（材料加工工程专业论文）高强度铸造alsicumg合金固态相变研究.pdf

摘要 摘要 高强度甜s i c u - m g 合金的铸造性能优良，通过热处理可以大幅度提高材料的力学 性能。本文研究了该类合金的热处理强化特性，通过考察热处理工艺参数、主要合金元 素和微量元素对热处理过程的影响，分析了合金的强化机理。 本文研究了铸造烈一s i c u - m g 合金的时效行为，发现在一定温度以上时效处理时， a l 。s i c u m g 合金的硬化曲线上出现了“双峰”现象，两个硬度峰值之间存在明显的 “谷”。1 7 5 时效，合金分别在6 h 和1 2 h 出现了第一个和第二个硬度峰。 d s c 和t e m 观察发现，铸造舢s i c u - m g 合金的主要时效析出相为日相和q 相。 0 相在合金基体上非均匀形核，在位错、晶界等能量高的位置优先形核和长大。而q 相在合金基体中均匀分布，不受位错、晶界等缺陷的影响。在时效处理过程中，q 相的 分布和形貌变化不大，稳定性很好，而。序列析出相的结构变化较大，因此合金时效的 “双峰”现象主要来源予e 相结构的变化。 时效硬化的单、双峰现象与合金的时效析出序列密切相关，g pi i 区0 ”和亚稳相 0 都能有效强化舢一s i c u - m g 合金，但高密度的g p 区( 主要是g pi i 区) 的溶解将这一时 效强化过程分为两个阶段。g p 区向亚稳相转变的明显间隔是造成a 1 一s i - c u - m g 合金时 效双峰现象的主要原因。而在a 1 一s i - m g 合金的析出过程中，c m i i 区和亚稳相的形成重 叠交叉进行，造成了时效曲线上的硬度平台；在a 1 s i - c u 合金的时效过程中，由于大量 位错抑制了g p 区的形成而促进了0 相的非均匀形核，造成了时效曲线上的单硬度峰。 在固溶处理过程中，共晶硅相形貌发生了显著的变化，并对合金的性能产生了很大 的影响 通过定量金相分析，共晶硅相形貌的演变及其对合金力学性能的影响可划分为 三个阶段：固溶初期硅相的熔断和钝化使合金的塑性得到显著的提高；固溶中期以粒 化为主，合金的力学性能达到了峰值；固溶后期硅相的粗化符合l s w 粗化模型，硅相 形貌呈现棱角小面特性，合金性能降低。 实验发现，淬火后共晶硅在合金基体中引入了大量的位错，从而抑制了g p 的形 成，促进了亚稳定0 相的析出，降低了合金的时效硬化能力，且使得合金的时效过程 难以控制。另一方面，固溶处理后过饱和的s i 原子以纯硅质点方式析出，为强化相的 均匀形核提供了良好的环境，从而加快了合金的时效强化过程。 在时效过程中，t i 与其它元素形成了弥散分布的a 1 3 t i 相和脚s i c u t i 四元化合 物相，对合金基体起弥散强化作用。在含m n 合金的时效组织中，存在叶a 1 1 5 ( m n f e ) 3 s i 2 沈阳工业大学博士学位论文 弥散质点，均匀、弥散分布在合金的基体上，强烈地钉扎位错，阻碍位错的运动，其本 身对合金也有一定的弥散强化作用。 在铸造m s i c u - m g 合金中分别添加微量元素c d 、s n 、a g ，以考察它们对固态相 变过程的影响。实验发现：c d 和s n 抑制g p 区的形成且促进亚稳相的析出，从而促进 了合金的时效过程，提高了合金的峰时效硬度，加快了合金的硬化速度。由于c d 和s n 对g pi i 区的抑制和亚稳相的促进，也使得g pi i 区向亚稳相的转变间隔变小甚至消失。 在合金的峰时效组织中，g pi i 区和亚稳相同时存在，且尺寸细小，分布弥散，从而提 高了其硬化速度，引起了合金时效峰的显著增高，有效地促进了合金的时效析出过程， 也使合金的时效“双峰”现象消失。 元素a g 和n i 也对合金时效过程中的e 相析出序列产生显著的影响，a g 和n i 的 加入促进了合金时效过程中g pi i 区0 ”的形成，而且抑制了合金中亚稳n o ，的形成与 分解，并强烈阻碍了稳定相。的形成。因此，a g 和n i 的添加提高了合金的时效硬化速 度，并阻碍了合金过对效的发生。 关键词：铸造a 1 一s i - c u - m g 合金，固态相变，时效机理，差热分析，微量元素 摘要 a b s t r a c t a m o n g t h ec o m m e r c i a lc a s ta i u m i n u m a l l o y s a l s i - c u - m gc a s ta l l o yi se x t e n s i v e l y u s e d m a i n l yb e c a u s eo f i t sg o o dc a s t a b i l i t ya n de x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nt h eh e a t - t r e a t e d c o n d i t i o n t h eh e a tt r e a t m e n tb e h a v i o ro ft h ea l l o yd u r i n gh e a tl r e a t m e n tw a si