鋁合金的金相分析

代可香（中國鋁業(yè)連城分公司（甘肅蘭州）730335）

鋁合金在生產(chǎn)過程中需要對(duì)其化學(xué)成分、尺寸精度、機(jī)械性能等進(jìn)行檢驗(yàn)分析，尤其對(duì)鋁合金的金相分析對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，采取有效措施控制不合格產(chǎn)品出現(xiàn)的概率， 以及在研究新型鋁合金材料等方面具有重要意義，下面以硬鋁合金為例進(jìn)行闡述。

硬鋁合金即鋁銅鎂系合金具有耐熱性能強(qiáng)、 強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)因此被廣泛應(yīng)用于建筑、造船等行業(yè)。 硬鋁合金中較為常見的有Ly11、Ly12 兩類，下面以Ly12 為重點(diǎn)對(duì)其金相分析進(jìn)行探討。

一、鋁合金金相檢驗(yàn)

1、強(qiáng)化效果

硬鋁合金組成成分和其機(jī)械性能有著密切的關(guān)系， 本質(zhì)上分析主要由合金的強(qiáng)化相決定，硬鋁合金的強(qiáng)化相受合金中鎂、銅比值的影響， 這兩種元素的比值不同不但影響鋁合金的強(qiáng)化相，而且還影響鋁合金的強(qiáng)化效果。 當(dāng)鋁合金中鎂元素的含量較少時(shí)，其形成的強(qiáng)化相以θ（CuAl2）為主，當(dāng)鎂元素的含量增加時(shí)θ 相則相應(yīng)的減少，從而形成具有一定耐熱性，強(qiáng)化效果更大的S（Al2CuMg）相。 如果Mg 的含量繼續(xù)增加則會(huì)形成β（Al3Mg2）和T（Al6CuMg4）相，其強(qiáng)化效果較差。 在鎂和銅比值一定的條件下，鋁合金中鎂、銅元素含量越高，強(qiáng)化相數(shù)量就越多，形成的強(qiáng)化效果就越大。

2、顯微組織

研究分析鋁合金組織使用的侵蝕劑是氫氟酸。 使其對(duì)Ly12進(jìn)行固溶化處理，然后加自然和人工時(shí)效后，正常的顯微組織應(yīng)在α 固溶液基體上均勻分布為S 相和θ 相。

在合金非平衡冷卻時(shí)會(huì)給合金的偏析帶來一定的影響，尤其對(duì)合金心部的影響較為嚴(yán)重導(dǎo)致其嚴(yán)重偏析， 在α 晶界位置出現(xiàn)一些（α+θ）、（α+S）二元共晶，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)（α+S+θ）三元共晶。 這種情況的產(chǎn)生并非僅僅有合金的非平衡冷卻產(chǎn)生，淬火冷卻速度會(huì)給合金造成相同的影響。 如果淬火冷卻的速度較低，合金的強(qiáng)化相就會(huì)大量析出并分布在晶界邊沿位置， 這種情況會(huì)使合金的強(qiáng)化效果大大降低，增大晶間腐蝕可能性。 從中能夠得出這樣的結(jié)論：如果合金的強(qiáng)化相出現(xiàn)在晶界位置處，就會(huì)導(dǎo)致合金的抗腐蝕性能降低，硬合金的強(qiáng)度也會(huì)因此受到影響。

如果想利用時(shí)效和淬火增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度， 并不需要特意對(duì)其進(jìn)行均勻退火處理， 因?yàn)楹辖鸫慊鸺訜徇^程中其成分就會(huì)分布均勻。 如果將鋁合金的試樣直接放在在溫度為497±3.5℃的條件下加熱20min， 對(duì)其進(jìn)行水淬固溶化處理， 或者先將其在490℃溫度條件下加熱120min 均勻化退火然后再進(jìn)行固溶化操作。 經(jīng)觀察分析可知這些操作處理并未使鋁合金強(qiáng)化相的分布狀態(tài)發(fā)生改變。

根據(jù)以上的結(jié)果分析， 鋁合金的強(qiáng)度沒有得到顯著提升主要以下幾點(diǎn)原因造成：首先，對(duì)其進(jìn)行均勻化退火處理時(shí)，其保溫時(shí)間不夠充足；其次，鋁合金的組織粒粗大，從而會(huì)給其成分的擴(kuò)散帶來一定的影響。 經(jīng)試驗(yàn)證明要想細(xì)化鋁合金的晶粒，則需對(duì)其進(jìn)行冷變形加工處理， 這樣以來還能促進(jìn)鋁合金成分分布均勻。

