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物理冶金檢測技術圖書
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物理冶金檢測技術

金屬材料分析檢驗實用技術指南
  • 所屬分類:圖書 >工業技術>冶金工業  
  • 作者:[劉昌奎] 主編
  • 產品參數:
  • 叢書名:--
  • 國際刊號:9787122236173
  • 出版社:化學工業出版社
  • 出版時間:2015-06
  • 印刷時間:2015-06-01
  • 版次:1
  • 開本:16開
  • 頁數:--
  • 紙張:--
  • 包裝:平裝
  • 套裝:

內容簡介

本書分為基礎篇和實踐篇。基礎篇注重基礎理論知識的傳授,包括了金相實驗室基本要求、物理冶金分析技術、鑄造組織與變形組織分析、金屬的熱處理等。實踐篇注重實操技能的培訓,根據航空物理冶金檢測需求,對鋼、高溫合金、鋁合金、鈦合金、銅合金、焊接接頭、特種工藝條件下的組織特點、缺陷類別與控制、金相檢測技術做了詳細的講解。為拓展物理冶金人員視野,還特別介紹了金屬斷口與失效分析、非金屬材料分析技術。

本書內容詳實、深入淺出,可作為航空物理冶金人員培訓教材,也可作為材料與工藝研究人員、失效分析人員、檢測人員的參考書,同時也適合航天、兵器、船舶等國防科技領域及高鐵、汽車等領域物理冶金人員的培訓教材與參考書籍。

編輯推薦

物理冶金檢測技術綜述了金屬材料物理冶金檢測的方方面面,既注重基礎知識的介紹,又注意技術的應用與實操,針對實操過程中的注意事項,可能遇到的各種情況,如何判斷,如何避免問題的出現,書中都有詳細地講解。

作者簡介

劉昌奎,北京航空材料研究院,高工,副主任,目前是中航工業失效分析中心副主任,中航工業物理冶金人員資格鑒定委員會主任,航空學會物理檢測專業委員會主任。負責航空基金、國防技術基礎、APTD等方向課題10多項。主要從事材料微觀物理和失效分析方面的研究,負責和參與多項高溫合金、鈦合金微觀組織與性能關系、組織評價表征等方面的研究工作。負責中航工業物理冶金人員培訓組織和教學工作,主要授課方向包括鈦合金、鋁合金和銅合金。獲部級科技成果2項,發明專利1項。