n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r t h r o u g ha d j u s t i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，a n di n s p e c t i n gt h ei n f l u e n c e o fm a i na l l o y i n ge l e m e n t sa n dt r a c ee l e m e n t so nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，a n dc o r r e s p o n d i n g s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s mw a sa l s oc a r e f u l l ya n a l y z e d i ti sf o u n dt h a td o u b l ea g i n g p e a k s a r ep r e s e n ti nt h ea g e - h a r d e n i n gc n r v e so f a l - s i - c u - m g a l l o ya g e da b o v e c e r t a i nt e m p e r a t u r ea n dt h ef i r s tp e a ki sh i g h e rt h a nt h es e c o n do n e ，w h e r e a s a na g i n gh a r d e n i n gp l a t e a ua n ds i n g l ea g i n gp e a ki sp r e s e n ti na g e - h a r d e n i n gc u r v e so fa 1 - - s i m g a n da 1 一s i c ua l l o y sr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fd s c a n a l y s i sa n d t e mo b s e r v a t i o nr e v e a l t h a tt h ea g eh a r d e n i n gb e h a v i o ri sr e l a t e dt ot h e p r e c i p i t a t i o ns e q u e n c eo f a l l o y s i ti ss h o w nt h a tt w op r e d p i t a t i o ns e q u e n c e s ，n a m e l yo 一g pz o n e s 一一0 一 0a n d g s q 一q ，a r em a i n l y r e s p o n s i b l ef o rt h ep r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n go f a l 一s i - c u - m g a l l o y t h eq 7p a a s eh o m o g e n e o u s l yp r e c i p i t a t e si nc 【m a 打i x ，r e g a r d l e s so f d i s l o c a t i o n sa n dg r a i n b o u n d a r i e s ，a n dh a se x c e l l e n ts t r u c t u r a ls t a b i l i t yd u r i n ga g i n gt r e a t m e n t o nt h ec o n t r a r y , 0 p h a s ep r e f e r e n t i a l l yp r e c i p i t a t e s o nt h ed i s l o c a t i o n s ，a n ds t r u c t u r et r a n s f o r m s d r a m a t i c a l l y d u r i n ga g i n gt r e a t m e n t , w h i c h s h o u l db e r e s p o n s i b l ef o rt h ed o u b l ea g i n gp e a kp h e n o m e n o n o f t h e a i s i c u - m ga i l o y i na g e i n gm i c r o s t r u c t u r eo f t h ea 1 - s i c u - m ga l l o y ，t h ef i r s ta g m gp e a k i sc o r r e s p o n d i n gt ot h eh i g h - d e n s i t yg p z o n e s ( e s p e c i a l