AlSi7Mg合金共晶硅变质规律及其微观机制

摘要

亚共晶铝硅合金中共晶硅的变质处理是提高该类合金铸造性能和力学性能的主要手段，共晶硅变质主要受共晶硅的形核和长大过程影响，而对于铸造亚共晶铝硅合金，共晶硅的形核和长大过程又与合金的凝固过程悉悉相关。本文针对不同变质剂和冷却速度条件下AlSi7Mg合金共晶硅形貌的变化规律进行了研究，分析了变质剂及其含量与冷却速度的交互作用对共晶硅形貌的影响规律；采用热分析和液淬方法研究了AlSi7Mg合金共晶硅的变质过程，讨论了共晶硅变质的形核机制和长大机制。
　　对变质共晶硅形貌的研究结果表明，低冷速条件下未变质合金共晶硅为粗大的片层状，Sr变质共晶硅为典型的纤维状，Sb变质共晶硅为典型的细化片层状，并伴随着集束出现，稀土(Y和Yb)变质共晶硅都为细化的片层状，与Sb变质类似。低冷速条件下AlSi7Mg合金最佳的Sb、Sr、Y和Yb变质剂加入量分别为0.2wt.％、0.04wt.%、0.3wt.%和0.3wt.%。
　　AlSi7Mg合金在低的冷却速度条件下凝固，各种变质剂对共晶硅的变质效果显示，混合焓和原子半径比不是共晶硅变质的唯一依据，凝固过程的冷却速度和变质剂的化合物形成能力等因素对共晶硅的变质效果具有显著影响。同时，由于变质对初生α(Al)的形核影响较小和强烈抑制共晶硅形核，导致合金的凝固区间增大，增加变质后合金的晶粒尺寸，促进初生α(Al)枝晶向柱状晶转变，降低界面能使得二次枝晶间距减小。
　　研究了冷却速度和变质剂对共晶硅变质效果的影响，结果表明共晶硅的变质受冷却速度影响较大。即使对于未变质合金，大的冷却速度仍可以实现共晶硅由粗大的片层状向纤维状分枝结构转变，产生变质作用。Sb变质共晶硅的形貌转变受冷却速度的影响与未变质共晶硅类似，只是所需临界冷却速度相比未变质合金要小。Sr对共晶硅的变质受冷却速度影响较小，较低冷却速度凝固，Sr变质后共晶硅便可以变为纤维状，提高冷速后共晶硅向细化的穗状组织转变。稀土Y和Yb的变质效果受冷却速度影响较大，低冷却速度下凝固只对共晶硅产生细化作用，高冷却速度条件下共晶硅转变为典型的纤维状和穗状组织，显著提高共晶硅的变质效果，表明这两种变质剂的变质效果强烈依赖于合金凝固过程的冷却速度。并依据以上研究结果，建立了冷却速度和变质剂及其含量间的交互作用对共晶硅变质多工艺参数选择图。
　　变质前后的热分析和液淬结果表明，除Sb变质外，Sr、Y和Yb变质都显著降低共晶温度，但是共晶温度的下降与共晶硅的变质没有直接关系，稀土变质共晶硅形核和长大温度的下降对共晶硅形貌没有决定性作用。
　　变质剂本身或形成的AlSb相、Al2Si2Sr相、Al2Si2Y相和Al2Si2Yb相等都不能成为共晶硅的异质形核质点。变质去除或毒化共晶硅的异质形核质点，共晶硅在较大的过冷度下形核长大可以细化共晶硅，但是计算结果表明，抑制形核引起的共晶硅快速生长不足以促使共晶硅向纤维状转变，共晶硅形貌的转变主要发生在长大阶段，凝固过程是共晶硅变质效果的主要控制环节。
　　对未变质共晶硅和变质共晶硅长大过程研究表明，未变质共晶硅以固液界面的固有台阶机制生长，共晶硅上存在明显的生长层，提高冷速后共晶硅首先产生片层内的分枝，随冷速进一步提高片层共晶硅产生侧突生长，转变为高度分枝的纤维状结构。Sb变质共晶硅的生长方式与未变质合金共晶硅的生长方式类似，Sb变质细化共晶硅主要是AlSb相的形成阻碍了共晶硅的侧向生长。Sr变质合金共晶硅的长大方式发生明显变化，由固液界面的固有台阶机制转变为杂质诱发孪晶机制，Sr在固液界面的附着改变了Si原子的堆垛次序形成孪晶改变共晶硅生长方式。稀土(Y和Yb)变质合金共晶硅，低冷速时稀土元素容易形成化合物相，共晶硅主要以固液界面的固有台阶机制生长为细化的片层状，当冷速达到临界速度时，稀土变质共晶硅的长大方式由固液界面的固有台阶机制转变为杂质诱发孪晶机制。