目錄

基礎篇

第1章 金相實驗室與物理冶金檢測概述

1.1 金相實驗室的通用要求

1.1.1 國內相關標準對金相實驗室的要求

1.1.2 ASTM E807對金相實驗室的要求

1.1.3 SAE AS7101對金相實驗室的要求

1.2 金相檢驗通用標準

1.3 合金相及合金組織

1.3.1 合金相

1.3.2 二元合金相圖及組織

1.3.3 鐵碳合金相圖的特點

1.3.4 碳和雜質元素對碳鋼顯微組織和性能的影響

第2章 物理冶金分析技術

2.1 光學金相分析

2.1.1 光學金相試樣制備

2.1.2 光學金相顯微組織顯示

2.1.3 光學金相顯微組織分析

2.2 電子光學分析

2.2.1 掃描電子顯微術

2.2.2 透射電子顯微術

2.2.3 掃描透射電子顯微術

2.3 顯微硬度測定技術

2.3.1 硬度的基本概念

2.3.2 顯微硬度試驗方法

2.3.3 顯微硬度在金相研究中的應用

2.3.4 顯微硬度測試技術的新進展

2.4 其他分析技術

2.4.1 晶體結構測定

2.4.2 微區成分分析

2.4.3 殘余應力測定

第3章 鑄造組織分析

3.1 金屬結晶的基本規律

3.1.1 金屬結晶的一般過程

3.1.2 金屬結晶的能量條件

3.1.3 金屬結晶的結構條件

3.1.4 晶核的形成

3.1.5 晶體的長大

3.1.6 結晶速率

3.2 鑄造組織形成與鑄造缺陷

3.2.1 枝晶

3.2.2 晶粒組織

3.2.3 偏析

3.3 受控凝固組織

3.3.1 細晶鑄件

3.3.2 定向凝固鑄件

3.3.3 單晶鑄件

3.3.4 急冷鑄件

第4章 變形組織分析

4.1 金屬的塑性變形

4.1.1 單晶體的塑性變形

4.1.2 多晶體的塑性變形

4.1.3 合金的塑性變形

4.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響

4.2.1 性能的變化

4.2.2 顯微組織的變化

4.2.3 殘余應力的變化

4.3 回復與再結晶

4.3.1 回復

4.3.2 再結晶

4.3.3 晶粒長大

4.3.4 影響再結晶后晶粒大小的因素

4.4 金屬的熱加工組織

4.4.1 動態回復與動態再結晶

4.4.2 熱加工組織控制

4.5 冷熱加工常見缺陷

4.5.1 白點

4.5.2 晶粒粗細不均導致冷變形開裂

4.5.3 過熱與過燒

4.5.4 折疊

4.5.5 銅脆

4.5.6 鍛裂

……

第5章 金屬的熱處理

實踐篇

第6章 鋼的組織與檢測

第7章 高溫合金的組織與檢測

第8章 鋁合金的組織與檢測

第9章 鈦合金的組織與檢測

第10章 銅合金的組織與檢測

第11章 焊接接頭的組織與檢測

第12章 特種工藝組織及其檢測

第13章 金屬斷口與失效分析

第14章 非金屬材料分析技術

參考文獻

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8.3 鋁合金的金相檢測

8.3.1低倍組織

鋁合金常用的檢驗方法有:GB10851-鑄造鋁合金針孔;GB/T3246.2-變形鋁及鋁合金制品低倍組織檢驗方法;JB/7946-鑄造鋁硅合金金相等。在檢驗標準中詳細規定了鋁合金低倍組織檢驗時的試樣制備、試樣浸蝕、組織檢驗、缺陷分類及典型形貌等。同時還包括斷口檢驗方法和晶粒度檢驗方法。應注意的是,鋁合金低倍晶粒度的級別表示與高倍晶粒度級別表示正好相反,級別越大,表示晶粒越粗。

(1)常用鋁合金低倍腐蝕劑及配方

①80g/L~120g/LNaOH水溶液——適用于所有鋁合金;

②HCl+HNO3+HF+H2O=5ml+5ml+10ml+380ml——適用于退火態硬合金晶粒度顯示;

③HCl+HNO3+HF=75ml+25ml+5ml——適用于純鋁、防銹鋁等軟合金晶粒度顯示。

腐蝕后通常應用30% HNO3水溶液清洗以去除表層黑膜后進行觀察。

(2)鑄鋁合金低倍缺陷及特征

① 針孔:在熔煉過程中高溫液態金屬溶入的部分氫氣在鑄造凝固時未逸出,而在金屬內部析出形成細小孔洞。

特征:形狀呈圓形或橢圓形針孔,有時也呈網狀分布的針孔,輪廓清晰,內壁光滑,互不連通。

② 疏松:在合金液體冷卻凝固的結晶過程中形成的缺陷。

特征:一般產生在晶粒粗大,組織不致密部位,分布不均勻,形狀不規則,高倍下沿晶界呈點狀或半網狀空洞分布。

③ 縮孔:金屬凝固過程中收縮未得到充分補縮,在鑄件凝固部位形成的缺陷。

特征:缺陷呈管狀或枝叉狀孔洞,形狀不規則,位于凝固熱節部位。

④ 裂紋(分為熱裂紋和冷裂紋):

(a)熱裂紋:合金在凝固范圍內結晶和收縮過程中形成的裂紋。

特征:多發生在鑄件尖角處和厚薄斷面交接處,斷裂面無金屬光澤,呈褐色或暗黑色的氧化色。高倍下裂紋沿晶界和枝晶網狀發展。

(b)冷裂紋:合金在凝固后形成的裂紋。

特征:一般較細小,斷口表面清潔或有輕微氧化色,高倍下呈穿晶穿過枝晶網的混合形。

⑤ 夾雜(夾渣):由于高溫液體金屬表面氧化膜遭到破裂形成碎片,可造成材料等不易上浮入渣和熔劑夾渣而形成的缺陷。

特征:有氧化夾雜的合金斷口呈暗黑色,灰色或金黃色斑狀,有熔劑夾雜的斷口缺陷處有腐蝕現象。

(3) 常見的變形鋁合金低倍缺陷及特征

①粗晶環:由于金屬在擠壓過程中擠壓強烈變形區處于再結晶不完善狀態,當淬火或退火加熱和保溫過程產生的少量再結晶核心吞并已再結晶的小晶粒并迅速長大,形成表層粗晶和內層細晶的兩個組織區域。檢查粗晶環的低倍試樣應經淬火處理。