l yg p i iz o n e s ) ，w h i l et h es e c o n do n ei s d u et ot h ef o r m a t i o no fm e t a s t a b l ep h a s e s o b v i o u si n t e r v a ld u r i n gt h et r a n s i t i o nf r o mt h eg p z o n e st om e t a s t a b l ep h a s ei nd s cc u y v e ，c a u s e db yt h ed i s s o l u t i o no fg pz o n e sa n dt h e n u c l e a t i o no f m e t a s t a b l ep h a s e so n d i s l o c a t i o n ，p r o b a b l y i st h em a i nr e a s o no f t h e a p p e a r a n c eo f d o u b l ea g i n g p e a k s t h ea g i n gp l a t e a u o f t h e a 1 一s i m ga h o y i sc o r r e s p o n d i n gt ot h ec o n t i n u o u s 饥a n s i t i o nf r o mt h eg pz o n e st om e t a s t a b l ep h a s e s ，w h i l es i n g l ea g i n gp e a ko ft h ea i s i c u a l l o yi sc a u s e db y t h ef o r m a t i o no f m e t a s t a b l e p h a s e s t h r o u g h t h em o r p h o l o g i c a lo b s e r v a t i o no ns i l i c o n p a r t i c l e so f a l s i c u - m gc a s ta l l o y ，i ti s f o u n dt h a td u r i n gs o l u t i o nh e a tt r e a w n e n tt h ee v o l u t i o no fe u t e c t i cs i l i c o n m o r p h o l o g ya n d t h e i r e f f e c to nm e c h a n i c a lp r o p e r t yc a l lb ec l a s s i f i e di n t ot h r e es t a g e s i nt h ei n i t i a l s t a g e ，n e c k i n g ， s t u b b i n ga n df r a g m e n t a t i o no fs i l i c o np a r t i c l e sr e s u l t si na l li m p r o v e m e n ti np l a s t i c i t yo ft h e a l l o y i nt h ei n t e r m e d i a t es t a g e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ea l l o ya t t a i np e a kv a l u e sd u et o t h es p h e r o i d i z a t i o no fs i l i c o np a r t i c l e s i nt h ef i n a ls t a g e ，t h ed r o po fh a r d n e s sa n d s t r e n g t 1i s r e l a t e dt ot h ed e t e r i o r a t i o no fs i l i c o nm o r p h o l o g y t h ef a c e t sa n d l a pa r eo c c u r r e di ns i l i c o n - 鎏堕三些盔堂堡主堂垡墼 p a r t i c l e sa n d t h ec o a r s e n i n gp r o c e s so fs i l i c o nf o l l o w sl s w m o d e l o nt h eo t h e rh a n d ，at o to f d i s l o c a t i o n sa r ei n 虹o d u c e db y e u t e c t i cs i i m o na f t e rq u e n c h , w h i c hs t i m u l a t e st h ef o r m a t i o no f o b u ts u p p r e s s e sm e g pz