足够。e）使用的各种工具要预热。f）铸造温度不能过低，要保证熔体的良好流动性。结论根据所观察的结果和对实验结果的分析，以及结合实际工艺克的如下结论：1）断口缺陷主要有缩松、缩孔、气孔、针孔、氧化铝膜、非金属夹杂和夹渣等。缩松是沿晶界析出的不规则图形，颜色一致；缩孔沿晶界析出，多为圆形；气孔析出位置不定，形状多为较规则的圆形；氧化膜是黑色细长的线条；非金属夹杂和夹渣是颗粒呈簇状或单个

37、大颗粒。其中缩松和针孔影响合金致密性；缩孔、气孔、氧化铝膜、非金属夹杂和夹渣影响合金的连续性。因此这些缺陷都会对合金的断裂有不良影响。2）加精炼剂比加清渣剂的断口夹渣要少，在温度为724-737，加入精炼剂50Kg，精炼时间28min-30min，搅拌时间20min时工艺效果最好。3）变质后共晶硅的形态由针状变成点球状或短纤维状，测得两种二次枝晶间距大小分别为13.08um和17.78um，对合金性能尤其是裂纹的萌生有一定影响。致谢本文自始自终是在指导老师国栋老师的指导下完成的，本文从选题、实验设计、实验过程指导直到最后论文的定稿都得到了国老师的指点和帮助。他对我谆谆教诲、严格要求，认真检查我

38、在课题进展过程中的每一步工作，使我形成了一套完整而系统的治学思维与研究方法，使我真正地懂得了做学问搞课题研究应从何入手、从何深入，还使我真正具备了独立从事科学研究的素质与能力。同时，他还在为人方面给予了我极大地帮助、教诲和鼓舞，并对我的前途与发展寄予深切的关注和指点，我在此谨表示衷心地感谢。这次试验一直在联信戴卡公司完成，包括各个试样的选取、试样的制备、试样的观察、工艺参数的补充以及图片的采集等。工厂的张总和各位师傅给与了大力支持和帮助，尤其是陈君卫师傅对于观察金相试样给与许多指导。在此表示深深的谢意。最后向以上所有的人士以及所有关注我成长的人士致以最真诚的感谢。对评审论文和参加答辩的各位老师

39、、专家致以最真诚的感谢，谢谢您们在论文评审和答辩过程中提出的宝贵意见，愿您们平安健康快乐!参考文献1 朱正峰.AI-Ti-B中间合金的制备及其细化性能的研究D.甘肃:兰州理工大学.2008,52 Ejiofor J U, Reddy R G. Effects of porous carbon on sintered Al- Si-Mgmatrix compositesJ. Journal of Materials Engineering3 Atxaga G, Pelayo A, Irisarri A M. Effect of microstructure on fatigue behavior

40、 of cast Al7- Si- Mg alloy J. Mater Sci Tech4 赵鸿. 铝在汽车上的应用J. 汽车工艺与材料，1997，1:19-245 M ayerH, et a.l Influence o f porosity on the fatigue limit of die castmagnesium and aluminum alloysJ. Int J Fatigue, 2003, 25: 245-2566 Wang Q G, Apelian D, Lados D A. Fatigue behavior of A356-T6 aluminumcast alloys.

41、 Part I Effect of casting defects J.Journal of Light Metals,2001 (1):73-847 Avalle M, et a.l Casting defects and fatigue strength o f a die cast aluminumalloy: a comparison between standard specimens and production components J. Int J Fatigue, 2002, 24:1-98 Caton M J. Predicting fatigue properties o

42、f cast aluminum by charactering small crack propagation behaviorD. University of Michigan. Am Arbor, M I, 20019 Buffiere J Y, Savellib S, Jouneau P H. Experimental study of porosity and itsrelation to fatigue mechanisms of m ode l Al-Si7-Mg0. 3 cast A l alloys J . Int J Fatigue,2002,2410 冉广,周敬恩,王永芳,

43、席生岐. A356铝合金微观组织及其拉伸性能J.西安:金属热处理2007，（32）11 易有福,龙思远,徐绍勇,王瑞斐,唐晓亮. 低压铸造A356 铝合金轮毂的微观组织和力学性能J. 特种铸造及有色合金.2008,2812 毛协民. 汽车轮毂用A356铝合金简介J. 汽车工艺与材料.2011,1013 AVALLE M. Casting defects and fatigue strength of a die-cast aluminum alloy: a comparison between standard specimens and production components J . I

