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1、常用有色金属材料的组织与检验,丁惠麟,1,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合金，使其在发动
2、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得到了广泛的应用。,铝合金通常按热处理特性、性能、用途
3、、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、粗晶与穿流等各种组织缺陷和废品。所以各种铝制件在其制造过程中，必
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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（Z
9、L102），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 100,6,常用有色金属材料的组织与
10、检验铝合金,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
11、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.
12、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，
13、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)100,8,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,Al3Fe相：含杂质Fe较高时，易出现Al3Fe相（硬度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%H
14、F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%HNO3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
15、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铝合金,表8 铝合金中常见的主要相及其符号,10,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,2）Al-Cu系合金 Al-Cu系铸铝合金的主要强化相是Al2Cu,可通过热处理强化，具有高的强度和而热性，但铸造性能比Al-Si系差，气密性低，比重大，抗蚀性差。为改善性能，合金中加入一定量的Si、Mn等元素，形成A
16、l-Cu-Si、Al-Cu-Mn等合金。为细化组织还加入少量的Ti元素，另外，合金中还存在少量的有害杂质Fe等元素。因此Al-Cu系合金在固态下存在的主要相(Al)、(Al2Cu)、(Al9Fe2Si2)、Al3Ti、及杂质相N(Al7Cu2Fe)相形态和Al-Si系相同外，还存在着以下两相：,T(Al12CuMn2)相：它是高温强化相，初生相分布在晶界上呈片状或枝叉状，经0.5%HF侵蚀后呈棕黑色，淬火加热不溶解而留在枝晶间。溶于(Al)中的Cu、Mn分解析出的T相呈弥散细小的黑色质点分布在基体中（图6）。Al6(CuFeMn)相：呈不规则的灰白色片状和弯曲状沿晶分布，数量很少，固溶处理时不
17、溶入(Al)中。,图6 淬火后相溶入(Al)中，T相在枝晶间界上，(Al)中 弥散析出T相质点 200,11,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,3）Al-Mg系合金 这类合金的主要优点是比重小，抗蚀性和加工性好，在造船、食品和化学工业等部门得到广泛应用。ZL301是含Mg10%左右的Al-Mg二元合金，在长期使用过程中，会沿晶析出(Al8Mg5)相，并不断聚集长大，使性能下降，出现应力腐蚀倾向，所以在ZL301基础上添加少量的Si、Cr、Mn、Ti和微量Be等元素来减轻高温氧化并细化晶粒，提高耐热性和抗蚀性。如果加入量过多，组织中会出现粗大的MnAl6或Cr2Al7，增加合金脆性，Mg2Si
18、相不能完全固溶于(Al)中会降低机械性能。当ZL301、ZL302合金中存在杂质Fe时，会出现Al3Fe相，以(Al)+Al3Fe、+(Al8Mg5)+Al3Fe、,+(Al8Mg5)+Mg2Si+Al3Fe等共晶方式存在(图7)。所以在Al-Mg系合金中除(Al)外，还有Mg2Si、(Al8Mg5)、Al3Fe、Al3Ti、和AlFeMnSi等相。(Al8Mg5)相是一种成分可变的化合物，有的称为Al3Mg2相，在抛光态呈浇灰色骨架状分布，量少时呈片状或针状。从(Al)中析出的相为粒状。与(Al)共晶时为鱼骨状，边缘较光滑，用25%HNO3热蚀可溶解出现黑色空洞，在0.5%HF水溶液作用下有