o n e a tt h es a r r i et i m e ，t h ee x c e s ss ia t o m sa f f e c tt h ep r o c e s s o f a g i n g p r e c i p i m f i o na n d l e a dt oaf i n ea n d h i g h l yd e n s e d i s t r i b u t i o no f g p z o n e “0 ”p h a s e d u r i n ga g e i n gt r e a t m e n t , t h ea d d i t i o no f e l e m e n tt if o r m sc o m p o u n d ss u c ha sa 3 t i ，a 1 一 s i c u - t i ，w h i c hh a v ed i s p e r s i o nh a r d e n i n ge f f e c t f o rt h ea l l o yw i t ho t h e re l e m e n t s t h e p a x 矗c l e so fa - a l l 5 ( m n y e ) 3 s i 2 甜e u n i f o r r f f t yd i s p e r s e d i nt h em a t r i x ，a n dc a n p i n - u pd i s l o c a t i o n s e f f e c t i v e l y t h ea d d i t i o no fc da n ds nr e m a r k a b l yi n c r e a s e st h ep e a ka g i n gh a r d n e s sa n dr e d u c e st h e t i m et or e a c ha g i l 唱p e a ki nt h ea l - s i c u - m ga l l o yt h r o u g hs u p p r e s s i n gt h ef o r m a t i o no fg p z o n ea n ds t i m u l a t i n gt h ef o r m a t i o no f0 a n d0p h a s e s d u et ot h es u p p r e s s i o no fg p z o n e f o r m a t i o na n dt h es t i m u l a t i o no f 0 f o r m a t i o n , t r a c ee l e m e n t sc da n ds nc a u s et h es h o r t e n i n go f t h ei n t e r v a lb e t w e e ng pi ia n dm e t a s t a b l ep h a s e i nt h ep e a km i c r o s t r u c l u r e ，0 p h a s e sc o e x i s t w i t h0 ”p h a s ea n dt h e nc a u s ee f f e c t i v e l yh a r d e n i n go f t h e a l l o ya n d e l i m i n a t et h ed o u b l ea g _ m g p e a kp h e n o m e n a a tt h es a m et i m e t h ea d d i t i o no f a g a n dn i p r o m o t e s t h ef o r m a t i o no fg p z o n e s o ”p h a s e ，s u p p r e s s e st h e f o r m a t i o na n dd i s s o l u t i o no f0 p h a s e ，a n de v e n0p h a s ec a n n o tb ef o r m e d t h u s ，i na g n i c o n t a i n i n ga 】l o yt h et i m et or e a c ha g i n gp e a ki s s h o r t e n e da n dt h ep e a ka g i n gh a r d n e s si s e n h a n c e d t h em o s ti m p o r t a n to fa l li st h a tt h ea d d i t i o no f a g a n dn i s u p p r e s s e so v e r - a g e i n g o f t h e a l l o y k e yw o r d s ：a 1 - s i c u - m g c a s ta l l o y ，s o l i d - s t a t e t r a n s i t i o n ，a g e - h a r d e n i n gm e c h a n i s m ，d s c ， t r a c ee l e m e n t - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：磕亟塑日期：塑丝：! l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：坐竺堡! ：兰i 第一章绪论 第一章绪论 l - 1 铸造铝硅合金的发展 自从电解铝技术获得应用以来，世晃铝业得到了迅猛的发展，铝合金已成为最常用 的两种工业合金之一。