粗晶環深度的測量,一般取其較大深度,對于制品斷面形狀復雜的粗晶環,則在環區一側取長、寬方向的正方形,其邊長即為粗晶環的深度。

特征:兩種晶粒區域界面清晰,晶粒尺寸差別較大,擠壓方式不同,粗晶區分布形態不同,單孔擠壓呈圓環狀,多孔擠壓呈月牙狀。典型形貌見圖8-3-1~8-3-3。

②非金屬夾雜(可分為外來夾雜和氧化膜夾雜),典型形貌見圖8-3-4、8-3-5

(a)外來夾雜:由混入鑄錠的熔渣或落入鑄錠的非金屬物質形成的缺陷。

特征:呈褐色或凹陷黑色點狀和不規則狀存在,分布無規律。

(b) 氧化膜夾雜:由于再熔煉和澆注過程中金屬液發生湍流、翻滾、飛濺等引起金屬氧化及黏附在工具上的氧化膜卷入鑄錠形成的缺陷。

特征:經堿液浸蝕后氧化膜呈短線狀的黑色裂縫,一般長度小于10mm,寬約0.1~0.2mm左右,易造成擠壓件和模鍛件發生局部分層。

③縮尾:由于擠壓過程中速率、方式、潤滑條件、模孔排列等因素使變形件內、外層金屬流動不均勻,中心層金屬流動速率大于周邊層金屬流動速率形成的裂紋狀缺陷。典型形貌見圖8-3-6~8-3-11。

特征:缺陷分布在擠壓尾端中心部位,呈漏斗狀或折皺狀的為一次縮尾,呈同心圓或月牙狀裂縫為二次縮尾。在變形區可見小裂縫或連續點狀缺陷。

但那種與二次縮尾相似呈年輪狀金屬流動痕跡,金屬基體的連續性未受到破壞,稱為環狀條紋。縮尾不允許存在,環狀條紋允許存在。

④成層:由于坯料切尾不夠,或因鑄錠內存在夾渣、氣泡等缺陷,在加工時造成的一種開裂形缺陷。典型形貌見圖8-3-12、8-3-13

特征:常產生在橫向尾端試片邊緣或夾角處,呈圓弧狀或線狀裂紋。從尾端至前端深度逐漸減少,存在分層的試片表面一般伴隨有明顯的起皮、起泡現象。

⑤板材分層:分為張開型和夾雜型兩種。典型形貌見圖8-3-14。

特征:在橫向低倍試片中心線上呈直線或線段狀的開裂或分布部位不定的暗黑色點狀或短條狀開裂。

⑥壓折:由于鍛造時坯料尺寸及放置位置選擇不當,鍛造速率過快,以及模槽內斜度和圓角半徑過小等原因產生的缺陷。典型形貌見圖8-3-15。

特征:裂紋由外向里斜向延伸,裂縫較粗,尾端比較圓鈍,有時呈雞爪形,常出現在肋條與腹板之間的過渡圓弧位置,并有局部金屬流紋不順現象。斷口可見明顯氧化色。

⑦紋不順:由于模具設計及工藝選擇不當,鍛造時金屬流動受阻形成的缺陷。又分為渦流和穿流。穿流通常是不允許缺陷。典型形貌見圖8-3-16。

特征:流線未沿基體鍛件外形分布,形成旋渦狀或沿分模面穿筋流動,形態較明顯。

⑧鍛造裂紋:主要由于鍛造工藝選擇不當而造成的鍛造過程中產生的裂紋。存在于分模面的裂紋稱為切邊裂紋。

⑨淬火裂紋:經淬火處理的加工制品低倍試片上,沿晶界開裂的網狀裂紋。多位于邊部粗晶區,嚴重者則能擴展到細晶區。典型形貌見圖8-3-19、8-3-20。

特征:高倍觀察呈沿晶擴展。

8.3.2高倍組織

高倍組織檢測是相對低倍組織檢驗而言,通常指在放大倍數大于50倍情況下,依靠特殊設備(金相顯微鏡,掃描電鏡等)觀察分析材料的組織特性的一種檢驗方法。

對鋁合金常用的顯微組織檢測方法GB/T3246.1《變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗方法》;GB10850《鑄造鋁硅合金過燒》;JB/7946《鑄造鋁硅合金金相》。在檢驗方法中,對鋁合金顯微組織檢測的試樣制備、試樣浸蝕、組織形貌、晶粒度測定等作了詳細規定。

8.3.2.1 常用鋁合金高倍組織腐蝕劑及配方

①HCl+HNO3+HF+H2O=3ml+5ml+2ml+190ml——適用于鋁及鋁合金的一般組織(過燒、高溫氧化、晶粒度),也稱為Keller,s腐蝕劑;

②HCl+HNO3+HF+H2O=5ml+5ml+10ml+380ml——適用于顯示包鋁及銅擴散;

③HF+ H2O=0.5 ml+100 ml——適用于鋁及鋁合金的一般組織。

8.3.2.2 鑄造鋁合金的高倍組織檢測

鑄造鋁合金的高倍組織檢測除了相分析外,日常檢測主要包括:變質評定、熱處理過燒、晶粒度評級等。典型形貌見圖8-3-21

8.3.2.3 變形鋁合金的高倍組織檢測

對變形鋁合金,通常檢測的項目有:

