铝合金中气孔和夹杂相对合金力学性能的影响

摘要

本文采用力学性能测试、固态测氢、光学显微镜、扫描电镜等手段，在统计铝合金铸锭内气孔和夹杂分布规律的前提下，研究了气孔和夹杂尺寸对铝合金拉伸和压缩性能的影响，给出了气孔尺寸对铝合金力学性能的影响规律，研究结果表明:
　　1050合金铸锭中气孔面积分数由铸锭顶部到3/4高度处逐渐降低(由0.116％降低到0.032％)，铸锭底部气孔面积分数却有所增加(0.086％)。而在同一横截面上，边部气孔明显少于心部。
　　随通氢时间的增加和浇注温度的升高，铸锭中氢含量增加，力学性能有所降低。如通氢时间由30s增加到20min，氢含量由0.00202％增加到0.00498％，抗拉强度、屈服强度、延伸率分别降低了20％、54％、41％。而随除气时间的增加，氢含量逐渐降低，力学性能有所增强。
　　不同熔炼条件下，固态测氢与液态测氢得出的氢含量变化趋势相同，但是具体变化幅度上存在一定的差异，除气时间由1min增加到20min，固态氢含量降低了66.4％，而液态氢含量仅仅降低了30％。因此不能单纯的说液态氢含量高固态氢含量就一定高，这是由于环境湿度、材料与工具的干燥度等因素都会影响合金凝固后的固态氢含量。
　　6063合金铸锭中较大的气孔主要分布在枝晶界和三叉晶界，大气孔平均尺寸主要在50μm～100μm，最大能达到300μm以上，呈不规则形状，小气孔呈圆形，尺寸主要为10μm～20μm。
　　当拉伸温度为100℃时，铸锭顶部大气孔区P1处试样的应变硬化指数n值(n1为0.25)小于铸锭底部小气孔区P4处试样的n值(n4为0.37);当温度升高到300℃时，n1与n4值几乎相同(n1为0.14，n4为0.15)，说明变形温度较低时气孔尺寸对n值的影响更为明显。另外，在300℃下，P1位置处试样与P4位置处试样的抗拉强度仅相差6MPa，而延伸率相差了32％，说明气孔尺寸对合金延伸率影响更为显著。由断口分析得知，尺寸大于200μm的气孔是导致断裂的主要因素，而小于100μm的气孔对断裂的影响不显著。对合金在不同温度(25℃～500℃)，不同应变速率(0.01s-1～10s-1)，不同压下量(60％、80％)下进行热模拟实验，得出流变应力随温度的升高而降低，随应变速率的增加而升高。且在同一变形温度、同一应变速率下，小气孔试样流变应力要大于大气孔试样。
　　6063合金中夹杂相的成分主要是Al2O3、 Mg2Si、AlFeSi，尺寸主要分布在5μm到20μm之间，形状各异，呈团网状、粗大片状及块状聚集成团。合金中的夹杂主要分布在铸锭的顶部（面积分数为6.43％）和底部（面积分数为8.40％），而中心部位的夹杂含量较低（面积分数为3.42％）。从拉伸结果可知，夹杂对合金应变硬化指数和拉伸性能的影响不明显。由断口分析得知，当大于20μm的夹杂位于试样表面处易成为断裂源，而尺寸小于10μm的夹杂对合金的拉伸断裂行为影响不大。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 铝合金中的氢研究概况

1．2．1 铝合金液中的氢

1．2．2 铝合金液中的氢的来源

1．2．3 铝合金中氢含量的影响因素

1．3 铝合金中气孔的研究

1．3．1 铝合金中氢的析出

1．3．2 铝合金中气孔的形成机理

1．3．3 铝合金中气孔形成的影响因素

1．3．4 铝合金中气孔缺陷对性能的影响

1．4 铝合金熔体中的夹杂物

1．5 国内外对气孔和夹杂对铝合金影响的研究现状

1．5．1 国内外对气孔的研究现状

1．5．2 国内外对夹杂的研究现状

1．6 课题的意义和研究内容

第2章 材料制备及实验方法

2．1 实验方案

2．2 实验材料及其制备

2．3 实验设备

2．4 检测分析方法

2．4．1 固态测氢取样

2．4．2 气孔与夹杂分析

2．4．3 拉伸试样的制备

2．4．4 热压缩试样的制备

2．5 本章小结

第3章 1050合金中的氢含量及其对拉伸性能的影响

3．1 铸造参数对固态氢含量的影响

3．1．1 冷却速度对固态氢含量的影响

3．1．2 浇注温度对固态氢含量的影响

3．2 液态测氢与固态测氢之间的关系

3．3 铸锭内气孔分布规律

3．3．1 光学显微镜观察结果

3．3．2 扫描电镜观察结果

3．4 不同条件下铸锭的氢含量和力学性能

3．4．1 不同通气时间对氢含量和力学性能的影响

3．4．2 不同除气时间对氢含量和力学性能的影响

3．4．3 不同浇注温度对氢含量和力学性能的影响

3．5 断口分析

3．6 本章小结

第4章 气孔和夹杂对6063合金力学性能的影响

4．1 6063合金中气孔的形态、分布

4．2 6063合金中气孔的数量与尺寸对拉伸性能的影响

4．2．1 6063合金铸锭中气孔分布规律

4．2．2 6063合金铸锭中气孔分布对其拉伸性能的影响

4．2．3 断口分析

4．3 6063合金中气孔的数量与尺寸对热压缩性能的影响

4．3．1 热压缩前后气孔形态变化

4．3．2 真应力-应变曲线

4．3．3 流变应力本构方程

4．4 6063合金中夹杂物的显微分析

4．4．1 夹杂物的形貌及能谱分析

4．4．2 夹杂物的定量研究

4．5 夹杂物对6063合金拉伸性能的影响

4．6 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