铸造a l s i 合金是铸造铝合金中最重要的一个系列，由于其密度 小、比强度高，同时具有优异的铸造性能、耐蚀性能、可焊性及热膨胀性，广泛地应用 于航空航天、汽车、机械等行业，用来生产形状复杂、薄壁、耐蚀、气密性要求高、承 受中高静载荷或冲击载荷，或要求在较高温度下工作的大、中、小型铸件。 l 。1 1 铸造铝硅合金的发展现状 随着现代工业及铸造技术的发展，对铸造铝合金的需要量曰益增大【1 3 】。2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，在铸件总量停滞不前甚至下降的情况下，日本的铝铸件产量一直 保持年递赠1 0 左右的高增长率【i 。在汽车工业中，由于要降低能耗，汽车需要轻量 化，当前交通运输业已成为铝合金应用的最大市场。汽车重量对燃料经济性起着决定性 的作用，如图1 - 1 所示 4 ，车重每降低1 0 0 蚝，油耗可减少0 7l l o o k m l 5 ，而铝合金是 最佳的汽车轻量化月材。近年来，各国广泛采用铝等有色合金件代替钢铁件。2 0 0 1 年，小汽车平均总重量降低为8 0 0k g 左右，其中钢铁部件为2 0 0 蚝，铝合金零部件为 2 7 5k g ，镁合金增为4 0 蚝，而汽车零部件7 0 ) b 铸件旧。因此，以提高总体燃料经济 性和保护人类生存环境为目的的汽车轻量化运动，促进了铝合金铸件在汽车上的应用， 从上世纪7 0 年代石油危机以来，单车用铝量在逐年增加 5 。由此可见，铸造铝合金的 研究与应用将继续得到迅猛发展。 铸造铝合金的力学性能主要由其化学成分、熔炼工艺、浇注条件和热处理工艺过程 等共同决定。在这些影响因素当中，人们就合金的化学成分和铸造工艺参数对材料性能 的影响已经进行了大量深入的研究，在合金元素与杂质元素、精练与变质、熔炼与浇 注、铝合金宏观与微观组织形成机理、晶粒细化机理与晶粒细化剂等方面的研究均取得 了重要的进展h 。2 j ，为高强度铝合金的广泛应用奠定了良好的理论和实践基础。 相对而言，对铸造铝合金热处理工艺理论方面的研究工作尚显得很薄弱。人们对 铸造铝合金固溶与时效强化过程及其机理的了解大多来源于对变形铝合金热处理强化过 程的认识f l 。但是，由于铸造合金与变形铝合金无论在化学成分、熔炼工艺，还是在 相变过程上均存在着巨大的差异。因此，对铸造铝合金热处理工艺过程及理论进行深入 研究，通过优化热处理工艺参数来获得具有良好综合性能和低廉成本的高强度铝合金铸 沈阳工业大学博士学位论文 件，使得铸造铝含金这神传统的合金材料焕发颓的光彩，具有重要的理论意义和重大的 实际应用价值。 车重x 4 5 3 6 k g 45 图1 - 1 车重与燃油经济之间的关系川 f i g 1 - 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e n e a r w e i g h t a n df u e lc o n s u m p t i o n 1 4 1 1 12 铸造铝硅合金的发展趋势 尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景，但其研究与应用也面临着严峻的挑战。随着 现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性能要求越来越高，对合金综合性能和特种性 能的要求不断提高。目前，铸造铝合金因强韧性稍逊使其应用范围受到较大5 匪制。许多 重要用途如特种重载车负重轮、航空用铝合金等多采用变形铝合金，而不是铸造铝合 金。变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密 性，因而具有很高的强度、优良的韧性以及良好的使用性能。但是，对设备和工装模具 要求高，工序多，因此变形铝合金生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝 合金具有价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、 可以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点【司。因此，使传统的铸造铝合金在新世纪 保持发展势头，开发研错4 新合金满足各种需要，替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合 金材料及其铸造成型工艺可以达到以铸代锻、缩短铸造周期、降低制造成本的目的，是 铝合金未来的发展方向l i 9 - 2 0 。 