ZL205A铝合金铸件偏析缺陷的断口形貌和化学成分_陈邦峰

ZL205A铝合金铸件偏析缺陷的断口形貌和化学成分FractureSurfaceandChemicalCompositionofSegregationDefectofZL205ACastingAluminumAlloy陈邦峰,贾泮江(北京航空 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 研究院,北京100095)CHENBang-feng,JIAPan-jiang(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)摘要:以实际生产过程中铝铜系ZL205A铸件的偏析缺陷为研究对象,研究了偏析缺陷对铸件本体力学性能和断口形貌的影响,同时研究了偏析面积与试样性能的关系。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:偏析缺陷对试样抗拉强度和伸长率影响较大,对试样屈服强度影响较小,且偏析缺陷试样伸长率均值为3.7%,略低于I级指标4%要求,而抗拉强度和屈服强度均值分别为391.3MPa和343.5MPa,均高于I级指标360MPa和280MPa要求;无缺陷试样断裂为韧性断裂,偏析缺陷试样断裂为沿晶脆性断裂,偏析相呈网络状并连成片均布在晶界上,其主要成分为Al2Cu低熔点共晶相;试样抗拉强度σb值与其偏析面积能较好地满足线性关系。关键词:偏析;ZL205A;铸造;断口形貌;化学成分中图分类号:TG292　　文献标识码:A　　文章编号:1001-4381(2010)09-0001-06Abstract:SegregationdefectofAl-CualloyZL205Acastingduringproductionwasresearchedasanobject.Theeffectofsegregationdefectonthemechanicalpropertiesofthecastingandthemacro/mi-crostructureofthefracturesurface,andtherelationshipofthemechanicalpropertiesandthesegrega-tionareawerestudied.Theresultsshowthatsegregationdefecthasobviouseffectonthetensilestrengthandtheelongation,andnoeffectontheyieldstrength.Theaveragevalueoftheelongationis3.7%lowerthanthatofIgrade4%,whilethetensilestrengthandtheyieldstrengthis391.3MPaand343.5MPamorethanthatofIgrade360MPaand280MPa,respectively.Itisductilefracturefordefect-freesamples,andwhileintercrystallinebrittlefractureforthesegregationdefectsamples.Thesegregationdefectaccumulatesalongthegrainboundarieswiththecontinuousnetworks,anditsmaincompositionislow-melting-pointeutecticphaseAl2Cu.Thereisalinearlogarithmicrelationshipbe-tweenthetensilestrengthandthesegregationareaofthesamples.Keywords:segregation;ZL205A;casting;fracturesurface;chemicalcomposition　　ZL205A属Al-Cu-Mn系高强度铸造铝合金,其中Cu含量为4.6%(质量分数,下同)～5.3%,并添加Ti,Zr,V,Cd,B等多种元素,合金施以严格的热处理 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ,其抗拉强度(T6状态)可达510MPa,为目前世界上抗拉强度最高的一种铸造铝合金,广泛应用于航空、航天、船舶和武器装备等方面[1-3]。