19、轻微腐蚀，使轮廓清晰。,图7 白色不定形晶界显示的为(Al8Mg5)黑色片状或枝叉状是Mg2Si灰色片状或密集点状物是Al3Fe 0.5%HF侵蚀 200,12,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,4）Al-Zn系合金 工业上应用较广的主要是Al-Zn-Si和Al-Zn-Mg合金，其优点是Zn完全固溶在(Al)基体内，铸造冷却过程中不发生分解，可获得固溶强化效果，在铸造冷却后具有淬火效应，通过人工或自然时效后即可获得高的机械性能。由于Zn在铝中有很高的溶解度，所以合金中不出现Zn的化合物，而Mg较高时，除部分溶入(Al)外，还可能形成Mg2Si相，合金中存在杂质Fe时，可形成(Al9Fe2Si
20、2)或Al8FeMg3Si6相，所以铸态下的Al-Zn-Si合金中主要组成相有(Al)、Si、Mg2Si、(Al9Fe2Si2)等相（图8）。,当Al-Zn-Mg合金中添加少量的Cr和Ti时，可形成Al7Cr相和Al7Ti相，Fe和Si是Al-Zn-Mg合金中的主要杂质，可形成(Al12Fe3Si)相，而Cr可渗入相中取代部分Fe而成为Al12(CrFe)3Si相。所以ZL402合金在铸态下还有Al7Cr、Al7Ti、Al12(CrFe)3Si等相，其形态Al7Cr相呈浅灰色大块组成物，经0.5%HF侵蚀后稍呈灰色。而Al12(CrFe)3Si相呈浅灰色骨骼状，当合金中杂质含量高时Al12(C
21、rFe)3Si相较多，对0.5%HF侵蚀影响不大，时间较长稍有腐蚀。,图8(Al)基体上分布着Si晶体、少量(Al9Fe2Si2)和细小分散的Mg2Si和 Si不易分辨 100,13,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,5）Al-稀土金属为基的铸造合金 该合金是近期发展的耐热合金，它除了含有较高的Re外，还含有Cu、Ni、Mg、Mn、Zr等元素。它的优点是耐热性好，不易产生热裂和疏松，缺点是室温机械性能差，成分复杂，其组成相沿未见系统研究。在合金组织中出现黑色六方块的初生Al4Ce化合物。由于含Ce量高，比重大，易形成偏析，所以常发生局部堆集。还有较高Ce和Cu及少量Si、Fe、Ni的化合物(
22、AlCeCuNiFeSi)，呈细小弯曲针状和片状分布于合金内（图9）。还可能存在含有Cu和Ce的细小分散呈点状的AlFeMnSi相和细小白色块状的Al3Zr化合物。4.铸造铝合金热处理后的组织变化 为了消除偏析，改善组织，稳定尺寸，进一步提高机械性能，增加耐蚀性，可根据合金牌号和要求采取不同形式的热处理来达到（图10），其中淬火固溶处理是提高机械性能的主要手段。铸造铝合金在热处理加热保温过程中，一些可固溶强化相（如Al2Cu、Mg2Si等）溶入(Al)中，淬火后使原来铸造组织中一,图9(Al)基体上分布着细小弯曲 针状AlCeCuNiFeSi的复合化合物,图10 热处理强化型合金的状态图（以A
23、l-Cu为例）,14,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,些强化相消失了。有时因铸件凝固缓冷过程中形成的粗大强化相未完全固溶而沿有少量残余存在。对于Al-Cu-Mn合金在淬火加热过程中Al2Cu溶入(Al)中，T(Al12CuMn2)相不溶解仍留在枝晶间，而且含Cu、Mn的固溶体会分解析出黑色细小弥散的T相质点散布在固溶体晶粒内部，铸铝合金中不固溶相在淬火加热的高温作用下，会发生球化、聚集和长大，温度越高，保温时间越长，则球化、聚集和长大现象也更明显。如Al-Si和Al-Si-Mg系合金中的Si相，在淬火加热后明显变粗和球化（图11）。由于不溶相的球化，,使合金塑性增加。在Al-Si-Mg合金
24、中的Mg2Si和Al-Cu-Mg合金中的T相也有聚集和球化现象，但不如Si相明显，对于扩散系数小而稳定的Al3Ti、Al3Zr、(Al12Fe3Si)、(Al9Fe2Si2)和N(Al7Cu2Fe)等不溶相，淬火后和铸态相似。为了加速强化相的固溶和不溶相的球化和来改善和提高机械性能，淬火加热温度应尽可能提高，但过高会促使Si的强烈聚集粗化和固溶体晶粒的长大，甚至出现低熔点共晶体的熔化，形成复熔球和晶界熔化，使机械性能恶化。,图11 ZL104经淬火加热共晶硅发生聚集和球化，强化相溶入(Al)中 200,15,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,（三）变形铝合金 变形铝合金所含合金元素总量（1.
