微合金化、复合化及热处理对A356合金组织与性能的影响研究

摘要

A356铝合金是Al-Si-Mg系亚共晶铸造合金,对应国内牌号ZL101A,主要用于汽车轮毂制造。为实现汽车轻量化的目的,结合国家“863”高技术项目中对A356合金的性能指标要求,本文通过联合采用微合金化、复合化及热处理等技术手段来提高A356合金的综合力学性能,具体从以下几个方面进行性能强化处理:1晶粒细化；2共晶硅的变质；3有害相的控制和消除；4热处理强化；5颗粒增强复合强化。利用OM、SEM、XRD、DSC等分析手段,.研究了强化处理后的A356合金的微观组织,ZrB2p／A356基复合材料中ZrB2颗粒的大小、形貌及分布情况；通过室温拉伸实验和冲击试验,分析了A356合金的断口形貌及其断裂机制。
　　 微合金化处理后的A356合金凝固组织表明:联合添加0.2％Al-5Ti-1B、0.03％Ce和0.02％Sr后,其铸态组织中的初生α-Al晶粒尺寸最小,在10-20μm的范围内。同时对共晶硅的变质效果也最好,变质后的共晶硅主要以半径在0.15-0.2μm左右的球状形态存在。Mn元素能够改善合金中Fe相的形态,当Mn的添加量达到0.09％时,针状Fe相转变为汉子状形态,当Mn的添加量进一步提高到0.15％以上时,A356合金中几乎观察不到Fe相的存在。
　　 通过分析铸造淬火、T4热处理、T6热处理后的A356合金中共晶硅的形貌发现:铸造淬火对共晶硅形貌没有影响,而T4热处理、T6热处理后共晶硅形貌发生了很大变化。T4、T6热处理后共晶硅以半径在6-8μm的球状居多,其余以长为10—15μm,宽为3-6μm的短棒状形态存在。在微合金化基础上进行T6热处理后,共晶硅分布更加均匀,尺寸更小,以半径在1-1.5μm的球状存在。
　　 通过对由A356一K2ZrF6-KBF4-Na24O7体系所制备的ZrB2p／A356复合材料的XRD、EDS和SEM分析发现:体系在929℃反应生成了ZrB2颗粒；生成的ZrB2颗粒形貌为六边形或正方形,颗粒尺寸大部分在80-100nm,少部分在0.1-0.3μm的范围内,颗粒存在一定的团聚现象；在经过微合金化处理后,团聚现象得到改善,ZrB2颗粒较为均匀的分散在A356合金基体中。
　　 A356合金的室温拉伸试验和冲击试验表明:联合添加0.2％Al-5Ti-1B、0.03％Ce、0.02％Sr和0.4％Mn进行微合金化后的铸态A356合金的断裂方式为准解理断裂与延性韧窝断裂的混合断裂；抗拉强度从160MPa上升到195MPa,增长了21.9％；延伸率从3.1％上升为4.8％,提高了54.8％；冲击韧性由2J增加到了3J,提高了50％。
　　 对比在联合添加0.2％Al-5Ti-1B、0.03％Ce、0.02％Sr和0.4％Mn进行微合金化的基础上,铸造淬火、T4热处理、T6热处理三种热处理后的合金断口形貌发现:铸造淬火对A356合金的断裂方式影响不大,其断裂机制为准解理断裂；T4热处理后,其断裂方式为延性韧窝断裂,但韧窝尺寸较大:T6热处理后,合金断裂方式为延性韧窝断裂,此时韧窝较深、尺寸细小,分布均匀。A356合金的抗拉强度,经铸造淬火后最低,为205MPa,T4热处理后为285KPa,在T6热处理后达到顶峰,为350MPa；A356合金的延伸率,铸造淬火后最低,为4.6％,T4热处理后最高,为18.9％,T6热处理后居中,为11.3％；A356合金的冲击韧性方面,铸造淬火后最低,为3.0J,T4热处理后最高,为11.5J,T6热处理后居中,为6.5J。
　　 研究了联合添加0.2％Al-5Ti-1B、0.03％Ce、0.02％Sr和0.4％Mn进行基体微合金化基础上,不同颗粒体积分数的ZrB2p／A356复合材料的力学性能。通过对其铸态拉伸断口的分析表明,其断裂机制为准解理断裂与少量韧窝断裂共存的混合断裂。随着颗粒体积分数的增加,断口上每个解理断面的面积相应减小,并且出现大量细小韧窝,抗拉强度上升。但当颗粒体积分数继续增高时,解理断面有变大的趋势,断裂方式向脆性断裂转变。T6热处理后,随着颗粒体积分数的增高,其断裂机制从以韧窝断裂为主的延性断裂转变为准解理断裂与韧窝断裂同时存在的混合断裂,抗拉强度进一步升高,达到了388MPa,延伸率和冲击韧性略微下降,分别为8.0％和4.5J。
　　 微合金化、颗粒增强复合强化及热处理对A356合金均能产生一定的强化作用,三种强化方法协同作用时,强化效果最佳,其强化机制主要有Orowan强化、细晶强化、弥散强化、固溶强化、位错强化、有害相的控制六个方面。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题意义