3、強(qiáng)化相的鑒別

為了鑒別鋁合金的強(qiáng)化相，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行染色處理。 資料顯示能夠使用磷酸水溶液對(duì)鋁合金的θ 相和S 相進(jìn)行染色，主要因?yàn)殇X合金的θ 相不變色而S 相則會(huì)表現(xiàn)為暗棕色。 如果使用氫氟酸侵蝕劑對(duì)鋁合金的強(qiáng)化相進(jìn)行染色， 能夠通過灰度的不同對(duì)鋁合金的強(qiáng)化相進(jìn)行辨別。

4、過燒組織

硬鋁合金熱處理特性決定了強(qiáng)化相的充分固溶溫度和 （α+S+θ）三元共晶溫度之間的空隙較窄。 如果將Ly12 合金的θ 相和S 相完全溶入，則α 固溶體的溫度和三相共晶（α+S+θ）的熔點(diǎn)非常相近，所以說對(duì)硬鋁合金進(jìn)行淬火加熱過燒的敏感性非常大。據(jù)相關(guān)資料介紹，如果鋁合金拋光狀態(tài)下，未使用試劑對(duì)其進(jìn)行侵蝕操作， 當(dāng)有球狀共晶相出現(xiàn)時(shí)則說明已達(dá)到輕微過燒或已經(jīng)過熱。 如果出現(xiàn)了較為清晰的晶界，尤其在三個(gè)晶界交匯位置粗化且出現(xiàn)了呈現(xiàn)黑色的三角相，則說明其已經(jīng)融化，達(dá)到了過燒的程度。

硬鋁合金淬火加熱操作時(shí)“過熱”主要指其在固相區(qū)保持較長時(shí)間的保溫狀態(tài)，導(dǎo)致鋁合金的晶粒變大。 “過燒”指加熱的溫度已使其進(jìn)入固、液兩相區(qū)，此時(shí)的晶界慢慢開始熔化。 例如，在510℃左右溫度條件下保持20min 的水冷處理后的組織， 不但出現(xiàn)了共晶復(fù)熔球， 而且三角晶區(qū)和晶界變粗都逐漸出現(xiàn)。 在540℃左右溫度條件下保持20min，水冷處理后的組織，這時(shí)的晶界變得更粗， 而且三角晶區(qū)更為清晰， 該狀態(tài)下仍有共晶復(fù)熔球。

因此從這個(gè)層面上分析， 在實(shí)際的鋁合金金相檢驗(yàn)中遇到硬鋁合金過熱組織出現(xiàn)的可能性非常小， 即較為粗大的α 相晶粒出現(xiàn)，不過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并不將其作為是否過熱的判斷依據(jù)，除非在接近溫度或在α 相區(qū)條件下保持很長一段時(shí)間的保溫， 不過這種情況在實(shí)際的生產(chǎn)過程中根本不會(huì)出現(xiàn)。 當(dāng)出現(xiàn)“共晶”復(fù)熔球就足以說明淬火加熱的溫度已經(jīng)使其達(dá)到了固、液的狀態(tài)，真正達(dá)到了過熱的程度。

二、鋁合金金相研究處理方法

鋁合金的金相分析過程中， 通常將驗(yàn)證金屬組織定性分析和組織成分含量的半定量分析作為重點(diǎn)，但是隨著科技的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)， 對(duì)鋁合金進(jìn)行金相分析受到人們的廣泛關(guān)注。

圖像預(yù)處理技術(shù)主要包括圖像分割和圖像濾波兩部分組成，其中濾波的主要目的在于去除檢驗(yàn)的干擾因素，主要因?yàn)殇X合金的金相圖像會(huì)受到光照的不均勻等其他因素的影響， 所以對(duì)金相圖像進(jìn)行濾波處理后， 就能使目標(biāo)圖像和背景圖像形成強(qiáng)烈的對(duì)比，從而使金相圖像質(zhì)量大大提高。 圖像分割的主要目的是分割目標(biāo)圖像和背景以及相互連接的圖像之間進(jìn)行分離?，F(xiàn)在對(duì)鋁合金金相分析時(shí)使用最大類間方差優(yōu)化算法對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，使用高斯濾波優(yōu)化算法對(duì)金相圖像進(jìn)行去噪處理。

三、總結(jié)

從材料學(xué)的角度考慮，對(duì)鋁合金的金相進(jìn)行分析，能夠?qū)︿X合金的性能做出合理的預(yù)測(cè)，并能評(píng)估鋁合金的組織狀態(tài)，從而準(zhǔn)確把握和控制鋁合金進(jìn)行熱處理操作過程， 以此充分發(fā)揮鋁合金的最佳性能。

[1] 谷莉. 硬鋁合金金相檢驗(yàn)中常見的幾個(gè)問題[J]. 甘肅高師學(xué)報(bào). 2005(02)

[2] 王永海. 變形鋁合金顯微組織的金相與電鏡觀察[A]. 工業(yè)鋁型材技術(shù)專集[C]. 2006