25、615.3%）比铸铝合金元素总量（521.3%）低，离合金共晶成分较远。所以有良好的塑性，能承受冷热加工变形，适用制造各种型材和构件。变形铝合金根据用途可分为防锈铝合金（LF系）、硬铝（LY系）、锻铝（LD系）、超硬铝（LC系）和特殊铝合金（LT）等五类，除防锈铝合金外，其余都可通过热处理强化来改善和充分发挥材料性能，是航空工业的主要结构材料（约占6090%），在民用工业上也得到了广泛应用。1.变形铝合金的组织特点 1）组织呈明显的方向性 合金经热态压延、挤压、锻造或冷态拉伸、冷拔和冷轧等加工后，使铸态晶粒、枝晶网状化合物、粗大的强化相和杂质相被破碎，沿变形方向延伸成条状排列，具有明显的方向性
26、，而且变形越大，化合物破碎越严重，晶粒伸长越厉害，呈现出断续的条状化合物和纤维组织，失去了原有铸态的特定形态，因而增加了相鉴定的困难。（1）热变形终了温度的影响 热变形终了温度处于再结晶温度区间或再结晶温度以下，组织中往往处于不完全再结晶状态，则晶粒成扁平和纤维状，基体上会分布着大量弥散析出的强化相和杂质相。若完全未再结晶，则出现变形方向的纤维组织和破碎的质点化合物。（2）变形不均匀对组织的影响 变形不均匀导致组织的不均匀，变形大的部位枝晶网和粗大化合物被破碎，而变形小的区域仍残留着铸态组织。所以粗大棒材中心往往保持较多的杂质相和残留铸态组织（图12）。,16,常用有色金属材料的组织与检验铝合
27、金,2）热处理后组织特征 经挤压后由于强化相的破碎和细化，所以淬火固溶比铸态充分，在固溶态下组织中只有不溶杂质相存在。变形不充分合金中残存铸态组织时，固溶处理后除不溶杂质相外，还可能存在少数呈椭圆形的强化相。在退火状态下，析出弥散状的强化相呈质点状和杂质相均匀分布在(Al)基体上。总述，变形后的半成品热处理的显微组织是由两个过程构成，即原始组织的逐渐改变和由变形引起新的显微组织成分的建立，这两个过程叠加而成。第一个过程是改变晶粒和化合物的大小，第二个过程是形成新的晶界。变形越大，形成新晶界的过程越强烈，则原始组织遗留因素的影响程度越小，这就是形成变形铝合金的固有特点。,图12 LY12（150
28、mm）中心杂质相和Al2Cu 相成堆集状、枝叉分布，未充分破碎,17,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,2.变形铝合金的组织与形态 1）防锈铝合金（LF）（1）Al-Mn系 3A21(LF21)组成相除(Al)外，主要由MnAl6和(FeMn)Al6及少量的(Al12Fe3Si2)、T(Al12Mn3Si2)等不溶杂质相组成，经挤压后，基体(Al)晶粒伸长呈纤维状，杂质相破碎成质点状沿变形方向分布。经退火后纤维状消失，MnAl6呈弥散均匀分布在基体上，杂质相方向性减少，晶粒得到恢复，但仍保持方向性伸长。Al-Mn系合金制品容易出现粗晶，因为当连续铸造时结晶速度快，枝晶内形成严重的Mn偏析，在
29、热轧前加热到400500并不能消除，热轧后的组织仍不均匀，加上挤压引起的变形不均匀，这就扩大了合金的再结晶开始和结束的温度范围，造成晶核少的区域内在再结晶过程中优先长大形成粗晶。若将铸锭加热到600以上进行均匀化处理，有助于消除出现粗晶的根源。（2）Al-Mg系合金 5A02、5A03、5A06、5B05(LF1、LF2、LF3、LF6、LF7、LF10、LF11)Al-Mg系合金比重小，抗拉强度比Al-Mn系高。主要组成相除(Al)外，有(Al3Mg2)、MnAl6、Al7Cr、TiAl3和杂质相FeAl3，(FeMn)Al6和Mg2Si等相，经热变形后相被破碎，失去了原有形态，沿变形方向成