1.2 A356合金的强韧化处理

1.2.1 晶粒细化处理

1.2.2 共晶硅的变质处理

1.2.3 有害相的控制和消除

1.2.4 热处理强化

1.2.5 颗粒增强复合强化

1.3 本课题的主要研究内容

第二章 实验设计和实验方案

2.1 试验材料

2.1.1 合金材料选择

2.1.2 微合金化元素的选择

2.2 A356合金强韧化工艺

2.2.1 A356合金试样的制各工艺

2.2.2 A356合金的热处理工艺

2.3 复合强化中增强相及反应物的选取

2.3.1 增强相的选取

2.3.2 反应物的选取

2.4 材料的分析测试方法

2.4.1 金相组织的观察

2.4.2 扫描电镜及电子探针分析

2.4.3 X-射线衍射分析

2.4.4 差热分析(DSC)

2.5 材料的力学性能测试

2.5.1 拉伸试验

2.5.2 冲击试验

第三章 .A356铝合金的强韧化研究

3.1 引言

3.2 A356合金的细化处理

3.2.1 不同含量Al-5Ti-1B对A356合金微观组织的影响

3.2.2 不同含量稀土Ce对A356合金微观组织的影响

3.2.2 联合添加Al-5Ti-1B、Ce和Sr对A356合金微观组织的影响

3.3 A356合金的变质处理

3.4 Mn对A356合金中铁相形态的影响

3.5 热处理对A356合金微观组织的影响

3.5.1 不同热处理工艺对A356合金微观组织的影响

3.5.2 微合金化后T6热处理工艺对A356合金微观组织的影响

3.6 增强颗粒复合强化A356合金

3.6.1 ZrB2p/A356复合材料的制备

3.6.2 ZrB2p/A356复合材料的颗粒形貌及能谱分析

3.6.3 微合金化对ZrB2p/A356复合材料凝固组织的影响

3.7 本章小结

第四章 A356铝合金的力学性能

4.1 引言

4.2 微合金化对A356合金力学性能的影响

4.3 热处理对A356合金力学性能的影响

4.3.1 T6热处理对A356合金力学性能的影响

4.3.2 不同稀土添加量对T6态A356合金力学性能的影响

4.3.3 微合金化后不同热处理工艺对A356合金力学性能的影响

4.3.4 不同Mn的添加量对T6态A356合金力学性能的影响

4.4 微合金化与复合化协同强化A356合金的力学性能

4.4.1 微合金化后ZrB2p/A356基复合材料铸态力学性能

4.4.2 微合金化后zrB2p/A356基复合材料T6态力学性能

4.5 A356合金的强化机制

4.5.1 Orowan强化机制

4.5.2 α-Al的细晶强化

4.5.3 Mg2Si的弥散强化

4.5.4 微合金化金属原子的固溶强化

4.5.5 位错强化

4.5.6 有害相的控制和消除

4.6 本章小结

第五章 主要结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文