在铸造铝合金中，甜c u 系合金强度高、塑性和韧性较好，但铸造性能较差，具体 表现为热裂倾向大、流动性较差、补缩困难。此外，该系合金抗腐蚀性能较差，有晶间 2 那 鼬 驰 弘 如 伯 冬田l窝ox、晔嚣蒜船罄瑶最时 第一章绪论 腐蚀倾向。a l - m g 系合金虽然具有优良的力学性能、高的强度、好的延| 洼和韧性，抗蚀 稳定性和切削加工性能都好，但它的主要缺点是有裂纹倾向、易出现氧化夹渣、有自然 时效倾向。a 1 一s i 系合金的流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹，具有良好的铸造 性能、抗蚀性能和中等的切削加工性能，是比较理想的铸造合金，已成为制造业中最受 重视的结构材料之一。但目前铸造越一s i 合金的力学性能不尽如人意，强度和硬度一 般，韧性较低叫 。然而，随着近年来汽车、航空工业的迅猛发展，为适应人类社会对节 约能源和环境保护的要求，工业界追求高比强度材料的欲望越来越强烈，在这样一个社 会经济背景下，人们对铸造铝合金性能的要求也越来越高，希望进一步提高合金的各项 性能指标，充分发挥材料的潜能，从而适应高科技的迅猛发展 2 2 - 2 4 3 。 目前铝合金强化方法很多，一般分为加工硬化、固溶强化、第二相强化、晶界强化 和复合强化等几类。提高铸造铝合金强韧性的具体途径有：合金化，熔体的净化和纯 化，组织细化和热处理等脚j 。 1 2 铝硅合金化学成分的优化 a l s i 二元合金属于简单共晶型合金，共晶点为1 2 5 s i 。随着合金中s i 量的增 加，合金的流动性、气密性提高雨热裂的倾向减小，并在共晶成分附近表现出优异的综 合铸造性能。m g 和c u 是铸造a 1 s i 合金中的重要合金元素，据此，m s i 合金又分为 铸造a i s i - m g 合金、铸造a 1 一s i c u 合金和铸造趾s i - c u - m g 合金三个系列。铸造甜s i 合金合金中的s i 量一般在4 - - 2 0 之间。低s i 量的亚共晶m s i 合金具有高的强度和 良好的塑韧性，而高s i 量( 1 4 呦的合金主要是利用s i 相的低热膨胀系数和高耐磨性。 随着现代工业的迅速发展，产品对铝合金的要求越来越高，不仅要求具有高的力学性 能，而且还需要具有优良的铸造性能( 成型性) 【2 5 】。 在越s i 类合金中，不少属于越s i c u - m g 四元合金，如z l l 0 5 ，z l l 0 9 ，z l l 11 等，其相图见图l _ 2 。但实际上，灿一s i 类合金中可能出现的相要比相图上的平衡相复杂 得多，这是由于它的杂质元素及凝固条件不同造成的刚。工业a 1 s i 合金中不可避免地 含有杂质铁，铁相在结晶过程中呈现两种截然不同的组织结构：片状( 或针状) b - a i ，f e s i 和汉字状的d - a 1 1 5 f e 3 s 铲”m ，还有报道称汉字一f e 相的结构式为a 1 8 f e 2 s i 和 a 1 1 2 f e 3 s i 2 。f e 是越合金中极为有害的杂质 2 9 - 3 0 1 ，通常加入适量的m n 、c r 或c o 等合 金元素来中和f e 的有害影响。m n 能与f e 形成( f e m n ) 3 s i a l l 2 金属间化合物，往往都呈 汉字状或花卉状，从而消除了b - a 1 5 f e s i 的脆性影响m 椰】。 。3 沈阳工业大学博士学位论文 m g ， 4 】 图1 - 2a i s i - c u - m g 合金相图 f i g 1 - 2p h a s ed i a g r a mo f a i - s i - c u m gs y s t e m ( a ) s e c t i o n a ld r a w i n g o f 5 0 2 4 c ，1 2 s i ，( b ) s e c t i o n a ld r a w i n go f 5 0 2 。c ，4 c u 高强度铸造趟一s i c u - m g 合金是含c u 和m g 的a i - s i 合金，其强化相除m 9 2 s i 和 c u a h 外，还可能有a 1 2 c u m g 和q 相( c u 2 m g s s i s a l 4 ) a v 相( a l x m g s s w u ) 2 6 o 因而强度 和耐热性比其它铝硅合金更高。c u 和m g 的一般总量是：1 5 2 o ，c u 和m g 的含量 比为2 5 。其铸态组织般为：q ( m ) + ( q + s i ) + ( q + s i + c u 2 ) + 微量q w 相。 哈尔滨工业大学的桂满昌等叫曾研究发现，在铸造舢一s i c u m g 合金中s i 提高合 金的铸造流动性，同时在一定范围内也能使含金的强度有所提高，而合金的塑性却随之 降低；c u 和m g 是铸造越一s i 合金中两个最重要的强化元素。他们在合金时效处理时形 成a 1 2 c u 、m 9 2 s i 和w ( a i x m g s s i 4 c u 4 ) 等弥散强化相，提高合金的强度。m g z s i 弥散相在 室温时强化效果很好，但高温下不稳定，1 8 5 以上时易聚集长大，明显降低合金的力 学性能。