30、行排列，从(Al)中析出大量的(Al3Mg2)等相的质点分布在基体上。2）硬铝（LY）2A012A20 硬铝基本上是Al-Cu-Mg合金，还含有少量的Mn，加入Cu和Mg是为了形成相及S相起主要的沉淀硬化作用。而Mn主要是为了改善合金的抗蚀性，也有一定的固溶强化作用，但Mn的析出倾向小，故不参与时效过程。,18,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,根据Al-Cu-Mg系平衡结晶终了相图铝角部分（图13）将包含+S、+T+S、+T+三个区域和四个两相区与(Al)单相区，由于实际含Mg量较低，T相和相在均匀平衡态不会出现，而合金中的主要组成相取决于Cu/Mg之比值（表1）。合金中还存在杂质元素组成
31、不溶杂质相。表1 Cu、Mg之比对组成主要相的影响,经热变形退火后，化合物保持方向性排列，在(Al)基体上析出大量的S及等强化相质点和不溶杂质相。淬火加热时强化相固溶于(Al)中，经淬火后获得过饱和固溶体和不溶杂质相，人工时效除含有Mn的T(CuMn2Al12)相从(Al)中析出呈点状弥散分布在基体上外，光学显微镜下无变化。3）超硬铝（LC）7A037A52（LC35、LC912、LC15、LC19）合金中主要含有较高的锌，有异常的沉淀硬化作用，使强度、断裂韧性优于硬,图13 Al-Cu-Mg三元相图Al角部位,19,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,铝。该合金的最大特点是它有S(Al2Cu
32、Mg)、T(AlZnMg)和Mg2Si三种强化相，在淬火温度（475）下有很大的溶解度，随温度的下降溶解度强烈地减小，所以可有效地提高合金强度。在退火状态下的组成相除(Al)外，有(MgZn2)、T(AlZnMg)、S(Al2CuMg)、MnAl6、CrAl7和杂质相Mg2Si、AlMnFeSi、(FeMn)Al6等淬火后晶界显示清晰，在(Al)基体上除少量残存S相和T相外，主要存在着仍保持方向性的难溶杂质相。4）锻造铝合金（LD）6A02(LD2)、6B02(LD2-1)、6070(LD2-2)、2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A80(LD8)、2A90(LD9)、2A14(LD1
33、0)锻造铝合金含有Cu、Mg、Si、Fe、Ni等元素，成分较复杂，组成相也较多，主要有Mg2Si、W(Al4CuMg5Si4)、Al2Cu、S(Al2CuMg)、TiAl3、Al9FeNi、AlCuNi等相，还存在着各种不溶杂质相。经固溶处理后，再结晶颗粒仍沿压延方向伸长，强化相消失，破碎难溶的Al9FeNi相汪深色棱角状，而AlCuNi相呈浅色圆形和其他不规则的不溶杂质相弥散分布在(Al)基体上。粗型材中心和变形量较小的部位，尚可存在残留铸态组织，甚至仍可看到再结晶组织外的亚晶粒，使锻造时易产生开裂。（四）常见的组织缺陷 1.低倍缺陷 1）试样制备（1）切取部位 在具有代表性的部位或容易产生
34、缺陷处。铸件一般应取自凝固较慢的厚大部位，挤压件在切尾后沿发问横向切取。（2）切取方法 一般采用锯切或铣割。变形铝合金采用锯切或剪切时，为防止淬火对切口附近影响粗晶组织的正确显示，应该增加切取试样的厚度，淬火后再车削或铣削去10mm左右。,20,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,（3）加工方法 切削加工量要小，防止大切削量引起表层金属的严重变形，导致组织假象和针孔堵塞。（4）粗糙度的要求 表面粗糙度要低，一般经粗刨，再小进刀量精刨，然后用200#和240#砂纸磨光。也可用刃口具有一定弧度的锋利刀具精车，以保证而把平整光洁。加工粗糙度不超过16m。（5）清洗 试样侵蚀前就用汽油或丙酮等清洗除油
35、。（6）试样侵蚀 常用的侵蚀剂和试验条件见表2。侵蚀时间和温度有关，直接影响到缺陷暴露的效果和质量的评级。铸铝合金可根据GB1085189铸造铝合金针孔和HB520182铸造铝合金低倍试验方法与图14选择侵蚀时间和温度。表2 常用铝合金低倍侵蚀剂,图14 低倍侵蚀温度-时间曲线,21,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,注：经上述试剂侵蚀后可用2530%HNO3水溶液中和去除氧化膜，然后用水冲洗吹干。2）铸造铝合金低倍缺陷（1）针孔 铸造铝合金中针孔是常见缺陷，是熔炼过程中高温液态金属溶有的部分氢气在铸件凝固时未完全逸出，而在金属内部析出形成的细小孔洞，一般分布在铝液凝固缓慢处上部、形状呈圆形