(1)過燒:鋁的熔點較低(658℃),其合金及低熔點共晶體等更低。當鋁合金淬火時,為了使合金元素及第二相充分固溶,加熱溫度多是在低熔點或共晶體熔點以下5-20℃。當淬火加熱溫度過高,保溫時間過長,可能使金屬溫度達到或超過合金中低熔點共晶體的熔點或固相線,使共晶或固溶體晶界產生復熔的現象叫過燒。

在目前的材料技術標準以及鋁合金熱處理工藝控制中,對經熱處理強化的鋁合金都要進行過燒檢查,是鋁合金淬火后必須進行的工序。

特征:在宏觀上過燒零件表面會呈現不規則排列的起泡、結疤現象,且失去金屬光澤呈暗灰色;顯微試樣經腐蝕后,在顯微鏡下用200~500倍觀察,出現以下三種特征之一均可判為過燒: ①熔共晶球;②界局部復熔加寬;③在三個晶粒交界處出現復熔三角形。復熔共晶球在高倍下可看到內部的復雜結構。

過燒會使材料機械性能惡化,尤其強度及延伸率、疲勞性能會大大降低。典型形貌見圖8-3-22~8-3-29(下圖中除圖8-3-25均采用Keller,s腐蝕劑)。

(2)高溫氧化(HTO):鋁合金在固溶處理期間,爐腔內空氣濕度大或過長的保溫時間在鋁合金表面形成氫孔或多孔組織叫高溫氧化。有資料介紹固溶期間氫進入鋁合金表面是產生表面氣泡和皮下氣孔的直接原因。

特征:在宏觀上零件表面會起泡或在200~500倍顯微試樣上的靠近表面內層觀察到沿晶界分布的氣孔。

高溫氧化由于檢查試樣原始表面,試樣應經鑲嵌后檢查。

(3)銅擴散:指Al-Cu-Mg包鋁板材,經高溫長時間加熱處理或多次退火、淬火后,使合金中的銅原子沿晶界擴散到包鋁層的現象。試樣應經鑲嵌。

特征:試樣腐蝕后可觀察到基體晶界向包鋁層擴散,嚴重時可看到銅擴散穿透包鋁層。

嚴重的銅擴散會導致合金的抗腐蝕能力大大降低。典型形貌見圖8-3-30。

(4)晶間腐蝕:淬火溫度過低或過長的淬火轉移時間會使CuAl2沿晶界析出而在腐蝕介質作用下產生晶界腐蝕現象,通常用來評估鋁合金在熱處理過程中的淬火程度。晶間腐蝕會降低機械性能。對含銅量大于4%的鋁合金,在人工時效狀態下對晶界腐蝕很敏感。

通常晶間腐蝕的評定標準可參考ASTM G110 《浸入氯化鈉+過氧化氫溶液中可熱處理鋁合金耐晶間腐蝕評定標準試驗方法》、MIL-H-6088《鋁合金熱處理》、GB7998《鋁合金晶間腐蝕測定方法》等。其大致過程如下(不適用于不能熱處理強化的鋁合金,如防銹鋁):

對晶間腐蝕試樣,其表面所有外來物必須清除,包括涂層,包鋁層等。尤其對包鋁層,可用化學去除法:在室溫下浸入10%氫氧化鈉溶液中腐蝕5~15min,然后浸入30%左右的硝酸中去除黑膜直至表面光潔,用水洗凈備用。(如果包鋁層未除盡,試樣應作廢)。

浸入試驗前將去除包鋁層等的試樣浸入腐蝕清洗液中(70%的硝酸50ml+48%的氫氟酸 5ml+蒸餾水或去離子水945 ml)1min以產生均勻的表面狀態,用蒸餾水或去離子水清洗后在室溫下浸入70%的硝酸中1分鐘,然后用蒸餾水或去離子水清洗,空氣中干燥。

將準備好的試樣浸入溫度為30±3℃(標準不同溫度約有差異)的溶液中(57g氯化鈉+30%的過氧化氫10 ml+蒸餾水或去離子水至1l)6h。試樣表面積與試驗溶液體積間的比值要小于20mm2/ml。

將浸入腐蝕6h后的試樣清洗并干燥,取樣、鑲嵌、拋光后(通常橫截面至少大約20mm長)在顯微鏡下放大100~500倍觀察,如不能判定是否有晶間腐蝕產生時,可將試片在Keller,s腐蝕劑中腐蝕6-20s后吹干再觀察顯微晶粒結構。

特征:在100~500倍下先直接在拋光狀態下觀察晶界,或浸蝕后沿表面層出現局部晶界加粗現象。典型形貌見圖8-3-31。 ……

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