当合金c u m g 之比很大时，m g 主要以w 相( a l x m g s s i 4 c u 4 ) 析出，w 相具有良 好的室温和高温强化效果。c u 和m g 强化元素加入量的选择原则是采用较高的c u 量和 相对低的m g 量，主要以a 1 2 c u 和w 弥散强化，使台金获得高的耐热性。实验研究表 明m 。”，s i 、c u 、m g 对a i - s i - c u m g 铸造合金的力学性能有不同程度的影响，对强度 而言，c u 影响最显著，m g 次之，s i 最小；对伸长率而言，s i 和m g 影响最大，c u 次 之。稀土元素l a 能显著提高合金的高温强度，但使伸长率和室温强度有不同程度的降 低。 4 第一章绪论 沈阳铸造研究所的李德成等在z l l 0 7 基础上m j ，添加了m g 、z n 、c d 、b e 、t i 和 b 等六种多元微量合金化元素，研究开发出的新型高强度铸造铝合金z l l 0 7 a ，该合金 具有优良的铸造性能和高的力学性。在m - s i c u 系合金中，加入m g 时，随m g 含量的 增加，抗拉强度显著升高，而伸长率下降，其作用机制为：加入m g 后合金中增加了 m 9 2 s i 和w ( a l x m g s s i 4 c u 4 ) 两种强化相。因而，为了使合金保持一定塑性，m g 的加入量 控制在05 以下。合金中z n 的存在提高c u 的溶解速度和溶解度，提高合金的塑陛 【3 5 。z n 含量在1 o 左右时，全部固溶在基体中，不形成可见的相组织。而t i 和b 可 以细化合金组织。 在对c u 系合金的研究中发现【3 6 ，c d 、s n 、i n 等微量元素可以改变e 相的时 效沉淀过程，对合金的热处理过程产生很大的影响。其中微量元素c d 能强烈抑制时效 过程中g p 区的产生，促进e 相的析出，使a l - c u 系合金中a 1 2 c u 的时效沉淀过程发 生变化 1 目。桂满昌等 4 1 1 研究了微量c d 对a l s i 7 c u 2 m g 合金力学性能的影响，发现该合 金中加入微量c d 能使热处理后的强度提高2 5 m p a 以上。山东大学【4 “3 】的研究发现s n 对a 1 一s i - m g 合金的时效过程产生明显的影响，s n 抑制了m g a s i 沉淀相的聚集、长大， 使其弥散分布，合金的力学性能大幅度提高。同时发现b e 对铝合金中f e 的影响很大。 b e 能提高了合金的流动性，保持n a 的变质效果，防止吸气和m g 的烧损。 王金国和潘青林等 3 1 - 3 2 探讨了n i 和m n 对a l - s i 。c u - m g 四元合金凝固组织，凝固 过程及时效硬化特性的影响，n i 和m l l 可以加快a i - s i - c u - m g 合金的时效硬化速度，同 时又推迟了过时效现象的出现，有利于合金耐热性的提高。祝汉良等1 研究发现，在可 热处理铸造a 1 一s i 合金中细化组织的t i 元素，时效过程中会形成弯曲状，直棒状和断棒 状的含t i 相，拉伸过程中阻碍和缠结位错，对合金有一定的强化作用。 w a w n e r 等1 4 5 删还发现了低( c u 肌g ) 元素质量比的a i c u - m g 合金中加入a g 元素 后，在 1 1 1 ) a l 面上析出了- - o o q 相，该相具有较高的沉淀硬化能力。x i a o t s o l 在a 1 _ c l 卜 m g _ a g 合金中添加c e ，形成了在高温下稳定存在的高密度q 相，提高了合金的高温 f 3 5 0 c ) 抗拉强度。 1 3 晶粒细化和变质处理 1 3 1 晶粒细化 合金的晶粒尺寸对其力学性能有着极其显著的影响。经晶粒细化处理后，晶粒尺寸 减小，晶界增多，这会对位错运动起阻碍作用。根据h n l - p e t c h 公式，合金的屈服应力 与晶粒尺寸存在如下关系9 1 】： 5 沈阳工业大学博士学位论文 盯= + 埘2( i - 1 ) 式中o 。为不考虑晶界效应的屈服强度，k 为钉扎常数，d 为晶粒尺寸。可以看出晶 粒尺寸越小，强度越高。h o n g - p a r k t s z l 对a 3 5 6 和a 3 5 7 合金枝晶间距对合金性能的影响 进行了研究，结果发现合金的强度和伸长率都随枝晶间距的增大而减小。因而，晶粒细 化已经成为强化合金的重要途径之一。 常见的晶粒细化剂有钛、硼、锆及稀土元素。对亚共晶a l - s i 系合金，晶粒细化通 常指以中间合金或熔剂方式向熔体中加入适量的b 、t i 、z r ，实现初晶a a 1 由粗大枝 状变为细小等轴晶的过程【8 j 。实验证明，除了可同时改善合金的强度和韧性外，晶粒细 化还具有改善合金的补缩能力、减小合金的热裂倾向性、减小针孔尺寸和数量并使针孔 更加分散，从而使合金的力学性能，尤其韧性和疲劳眭能得以改善。 迄今，人们发现晶粒细化常伴随以下现象：1 用舢一t i 中间合金细化时，当熔体 中 t i o 1 5 才可获得理 想的细化效果；2 细化衰退后，通过搅拌熔体又可恢复细化；3 b 、m g 台金元素促 进t i a l 3 细化；c u 、s i 、z t l 则使t i a l 3 中毒，而促进( t i ，a 1 1 ) b 2 细化，z r 则相反。 