36、和椭圆形针孔，也有成网状分布的针孔，形成所谓苍蝇脚和多角形，轮廓清晰，内壁光滑，互不连通，容易和疏松区别。在断口上为白色圆形凹坑或片状白斑。针孔严重时使强度和塑性下降，承受液压或气压的零件会产生渗液和漏气。GB1085189将针孔度分为五级，一般不超过三级。但对有气密性要求的铸件，要从严控制。（2）疏松 它属于铝液冷却凝固的结晶过程中缺陷。一般产生在铸件晶粒度粗大，组织不致密的厚大热节部位，呈不均匀分布，其形状不规则，经淬火处理后，疏松孔洞的边缘变钝。疏松割裂晶粒间的，危害较大，GB350883内燃机铸造活塞金相检验标准中，把针孔和疏松统称为孔洞，分为分散性和集中性两类评级对照图。目前尚无通用
37、的统一评级标准，应根据零件使用要求在相应的文件中规定。（3）缩孔 在金属液凝固过程中收缩得不到充分补缩时，在铸件最后凝固部位形成管状或枝叉状孔洞。其形状不规则，呈封闭或敞露于表面的孔洞，孔壁粗糙带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固的热节部位。Al-Si系共晶型合金易形成管状集中缩孔，有时因有共晶成分的液体填充缩孔的结果，会出现粗大的共晶偏析区或偏析层。（4）裂纹 a.铸造裂纹 一般可分为两种：合金在凝固范围内结晶和收缩过程中所形成的,22,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,裂纹，称为“热裂纹”；在合金完全凝固后的低温下，具有弹性时所形成的裂纹称为“冷裂纹”。铸造裂纹有透裂和不透裂两种形态。透裂外
38、观呈直线或不规则的曲线。多发生在铸件内尖角处、厚薄断面交接处和浇冒口与铸件连接的热节区等部位。热裂断面被氧化呈褐色或暗黑色，无金属光泽，断面可见相互分开的晶体。显微观察时热裂纹沿晶和枝晶网状发展，裂纹区可能有共晶偏析产生（图15）。冷裂纹一般较细小，断口表面清洁或仅有轻微的氧化色，显微观察时裂纹呈穿晶和沿晶或穿过枝晶网的混合型。b.淬火裂纹 由于加热或冷速太快，零件壁厚差大引起温差应力导致裂纹，或由疏松和显微裂纹扩大至宏观裂纹，则在高倍下可见裂纹与疏松相联系。热处理温度过高引起组织过烧，使晶粒间结合强度降低，在淬火激冷过程中引起开裂，则表面呈暗灰色或起泡，甚至出现“汗珠”现象（图16），显微观
39、察裂纹沿晶界或枝晶分布，严重时形成网状与复熔相并存，组织粗大，断口呈黄色或黑色。,图15 热裂纹的前端共晶体较多 100,图16 ZL301加热温度过高引起表面“汗珠”，组织过烧 11,23,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,（5）夹杂（渣）铸造铝合金中的非金属夹杂夹杂（渣）是常见的缺陷之一，主要是由于高温液体金属表面氧化成氧化膜遭到破裂形成碎片，或造型材料等不易上浮入渣和熔剂夹渣所引起（图17），其中以氧化夹杂最为普遍。在含Mg铝合金中是以氧化铝和氧化镁的混合物存在。有氧化夹杂的断口呈暗褐色或灰色和金黄色等斑状。3）变形铝合金低倍缺陷（GB/T3246.22000变形铝及铝合金制品低倍组织
40、检验方法）（1）粗晶环 粗晶为变形铝合金制品及各种型材表层经常出现的组织缺陷，由于粗晶常出现在棒材外圆，故称“粗晶环”。形成原因，一般认为与挤压过程引起金属强烈变形带有关。挤压强烈变形区处于再结晶不完善状态，当淬火或退火加热和保温过程产生的少量再结晶核心吞并已再结晶的小晶粒，并迅速长大，结果造成表层粗晶和内层细晶的两个组织区域（图18）。其形成还和挤压温度、合金中Cu、Mg、Mn的含量、淬火加热温度、保温时间及第二相的在等因素有关。它不仅明显地降低,图17 ZL105压铸件中的熔渣 100,图18 LY12(460mm)粗晶环 11,24,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,强度和工艺性能，而