由于ZL205A合金固液相线温差较大,合金凝固速率和合金元素扩散速率不一致,因此在铸件中,尤其是大型厚壁铸件中,不可避免地存在偏析[4]。有资料指出[3,5]:ZL205A合金偏析的产生主要与熔炼操作有关而与铸造工艺无关,要防止铸件偏析应从控制合金液质量、熔炼温度、浇注温度、保温静置时间和加强搅拌等方面来考虑。ZL205A铸造合金基体组织为α(Al),并含有θ相和T相,而偏析相主要富集在晶界上,其组织成分比较复杂,主要有Al,Ti,Zr和Cu等重金属元素,这些晶界相的存在严重割裂了基体组织,因而显著降低合金的性能[6]。随着高强度ZL205A合金铸件在航空航天受力结构件中的广泛应用,大 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 铸件毛坯件在精加工后经X光检验发现的偏析问题逐渐暴露出来。铸件毛坯状态的内部质量和力学性能数据已不能完全真实反映加工后铸件产品的各项性能指标,这为产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 部门带来设计风险。而目前国内外对Al-Cu系铸件偏析的研究报道较少,且还未有可参照的关于铝合金偏析缺1　ZL205A铝合金铸件偏析缺陷的断口形貌和化学成分陷的验收标准。该问题已成为影响产品合格率及铸件交付使用的重要因素,各生产厂家和设计部门对于减少偏析问题,提高铸件质量及确定专用偏析验收技术要求的愿望十分迫切。合理科学地制订出偏析缺陷存在所允许的程度、数量、形貌等是产品使用方、设计部门迫切需要掌握的使用依据,也是ZL205A合金市场进一步推广的需要。本工作从产品实际出发,研究ZL205A合金铸件偏析缺陷对铸件本体性能、断口形貌及组织成分的影响。1　实验方法基于生产过程中所发现的铝铜系ZL205A铸件T5态所存在的偏析缺陷进行研究,其实验步骤如下:(1)收集存有偏析缺陷的铸件毛坯,用AA400底片和LPX160的X射线探伤机照射铸件缺陷部位并切取,实验用底片本底黑度值为2.0±0.20,X射线探伤机照射焦距1.75m,管电压(50±2)kV,管电流5mA,曝光时间4min;(2)将缺陷部位按要求切取若干根试棒,并进行编号。试棒加工成图1所示的室温拉伸试样,将加工好的室温拉伸试样再次进行X射线照射,仅选取无缺陷试样和偏析缺陷试样进行性能测试,其他缺陷试样排除;(3)选用Instron1196拉伸机测试试样力学性能,并根据试样性能测试数据和X射线探伤结果,按照表1的要求将偏析缺陷试样按0级、I级、II级、III级进行划分,其中0级为无缺陷、I级为轻微偏图1　试样加工示意图Fig.1　Schemeoftensilesample表1　不同偏析级别试样的力学性能指标Table1　ThemechanicalpropertiesindexofthedifferentsegregationgradessamplesGradeσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%≥03602804I3602804II3402603III3202401析、II级为稍重偏析、III级为重偏析;(4)选用FEIQuanta600型电子扫描显微镜对断口形貌进行二次电子像和背散射电子像观察,用OxfordIE350型能谱分析仪测定合金成分的含量,用AUTOCAD软件分析偏析缺陷所占断口面积的比例,以及与性能之间的关系。2　实验结果及分析2.1　力学性能无缺陷试样和偏析缺陷试样力学性能测试统计结果如表2所示,其正态分布比较图见图2,其中无缺陷试样测试样本数25个,偏析缺陷试样测试样本数48个。可以看出,无缺陷试样抗拉强度、屈服强度和伸长率均值分别为443.2,346.8MPa和8.5%,而偏析缺陷试样均值分别为391.3,343.5MPa和3.7%。由此可见,除屈服强度值较为接近外,无缺陷试样抗拉强度和伸长率均值要高于偏析缺陷试样,且偏析缺陷试样抗拉强度和屈服强度均值均高于表1中I级指标360MPa和280MPa要求,而伸长率均值则略低于I级指标4%要求,从性能分散程度来看,偏析缺陷对试样抗拉强度和伸长率影响较大,而对试样屈服强度影响较小,主要由于合金屈服是位错的增值和运动的结果,合金的屈服强度取决于位错在晶体中运动所受到的阻力,因此,无缺陷试样和偏析试样的屈服强度均值表现相近。