常用的细化处理方法有两种，种是以k b f 4 、k 2 z r f 6 和k 2 t i f 6 为主，附加物为 辅的盐类细化剂做细化处理，他们与铝液发生下列反应： t i + 3 a 1 2t i a l 3 f 1 - 2 ) 2 k b f 4 + 3 a 1 2 a 1 8 2 + 2 a 1 f 3 + 2 k f ( 1 - 3 ) 4 k b f 44 - 4 a 1 + 3 c = b a g + 4 a l f 3 + 4 k f ( 1 - 4 ) 3 k 2 z r f 6 + 4 a 1 = 3 z r + 4 a 1 f 3 + 6 k f( 1 5 ) z r + 3 a 1 2z r a l 3 ( 1 - 6 ) t i a l 3 、a 1 8 2 、b 4 c 、z r a l 3 及t i c 、t i b 2 等均可起晶粒细化作用。它们作为高熔点 的微小颗粒可以先析出进而成为其它相的形核核心，从而细化晶粒。陈玉勇等o q 采用这 些熔剂细化甜一s i c u - m g 合金时发现他们的细化效果不同。单一加入时k 2 t i f 6 的细化效 果最好，k b f 4 次之，k 2 z r f 6 细化效果最小；复合加入时( 2 0 k b f 4 + 8 0 k z t i f 6 ) 的细化 效果大于( 6 0 k 2 t i f 6 + 2 0 k b f 4 + 2 0 k z z r f 6 ) 细化效果。 另一种细化处理方法是中间合金细化处理。中间合金主要有a 1 - t i ( 含3 - 1 0 t i ) 和 趾_ t i _ b ( 含o 2 - 3 b ，t i b = 5 - 5 0 ) 。用中间合金细化a 3 5 6 合金时，a l - b 比烈t i 或m t i b 具有更好的效果，同时发现触一b 易使变质s i 元素损耗而引起变质衰退。这是由于 存在如下反应： s i 十6 b = s i b 6 。为此，研制了a 1 - 3 t i 3 b 中问合金用于s i 合 金，尤其对含c u 的s i 合金细化作用显著【3 4 】。 一6 一 第一章绪论 对于细化机理众说纷纭，其中比较有代表性的理论有 9 - 2 3 】：包晶反应理论、“碳化 物一硼化物”理论和亚稳相理论。 1 包晶反应理论：中间合金的细化作用是通过如下包晶反应实现的： l + t i 砧3 - - a ( a 1 ) ( 1 - 7 ) 而a 1 t i b 中间合金细化导致了相图中的包晶点的左移。这使得舢t i b 比a 1 t i 中间合金具有更好地细化效果和抗衰退性。 2 “碳化物一硼化物”理论：加入t i 和a 1 一t i - b 中间合金促进t i c 和t i b 2 的 形成，且在熔体中不溶解而充当形核剂。细化效果衰退是因为部分粒子沉淀或 凝聚所致。 3 亚稳相理论：当熔体中含o 0 5 ，f n 和0 0 1 b 时，在6 5 9 5 。c 存在三元共晶反应 l a ( 越) + t i 趟3 + ( n ，a 1 ) b 2 ，生成的( t i ，a 1 ) b 2 即可直接充当形核核心。 另外，还提出偏析理论、包晶残骸理论、超形核理论和二次形核理论 9 】等。但这些 理论都有不足之处，目前还没有哪一种理论或观点被完全接受。 1 3 2 变质处理 a l s i 合金的力学性能与组织中共晶硅的形态紧密相关，a 1 - s i 合金未变质时，共晶 硅以粗大的针片状形态出现，严重割裂基体，产生应力集中，从而使合金的力学性能， 尤其是韧性降低。变质是改变共晶硅形貌、尺寸的过程，即使共晶硅由粗大的针片状变 成细小的纤维或层片状，变质后台金的力学性能，尤其是塑( 韧) 性得到明显改善 射。 在亚共晶烈s i 合金中，当s i 含量大于5 时通常需要进行变质处理。变质可通过 添加微量元素或急冷实现，但常指前者。迄今已发现元素周期表中ia 族的n a 、k ，i i a 族的c a 、s r ，镧系的l a 、e u 、p r 、n d 、c e 和混合稀土r e ( 含4 0 5 0 c e ) ，v a 族 的s b 、& ，族的s 、t e 等均对共晶硅有不同程度的变质作用。其中n a 的变质效果最 好，可获得完全纤维状共晶硅，s r 、r e 次之，可获得纤维状加少量层状组织，而s b 、 t e 等则只能获得层状共晶硅组织瞄】。目前普遍采用的变质元素有n a 、s r 、r e 和s b 。 变质元素加入方式有纯金属、中间合金和熔剂等。 使用金属n a 变质时，由于变质温度( 7 4 0 7 8 0 。c ) 与n a 的沸点( 8 8 3 ) 接近，铝液容 易沸腾，产生飞溅，促使铝液氧化吸气，操作不安全。其次n a 的密度小，富集在铝液 的表面，变质不稳定。金属n a 的成本高，不容易保存，故在生产实践中多采用n a 盐。但n a 和n a 盐变质的有效时间短，变质经过3 0 6 0 r a i n 出现衰退现象，重熔即会失 效；而且变质剂中的f 对坩埚腐蚀严重，腐蚀产物难以清理；变质不当容易产生夹杂、 7 沈阳