44、nt . J. Fatigue, 2002, 24:1- 914 刘小山,何国求,范宋杰.A356铝合金的单轴疲劳特性及断口分析J. 金属功能材料,2008，815 孙建华.电解铝液生产铝合金扁锭工艺技术研究与实践J.科苑论坛,铝加工.2005,116 吴文祥，陈琦,马科. 电解铝液制700铝合金的铸态组织与性能J.特种铸造及有色合金 2009,29（11）17 张亮,王志峰,贾晓飞,赵维民.A356.2铝合金轮毂轮辋的缩松分析及性能研究J. 热加工工艺.2010,2318 段虹,李丽霞,何敏禄.金相试样制备技术之一:金相试样的截取和镶嵌J.天津:天津职业技术师范学院学报.1998，219 张

45、载明.金相试样磨光和抛光技术的探讨J.机械开发.1998，120 邹勋.结晶压力对真空差压铸造铝合金二次枝晶间距的影响D.江西：南昌航空大.2012,621 李建国，王亮，杨文言.A356铝合金中裂纹的萌生及其扩展J.轻合金加工技术.2002,1130-3422 Mocellin A, Brechet Y, Fougeres R. Fracture of an osprey TM AlSiFe alloy: amicro-structure based model for fracture of micro heterogeneous materialsJ. Acta Metall. Mate

46、r. 1955(3):1135-114023 冉广，周静恩，王永芳.铸造A356铝合金的拉伸性能及其断口分析J.稀有金属材料与工程.2006,1024 毛协民. 汽车轮毂用A356铝合金简介J. 汽车工艺与材料.2011,10 25 李建国,王亮,杨文言.A356铝合金中裂纹的萌生及其扩展J.轻合金加工技术.2002:1130-34附录对文中的必要补充：1）Image-Pro PlusImage-Pro Plus 是功能强大的2D和3D图像处理、增强和分析软件，具有异常丰富的测量和定制功能。作为鼎鼎大名的Image-Pro 软件系列中功能最强大的成员之一，它包含了异常丰富的增强和测量工具，并允

47、许用户自行编写针对特定应用的宏和插件。是世界最顶级的图像分析软件包。适用范围：荧光成像，质量控制，材料成像其它的多项科研、医学与工业应用。2）ppiPPI是指一平方英寸上面有多少个孔。即：25PPI过滤海绵，就是在一平方英寸上有25个蜂窝孔。30PPI过滤海绵，就是在一平方英寸上有30个小孔。数值越大，孔越小。一般15-20PPI指大孔，25-30PPI为中孔，35PPI以上为小孔。3) CFF双级泡沫陶瓷过滤板氧化铝泡沫陶瓷，主要应用于铝和铝合金生产中的净化工艺，还应用作各种气固、液固分离介质，催化剂载体，燃烧器和吸音环保等领域。它能够有效去除铝水中的各种细度达到微米级的夹杂物，使铝水变为平

48、稳层流，有利于冲型；它具有优越的耐铝水冲刷性能，严格控制的孔洞尺寸和通孔率，可获得稳定的过滤效果；从而提高铸造质量，减少铸件废品率，延长使用寿命，降低铸造成本。以下是氧化铝泡沫陶瓷物理性能和化学成分的参数表。表1 氧化铝泡沫陶瓷物理性能的有关参数工作温度 孔隙率 抗压强度(室温) 体积密度 抗热震性 1200C 8090% 1.0Mpa 0.5g/cm3 800C-室温5次s表2 氧化铝泡沫陶瓷化学成分Al2O3 SiC SiO2 ZrO2 Others 85% - 6% - 9%4 )K模试样制作：（1）K模模具准备：一次/周打砂，并均匀喷涂模剂打底；K模预热：模具加热炉预热3060。（2）

49、K模试样浇注：用勺子舀铝汤，勺子距浇口25-35mm均匀倒入K模中直至浇满。冷却8-10迅速将K模试样取出，放入水槽冷却至常温。依方式继续浇注K模试样数N=3件。K模试样取样时机：NO K模试样制作时机频率。溶汤清洁度。K模试样的处理：A)将K模试样每隔4cm均匀敲断B)每支K模试样均匀敲成7小段3.2溶汤清洁度K模试样的观测、分析：（1）担当：物性试验人员。（2）观测、分析用设备：在20倍立体显微镜下用肉眼观察。（3）观测、分析部位：每7小根断棒两端的破裂口。（4）观测、分析缺陷类型：气孔、氧化夹渣物等。（5）将3支K模试样的各7小根断棒的破裂口观测到的缺陷个数累加N1、N2、N3。溶汤清洁度K模试样的K20值计算与判定：（1）单支K模试样的K20值=N1/7； N2/7； N3/7。（2）每次3支K模试样的K20平均值=（N1+N2+N3）/73。（3）溶汤清洁度K模试样的K20值与溶汤清洁度级别分类：K20值0.2含 0.21.0 1.12.0 2.1。