目录

AlSi7Mg 合金共晶硅变质规律及其微观机制

MODIFICATION EVOLUTION OF EUTECTICSILICON IN AlSI7MG ALLOY ANDMICRO-MECHANISM

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 亚共晶铝硅合金及共晶组织

1.3 亚共晶铝硅合金共晶硅变质的研究现状

1.3.1 钠(Na)变质共晶硅

1.3.2 锶(Sr)变质共晶硅

1.3.3 锑(Sb)变质共晶硅

1.3.4 稀土变质共晶硅

1.3.5 复合变质共晶硅

1.3.6 快速冷却变质共晶硅

1.3.7 其他共晶硅变质方法

1.4 亚共晶铝硅合金变质机制研究现状

1.4.1 共晶硅变质的形核机制研究

1.4.2 共晶硅变质的长大机制研究

1.4.3 其他共晶硅变质机制

1.5 变质工艺条件对共晶硅变质效果的影响

1.6 变质对亚共晶铝硅合金力学性能的影响

1.6.1 共晶硅尺寸和形貌对力学性能的影响

1.6.2 变质对气孔和缩松形成的影响

1.6.3 变质对晶粒尺寸的影响以及与细化的交互作用

1.7 本文主要研究内容

第2 章 实验材料及研究方法

2.1 实验原材料

2.2 实验设备及材料制备

2.2.1 合金熔炼和制备

2.2.2 合金凝固过程中的温度采集

2.2.3 合金凝固过程的液淬实验

2.2.4 旋淬制备未变质铝硅合金薄带

2.2.5 热处理工艺参数

2.3 组织结构分析

2.3.1 微观组织分析(OM、SEM)

2.3.2 透射电镜和高分辨观察

2.3.3 差热分析

2.4 力学性能测试

第3 章 低冷速条件下AlSi7Mg 合金共晶硅变质研究

3.1 引言

3.2 亚共晶铝硅合金变质剂的选择

3.2.1 杂质诱发孪晶理论的原子半径比

3.2.2 变质元素与共晶硅的混合焓

3.2.3 元素的电势差影响

3.3 低冷速条件下变质合金的共晶硅组织

3.3.1 Sr 变质AlSi7Mg 合金共晶硅组织

3.3.2 Sb 变质AlSi7Mg 合金共晶硅组织

3.3.3 稀土变质AlSi7Mg 合金共晶硅组织

3.3.4 低冷速条件下变质共晶硅形貌

3.4 变质对合金铸态组织和力学性能的影响

3.4.1 变质AlSi7Mg 合金铸态组织分析

3.4.2 变质AlSi7Mg 合金铸态力学性能

3.5 热处理对共晶硅形貌和合金力学性能的影响

3.5.1 热处理对AlSi7Mg 合金共晶硅形貌的影响

3.5.2 热处理对AlSi7Mg 合金力学性能的影响

3.6 本章小结

第4 章 冷却速度和变质剂的交互作用对AlSi7Mg 合金共晶硅变质的影响

4.1 引言

4.2 冷却速度对未变质合金共晶硅形貌和尺寸的影响

4.3 冷却速度对变质合金共晶硅形貌和尺寸的影响

4.3.1 不同冷却速度Sb 变质合金共晶硅形貌

4.3.2 不同冷却速度Sr 变质合金共晶硅形貌

4.3.3 冷却速度对稀土变质合金共晶硅形貌和尺寸的影响

4.4 共晶硅形貌的转变过程

4.5 冷却速度对合金组织和力学性能的影响

4.5.1 不同冷却速度下未变质合金的组织和力学性能

4.5.2 冷却速度对变质合金组织和力学性能的影响

4.6 本章小结

第5 章AlSi7Mg 合金变质过程及机制研究

5.1 引言

5.2 亚共晶铝硅合金变质过程分析

5.2.1 AlSi7Mg 合金变质过程的热分析

5.2.2 AlSi7Mg 合金变质过程的液淬组织

5.3 亚共晶铝硅合金共晶硅变质形核机制研究

5.3.1 提高形核率的共晶硅异质形核质点

5.3.2 共晶硅形核温度分析

5.3.3 变质抑制共晶硅形核过程及机制

5.3.4 形核率和形核过冷度对共晶硅形貌的影响

5.4 亚共晶铝硅合金共晶硅变质长大机制研究

5.4.1 共晶硅长大温度分析

5.4.2 共晶硅长大阶段的再辉现象

5.5 共晶硅的固液界面结构及长大方式

5.5.1 共晶硅的固液界面微观结构

5.5.2 未变质共晶硅的长大方式

5.5.3 快冷变质共晶硅长大机制

5.6 变质共晶硅长大机制研究

5.6.1 Sb 变质共晶硅长大机制

5.6.2 Sr 变质共晶硅长大机制

5.6.3 稀土变质共晶硅长大机制

5.7 共晶硅变质过程和变质机制分析

5.8 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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