41、且在锻造和淬火时易沿粗晶开裂。挤压状态下侵蚀检查时，试样周边出现无光泽的非常模糊的阴影细晶区（有少量粗晶粒），称为“潜在粗晶区”，必须进行淬火后才能清晰地显示粗晶组织。（2）非金属夹杂 一般可分为两类：a.外来夹杂 主要指混入铸锭的溶渣或落入铸锭内的非金属物质，经侵蚀后呈褐色或凹陷黑色点状和不规则状存在（图19），分布无规律，易和化合物、疏松混淆，可借助抛光高倍检查确定。,b.氧化膜夹杂 主要是在熔炼和转注过程中金属液发生湍流、翻滚、飞溅等引起金属氧化，以及粘在工具上的氧化膜落入铸锭内所造成。氧化膜与夹杂物不同，一般不经变形很难看到，而且随变形量增加，氧化膜出现机率愈大，直到变形量为80%以上
42、才缓和出现，所以氧化膜往往都集中在变形量最大部位，这是和夹杂物的主要区别。经碱溶液侵蚀后，氧化膜呈短线状的黑色裂缝，一般长度不超过10mm，宽约0.10.2mm左右。氧化膜易使挤压和模锻件发生局部分层，降低材质机械性能。（3）缩尾 挤压过程中的速度、方式、润滑条件、模孔排列等因素使变形件内外层金属流动不均匀，中心层金属流动超前于周边层所致。一般出现在挤压末端中心，形成漏斗状或不连续状。也有位于周边附近或呈年轮状线条，成为缩尾痕迹，,图19 LY12(50mm)非金属夹杂,25,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,并未破坏金属连续性，可不作报废处理。（4）分层 这是存在型材内部的线状开裂。由于板
43、材切尾不够，或因铸件内存在夹渣、气泡等缺陷在加工时被压延而成。它破坏了金属连续性，是不允许存在的缺陷。挤压件有时表面层与内层金属分离，使横向试样边缘处呈圆弧状、环状裂纹或；黑色线条状缺陷，也称为“成层”。成层常存在于粗细晶料交界处或粗晶区。存在这种缺陷时淬火后表面易出现“鼓泡”。这种缺陷在加工范围内是允许的。2.显微缺陷 1）金相试样的制备 试样的切取部位和切取方法同宏观试样或相关技术条件规定的部位。试样的磨制必须防止金属表层严重变形，不能采用砂轮磨制。试样抛光有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种方法。试样制备程序和方法如下表：,26,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,要获得理想的抛光面必须注
44、意以下几点：（1）铝合金抛光面有一层致密的Al2O3氧化膜不易去除，必须采用切削性能好的抛光剂或人造金刚石抛光膏。（2）配制抛光液的水以蒸馏水为佳。抛光液不宜多，以保持润湿为宜。（3）抛光必须分粗抛和精抛两个阶段，精抛转速要慢。新的抛光丝绒必须在水中煮沸1030分钟后使用，使用前要清洗干净。（4）抛光时间要短。在抛光盘上压力要小，并不断转动试样，以避免产生曳尾。电解抛光可得到无划痕的镜面，适用于变形铝合金和部分铸造铝合金。对于高硅、具有化学成分不均匀和偏析的铸造铝合金，容易造成强烈侵蚀而出现浮雕和局部腐蚀，可采用缓蚀剂来消除腐蚀现象，也可采用物机械抛光，再短时电解抛光的方法。化学抛光容易出现点
45、腐蚀，也可采用甘油等缓蚀剂来改善腐蚀条件。显微侵蚀剂见书第223页表11-1。电解抛光液和化学抛光液见机械工程材料测试手册“物理金相卷”P221表2-7-22、表2-7-23。,27,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,2）铸造铝合金显微缺陷（1）变质缺陷 合金液的变质处理是细化铸造组织、改善性能的方法之一，而铸造组织的细化包括固溶体、共晶组织和初晶组织的细化。固溶体的细化通常在合金中添加少量难熔合金元素，如Ti、Zr、B、V等在合金液中形成Al3Ti、Al3Zr、AlB2、TiB2、Al10V之类高熔点化合物，成为固溶体结晶核心来细化晶粒。初晶硅的细化主要是指过共晶型Al-Si合金（耐磨铸铝
