DC铸造强韧型过共晶变形铝硅合金的组织与力学性能

摘要

过共晶铝硅合金具有热膨胀系数低、耐磨性高、导热性好、密度小、铸造性能良好等诸多优点，在汽车制造、航空航天等领域有着广阔的应用前景。本文针对过共晶铝硅合金硅相粗大、塑性差的难题，采用DC铸造结合变质处理以及后续热加工和热处理技术，开发了室温及高温强韧性能好，可应用于大功率发动机制造的新型合金。主要结论如下:
　　设计出含微量Zr、V、Ti元素的Al-17.5 Si-4.5Cu-1Zn-0.7Mg-0.5Ni过共晶铝硅合金，采用DC铸造工艺并结合磷变质处理，制备了具有极细显微组织的过共晶铝硅合金铸锭。合金的凝固组织由初晶硅、α-Al枝晶、铝硅共晶组织（共晶硅和共晶铝），以及金属间化合物Al2Cu、Al9(Fe，Cu)Ni和Al8FeMg3Si6所构成。磷变质处理可显著细化合金中的初晶硅颗粒，如直径100mm铸锭的1/2半径处和心部的初晶硅颗粒平均尺寸分别为13μm和19μm。初晶硅的细化机理为AlP异质形核及DC铸造所产生的较大过冷度。
　　在细化合金凝固组织的基础上，对传统上作为铸造合金使用的过共晶铝硅合金施加了热变形。合金在变形温度为400℃～500℃和应变速率为0.001 s-1～1 s-1的热压缩变形均显示稳态流变特征，合金的流变应力随变形温度的升高而减小，随应变速率的增大而增大。在实验条件范围内，合金的热压缩变形受热激活控制，平均热变形激活能为261.215 kJ/mol。合金的稳态流变应力可用包含Z参数的方程描述，即:σ=51.813ln{(Z/1.072×1017)1/4.533+[(Z/1.072×1017）1/2.267+1]1/2}式中，Z=(ε)exp（261215/RT）。
　　合金经热变形后，铸态组织中的α-Al枝晶被等轴晶组织所取代;粒化的硅相和金属间化合物均匀地分布于铝基体中。在热形过程中合金铝基体发生了动态再结晶。热变形合金在峰时效状态下，室温抗拉强度达到396MPa，伸长率达到1.28％;300℃时抗拉强度达到110MPa，伸长率为12.24％，为过共晶变形铝硅合金在大功率发动机上的应用奠定了基础。合金的室温拉伸断口和高温拉伸断口均显示出混合型断裂的特征。拉伸试样室温断裂由应力集中造成初晶硅的破碎引起，而拉伸试样高温断裂由硅颗粒与铝基体界面的脱粘以及初晶硅的破裂引起。
　　热变形合金在时效处理过程中的析出序列为θ序列和Q序列。θ序列脱溶过程为:过饱和固溶体→GP区→亚稳相θ

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 铝硅合金简介

1．3 改善铝硅合金力学性能的途径

1．3．1 变质处理

1．3．2 合金化

1．3．3 熔体处理

1．3．4 快速凝固

1．3．5 塑性变形

1．3．6 热处理

1．4 铝合金的时效强化

1．4．1 时效析出过程

1．4．2 时效强化机理

1．5 本文的研究意义与主要内容

第二章 合金的凝固组织细化

2．1 引言

2．2 实验方案

2．2．1 合金成分设计

2．2．2 实验材料

2．2．3 合金熔炼

2．2．4 变质处理

2．2．5 DC铸造

2．2．6 组织表征与物相分析

2．3 实验结果及分析

2．3．1 DC铸造未变质处理过共晶铝硅合金的凝固组织

2．3．2 DC铸造磷变质处理过共晶铝硅合金的凝固组织

2．3．3 初晶硅的细化机理

2．3．4 变质处理时间对初晶硅的影响

2．3．5 铸态合金的物相分析

2．3．6 讨论

2．4 本章小结

第三章 合金的热变形行为

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 热模拟实验

3．2．2 显微组织观察

3．3 实验结果及分析

3．3．1 热模拟实验有效性判断

3．3．2 真应力-真应变曲线分析

3．3．3 流变应力的修正

3．3．4 流变应力本构方程

3．3．5 热压缩变形试样的显微组织

3．3．6 合金热变形坯件

3．3．7 分析讨论

3．4 本章小结

第四章 合金的热处理与力学性能

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 热处理

4．2．2 拉伸性能测试

4．2．3 断口形貌观察

4．3 实验结果及分析

4．3．1 固溶处理后合金显微组织的变化

4．3．2 合金的室温拉伸性能

4．3．3 合金的高温(300℃)拉伸性能

4．3．4 合金的高温力学性能与同类合金的对比

4．3．5 合金的断裂机制

4．4 本章小结

第五章 合金的时效析出行为

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 实验结果及分析

5．3．1 合金时效前的TEM组织

5．3．2 热变形合金120℃时效的TEM组织

5．3．3 热变形合金150℃时效的TEM组织

5．3．4 热变形合金180℃时效的TEM组织

5．3．5 热变形合金过时效的TEM组织

5．3．6 分析与讨论

5．4 本章小结

第六章 合金的强韧化机制

6．1 组织细化强韧化

6．2 热变形强韧化

6．3 硅相粒化强韧化

6．4 沉淀强化

6．5 过剩相强化

6．6 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

博士生期间发表及待发表的论文目录

作者简历