表2　力学性能统计结果Table2　StatisticalanalysisofthemechanicalpropertiesItemσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%MinimumSegregationdefect3203101.0Defect-free4203206.0MaximumSegregationdefect46539511.5Defect-free47039013.5AverageSegregationdefect391.3343.53.7Defect-free443.2346.88.5StandarddeviationSegregationdefect33.124.62.1Defect-free15.722.42.32　　材料工程/2010年9期　图2　试样力学性能正态分布图(a)抗拉强度;(b)屈服强度;(c)伸长率Fig.2　Normaldistributiongraphsofmechanicalpropertiesofthesamples(a)tensilestrength;(b)yieldstrength;(c)elongation2.2　断口分析图3～6分别为无缺陷试样、I级偏析试样、II级偏析试样和III级偏析试样的断口宏观与微观的二次电子像(SEI),及其相应试样断口的宏观与微观背散射电子像(BEI)。由宏观照片可观察到,无缺陷试样断口存在极少的白亮色相,随着偏析级别的提高,试样断口的白亮色相所占断口的面积增大,即偏析相增多,I级偏析缺陷面积占断口面积10%～20%左右,II级偏析占断口面积20%～30%左右,III级偏析占断口面积30%以上。结合断口微观照片,无缺陷试样和偏析试样断口由一些细小密集的窝坑构成,该窝坑即为韧窝,但同时可观察到,部分断面上有冰糖状堆积形貌,为多面晶体形貌,该部分呈现沿晶断裂,表现为脆性断裂,但总体而言,无缺陷试样断裂主要表现为韧性断裂。除此之外,无缺陷试样断面处未发现大面积白亮色相,而偏析试样的断口有白亮色相呈网络状并连成片地均布在晶界上,随着偏析级别的提高,在晶界处白亮色相也逐渐增多,结合试样力学性能测试结果,试样断口的白亮色相,即偏析相对试样伸长率的影响尤为突出。图3　无缺陷试样断口宏观和微观形貌(a),(c)SEI;(b),(d)BEIFig.3　Macrostructureandmicrostructureofthefracturesurfaceofthedefect-freesamples　(a),(c)SEI;(b),(d)BEI3　ZL205A铝合金铸件偏析缺陷的断口形貌和化学成分2.3　能谱分析无缺陷试样和偏析试样断口能谱分析结果见图7和表3所示。可以看出,白亮色相点A主要为Al,Mn,Cu元素,其中Cu含量较高,可达52.22%,Cu原子数与Al原子数之比近似为1∶2。无缺陷试样断口点C的主要成分为Al,Mn,Fe和Cu,其中Cu含量为4.94%,符合ZL205A合金Cu含量标准要求[7]。由此可见,白亮色相属高Cu组织。4　　材料工程/2010年9期　表3　偏析试样和无缺陷试样的化学成分Table3　Chemicalcompositionsofsegregationsamplesanddefect-freesamplesElementCompoundACompoundCMassfraction/%Atomfraction/%Massfraction/%Atomfraction/%Al47.4467.9893.6697.11Mn0.340.241.100.56Cu52.2231.784.942.18Fe——0.300.15　　由于在Al-Cu系合金中,Cu是基本强化元素,与Al形成Al2Cu相;在固溶处理时溶入α基体,起固溶强化作用,在人工时效过程中则析出,起弥散强化作用。而ZL205A属铝-铜-锰系高强度铸造铝合金,该合金的凝固结晶间隔较宽,属固溶强化型合金,在铸造生产过程中,冷却速率的不一致性导致合金液未能实现顺利凝固,在铸件型腔中的局部部位,由于冷却过冷度较大,共晶点偏左下移,使合金成分变为亚共晶型,在结晶过程后期则析出共晶相。在正常情况下,这种共晶相铸态时分布在晶界上,在热处理固溶阶段时,可以被固溶体固溶。而局部区域成分不均Cu含量较多,α固溶体处于过饱和状态、Al2Cu相无法被固溶而5　ZL205A铝合金铸件偏析缺陷的断口形貌和化学成分存在晶界,少量的晶界共晶相对性能影响不大,也是不可避免的。