铝合金金相分析-测博士

一、分析目的

1. 材料性能评估

• 观察晶粒大小、形状及分布，判断材料的强度、塑性和韧性。

• 分析第二相（如强化相、杂质相）的种类、尺寸、分布，评估其对材料性能的影响（如时效强化效果）。

2. 加工工艺优化

• 检测铸造、锻造、挤压、轧制等加工过程中产生的组织缺陷（如偏析、疏松、裂纹）。

• 分析热处理（退火、固溶、时效）后的组织变化，优化工艺参数。

3. 质量控制与失效分析

• 判定材料是否符合标准（如晶粒粗大、过烧等不合格组织）。

• 追溯零件失效原因（如腐蚀、疲劳断裂与组织缺陷的关系）。

二、试样制备方法

金相分析的准确性高度依赖试样制备质量，流程通常包括：

1. 取样

• 选取具有代表性的区域（如缺陷部位、表面 / 心部对比），切割时避免过热或塑性变形（可采用水冷切割）。

2. 镶嵌

• 小尺寸或不规则试样需用树脂（如酚醛树脂、丙烯酸树脂）镶嵌，便于后续磨抛。

3. 磨制

• 粗磨：用砂纸（如 80#~600#）去除切割痕迹，使表面平整。

• 细磨：使用 1000#~2000# 砂纸进一步细化表面，消除粗磨划痕。

4. 抛光

• 机械抛光：用抛光布 + 抛光液（如 Al₂O₃、SiO₂悬浮液）去除细磨痕迹，获得镜面效果。

• 电解抛光：适用于易产生变形层的铝合金，通过电化学腐蚀实现无损伤抛光。

5. 腐蚀

• 纯铝及铝 - 镁合金：1% HF 溶液或混合酸（如 Keller 试剂：2.5% HNO₃ + 1.5% HCl + 1% HF + 95% H₂O）。

• 铝 - 铜、铝 - 硅合金：Keller 试剂或 0.5% HF 溶液。

• 使用侵蚀剂显示显微组织，不同合金系常用腐蚀剂不同：

• 腐蚀时间需严格控制，避免过度腐蚀导致组织失真。

三、典型显微组织特征

1. 铸造铝合金

• 组织组成：基体（α-Al 固溶体）+ 共晶组织（如 α-Al + Si 共晶）+ 第二相（如 Mg₂Si、Al₂Cu 等）。

• 正常组织：均匀分布的细小共晶相，无明显气孔、疏松或粗大枝晶。

• 常见缺陷：

• 气孔 / 疏松：凝固时气体未逸出或收缩导致的孔洞，呈圆形或不规则形。

• 枝晶偏析：合金元素分布不均，枝晶干与枝晶间颜色差异明显。

• 夹杂：外来杂质（如氧化物、砂粒），呈不规则颗粒状，与基体有明显边界。

2. 变形铝合金

• 冷加工态：晶粒沿变形方向拉长，形成纤维状组织，可能存在变形孪晶。

• 退火态：晶粒恢复等轴状，晶界清晰，第二相可能聚集长大。

• 时效态：析出细小弥散的强化相（如 Al-Cu 合金中的 θ''、θ' 相），需借助透射电镜（TEM）观察。

3. 铝合金晶粒度评估

• 通过标准评级图（如 ASTM E112）对比，晶粒大小影响材料强度（细晶强化）。

• 过烧组织特征：晶界局部熔化、出现三角晶界或复熔球状物，常见于热处理温度过高时。

四、常见缺陷分析

五、分析工具与技术

1. 光学显微镜（OM）

• 分辨率约 200 nm，可观察晶粒、晶界、粗大第二相及缺陷，适合常规金相检验。

2. 扫描电子显微镜（SEM）

• 分辨率达纳米级，可观察断口形貌、第二相细节及腐蚀特征，常搭配能谱仪（EDS）分析微区成分。

3. 透射电子显微镜（TEM）

• 分辨率达 0.2 nm，用于观察纳米级析出相（如时效强化相）、位错结构等，需制备薄膜试样。

4. 电子背散射衍射（EBSD）

• 分析晶粒取向、织构及晶界特征，定量评估材料各向异性。

六、应用场景

• 航空航天领域：分析铝合金结构件（如机翼、机身框架）的显微组织，确保高强度和耐疲劳性能。

• 汽车工业：评估轮毂、发动机零件的铸造质量，优化压铸工艺以减少缺陷。

• 电子制造：检测铝合金散热片的晶粒尺寸和表面质量，保证散热效率和加工精度。

• 科研与开发：研究新型铝合金（如铝锂合金、高熵合金）的组织 - 性能关系，推动材料创新。

七、标准与规范

铝合金金相分析需遵循国内外标准，例如：

• 中国：GB/T 3246.1-2012《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法》、GB/T 10851-2003《铸造铝硅合金过烧金相检验》。