46、合金），在合金液中加入少量的磷或磷复合物，以形成AlP化合物作为初晶硅的晶核，使初晶硅细化至1080m之间，以获得高强度耐磨的铸铝合金。变质缺陷一般指共晶硅变质细化过程存在的缺陷。金属液中加入少量磷和金属钠或氟化钠、氯化钠等混合盐，使(Al)枝晶与共晶体分布均匀，共晶体中硅相显著变细，呈细粒状存在。由于变质剂的加入量或操作工艺等因素影响变质效果，会出现组织缺陷而降低铸件机械性能，所以GB1084989铸造铝硅合金变质标准中，对铸造铝硅合金采用钠或磷变质后的金相组织分别制订了六级和四级标准。采用钠变质后的试样经抛光侵蚀在放大200倍下，根据(Al)枝晶与共晶体的分布、共晶硅的细化程度分为未变质、
47、变质不足、变质正常、变质衰退和过变质五种类型。未变质是指变质处理完全失效的组织，共晶体中硅呈粗大针条状或片状，分布无规律。如果变质处理不完全或部分失效称为变质不足（图20）。虽(Al)枝晶与共晶分布均匀，而共晶体中部分硅呈短条状和针状。若(Al)枝晶与共晶体分布不够均匀，共晶体中除有部分短杆状和针状外，还出现共晶硅变粗，这是变质衰退的特征（图21）。变质剂加入量过多引起过度变质，使枝晶与共晶体分布不均匀，在细密的共晶体中出现波浪状分布的(Al)带，带中有粗大的颗粒状共晶硅形成粗变质带（图22）。,28,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,变质不好会降低机械性能，是不允许存在的组织缺陷。（2）热
48、处理缺陷 可强化的铸铝合金在热处理时产生加热温度偏低，或保温时间不够，不能充分发挥强化元素使合金得到强化的作用，或加热温度过高引起过烧，使机械性能恶化，都是不允许存在的热处理缺陷。a.固溶不充分 由于铸造铝合金中有粗大的第二相质点和共晶组织，以及固溶体内部成分浓度的不均匀性、各种非金属夹杂与显微疏松等阻碍第二相扩散的特点，决定它要有足够高的淬火温度和较长时间的保温，使强化相在固溶体内达到最大的溶解度，若固溶温度低或保温时间较短，强化相未得到充分的溶解，显微组织中有较多的残留强化相，或淬火转移速度较慢，冷速不够，使强化相沿晶析出，都会降低热处理后的机械性能和抗蚀能力。b.过烧 为了加速强化相的充
49、分溶解，将铸件加热到尽可能高的温度，确保淬,图20 变质不足 图21 变质衰退 图22 过变质,29,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,火、时效处理后获得最佳的机械性能。由于铸造铝合金组织的不均匀性和低熔点共晶体的存在，当淬火加热温度较高时，使共晶硅周角圆滑，并聚集长大（图23），显示出过热现象。若温度过高，使共晶硅进一步聚集长大，趋向于平直化，并开始出现晶界上的低熔点共晶体发生熔化，随温度的升高，共晶硅继续聚集长大、并出现多角化和典型的复熔球与多元复熔体组织（图24），使机械性能迅速恶化。JB/T7964.31999标准中规定，在抛光条件下放大400倍观察，标准根据共晶硅形态和复熔特征分为
50、 正常组织、过热组织、轻微过烧、过烧和严重过烧五级。热处理加热温度过高引起共晶硅的边角圆滑和强烈的聚集，是过烧的前奏和征兆之一，对机械性能有一定的影响，但并不明显，所以一般以复熔球、三角晶界等作为主要过烧特征来决定零件是否报废。,图23 共晶硅聚集长大和边角圆滑 100,图24 共晶体复熔和复熔球，共晶硅减少并粗化和角化 200,30,常用有色金属材料的组织与检验铝合金,3）变形铝合金（1）过烧 变形铝合金的合金元素比铸铝合金低，可加工变形，所以各种化合物较细小，成分较均匀，因此对过烧的敏感性和过烧特征、以及对性能的影响程度与铸造铝合金不同。各种变形铝合金的成分、加工情况、低熔点共晶体组成的类