其二,合金在冷却结晶过程中由于结晶间隔较宽,属粥状凝固,凝固过程中先形成枝晶网络骨架,其中网络骨架的孔隙部位,被后期剩余低溶点的共晶液填充,分布不均,冷却后的共晶组织属共晶偏析,由于该共晶组织Cu含量较高属高密度共晶相,因此在X射线底片和背散色照片中显现出白亮色,该白亮色点即为Al2Cu低熔点共晶相。同时,由于Al2Cu属脆性相,随着亮点程度的加深即偏析程度的加深,合金力学性能减弱,尤其是伸长率下降最为明显。由此可见,偏析试样断裂属沿晶脆性断裂[8]。2.4　偏析所占断口面积比例利用AUTOCAD软件,采用网格法计算偏析缺陷所占断口面积比例的百分数,见图8,并根据散点图作出趋势线,以分析缺陷面积百分数与性能间的关系,见图9。图8　网格法计算偏析面积Fig.8　Thesegregationareacountedbygridding图9　抗拉强度与A(a)和伸长率(b)的关系Fig.9　TherelationoftensilestrengthwithA(a)andelongation(b)　　可以看出,抗拉强度与偏析缺陷所占断口面积比例的百分数A存在一定的线性关系,而抗拉强度与伸长率近似存在一定的对数关系,具体趋势线方程如下:P=-3A+428(1)P=40ln(L)+340(2)式中:P表示抗拉强度σb;L表示伸长率δ5;A=SPSD×100(SP:偏析面积;SD:断口面积)。由上述分析可知,偏析缺陷对试样的伸长率影响较大,因此,对I类铸件而言,其伸长率需满足L≥4%,既而由方程式(2)可得到试样抗拉强度P需满足如下要求:P=40ln(L)+340≥40ln(4)+340=395MPa(3)　　据此,由方程式(1)则可推出偏析面积所占断口面积比例百分数A需满足如下要求:P=-3A+428≥395A≤11(4)　　由此可知,当偏析缺陷占断口面积比例小于11%时,试样满足I类指标本体切取性能要求。3　结论(1)与无缺陷试样比较,偏析缺陷对试样抗拉强度和伸长率影响较大,对试样屈服强度影响较小,且偏析缺陷试样伸长率均值为3.7%,略低于I级指标4%要求;而抗拉强度和屈服强度均值分别为391.3MPa和343.5MPa,均高于I级指标360MPa和280MPa要求。(2)无缺陷试样断裂为韧性断裂,偏析缺陷试样断裂为沿晶脆性断裂;偏析相为白亮色呈网络状并连成片均布在晶界上,其主要成分为Al2Cu低熔点共晶相。(3)偏析缺陷试样抗拉强度σb值与其所占断口面积的比例呈一定线性关系,且当偏析缺陷占断口面积比例小于11%时,试样满足I类指标本体切取性能要求。(下转第24页)6　　材料工程/2010年9期　措施,制备出氧含量较低的预合金粉末。图6　M和NA合金不同球磨气氛下的过量氧含量Fig.6　ExcessoxygencontentinMandNApowdersmechanicallyalloyedatdifferentatmosphere3　结论(1)使用雾化合金粉作为初始原料,球磨后合金元素的分布非常均匀,只有单一相,而以纯金属作原料,球磨后合金粉末中存在明显的长条状的Cr(深灰色相)和颗粒状的W(白色相)。(2)采用不同的初始原料,合金化粉末中的过量氧含量有很大差异。球磨前后,雾化合金粉末中的过量氧含量均远远低于纯金属合金粉末。(3)球磨过程中使用高纯Ar作为保护气氛,能够有效降低球磨后合金粉末中引入的氧,但颗粒及晶粒平均粒径明显大于真空条件,这表明通入Ar气会在一定程度上降低球磨效率。参考文献[1]　KAITOT,UKAIS,OHTSUKAS,etal.DevelopmentofODSFerriticSteelCladdingfortheAdvancedFastReactorFuels[C].Tsukuba:ProceedingsofGLOBAL2005,2005.196.[2]　MUKHOPADHYAYDK,FROESFH,GELLESDS.Devel-opmentofoxidedispersionstrengthenedferriticsteelsforfusion[J].JournalofNuclearMaterials,1998,258-263(Part2):1209-1215.[3]　CHOHS,KIMURAA,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