【《短时热处理THAS3合金的显微组织和力学性能分析案例》2800字】

短时热处理THAS3合金的显微组织和力学性能分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u14249短时热处理THAS3合金的显微组织和力学性能分析案例 1187061.1引言 1244291.2短时热处理THAS3的显微组织 2306681.2.1短时热处理THAS3的金相显微镜观察结果 2109551.2.2短时热处理THAS3的金相照片处理结果 2128391.3短时热处理THAS3的孔洞分析 4156101.4短时热处理THAS3的力学性能 6296871.4.1拉伸性能测试结果 6230551.4.2短时热处理THAS3的断裂行为 8引言近年来，许多铸态铝合金的力学性能都不够理想，抗拉强度和延伸率均较低，为了迎合工业市场发展的高性能轻量化铸件的需求，通过压铸工艺加工而成的压铸铝合金零部件从中脱颖而出。[46]然而压铸件中孔洞的存在难以避免，在后续的热处理中便会受热膨胀在表面产生鼓泡导致铸件报废，因此难以凭借热处理来进一步提高其力学性能。现今常用的压铸铝合金热处理工艺是T6，包括固溶和人工时效两个热处理阶段。压铸铝合金的T6处理一般目的在于抗拉强度略有降低的前提下大幅提高铸件的塑性。[47]固溶处理是软化组织，获得过饱和固溶体，加之人工时效过程可通过时效硬化的方式提高合金的强度。GarcíaGarcíaG等[48]的研究指出，铝硅合金中的共晶硅在固溶处理过程中，会发生破碎和球化。原来的针状共晶硅经过固溶处理破碎球化，避免了基体的破碎从而提升力学性能。T6热处理在固溶处理后将继续进行自然或者人工时效，人工时效和自然时效处理之间没有绝对的界限，但是两者对合金的性能提升倾向相反，即自然时效主要提升塑性，人工时效主要提升强度。根据第三章中的力学拉伸试验结果，本章热处理选用T3工艺参数的铸件（陶瓷压室低速速度0.1m/s，高速速度2.75m/s）进行四组T6热处理，每组三份试样具体热处理参数见下表4.1。片状试样固溶+空冷时效热处理工艺序号时间（min）温度（℃）时间（min）温度（℃）11546015220230460152203454601522046046015220热处理工艺参数短时热处理THAS3的显微组织短时热处理THAS3的金相显微镜观察结果短时热处理试样金相照片（a）15min（b）30min（c）45min（d）60min上图4.1是在不同时间T6热处理下的金相图像，固溶15min的组织中共晶硅有了球化的趋势，但是分布依旧比较密集，大部分共晶硅棱角明显，随着固溶时间的增长，随着固溶时间延长，共晶硅开始钝化，逐渐向α-Al中弥散，随着时间到了45min，共晶硅的球化更加明显，形态更为圆整，分布更加均匀，基本无棱角状共晶硅存在，固溶时间60min的组织中共晶硅分布更加弥散，形态无太大变化。短时热处理THAS3的金相照片处理结果采用Avizo进行图像处理和数据分析。通过图像处理软件将金相照片处理为灰度图导入Avizo，明亮区域为含Al部分，设定压铸AlSi9MnVTiZn合金的尺寸阈值为10μm，小于10μm的一般为α-Al晶粒，由于热处理后的共晶硅球化，分布弥散，预结晶组织边界模糊化，筛选采用手动筛选。结果如下短时热处理试样预结晶分布（a）15min（b）30min（c）45min（d）60min上图4.2是不同时间短时热处理铸件的预结晶组织分布图像处理结果。通过颜色标记筛选了不同大小的预结晶组织（由红到蓝尺寸依次减小），下列图清晰地显示了预结晶组织在试样厚度方向上的分布。随着时间的延长，组织中的预结晶组织分布和共晶硅一样变得分散，尺寸有所减少，这是由于共晶硅的球化使得预结晶组织的边界不再明显，随着共晶硅的分散，α-Al和预结晶组织的尺寸区别被缩小。为了更直观地分析预结晶组织的变化，将筛选出的预结晶组织进行数据统计，其平均尺寸和面积占比如下图。短时热处理试样预结晶组织的面积分数和平均尺寸通过比对图4.3中的数据不难发现，无论是预结晶组织的平均尺寸还是其在区域中的面积占比都是随着固溶时间的增加而降低的，这与图4.2中的分析相吻合。用45min固溶处理组对比铸态同工艺铸件，预结晶组织面积分数下降了30%左右，而平均尺寸则下降了19%左右。短时热处理THAS3的孔洞分析通过Phoenixvtome|xs对试样进行扫描，之后采用VGStudioMax2.0进行三维孔洞重构，用Avizo进行孔洞筛选并组合切片图像后进行三维建模，结果如下。短时热处理试样三维建模（a）15min（b）30min（c）45min（d）60min图4.4是是不同时间短时热处理铸件的三维建模图像，通过对比可以得出，孔洞数量随着固溶时间的延长而增多，而对比第三章中的T3工艺试样三维建模可知孔洞的数量经过热处理后显著增多，且大部分集中在试样中心部位，这与先前讨论的铸态试样孔洞分布相符。在铸态T3工艺试样中为了减少统计误差而筛除的微小孔洞由于热膨胀作用平均尺寸超过了筛选阈值，这解释了上述图例中大量分布在试样中的孔洞群。现对上述试样中的孔洞数据进行统计结果如下短时热处理试样的孔洞平均尺寸随固溶时间的分布图4.5是短时热处理试样的孔洞平均尺寸随固溶时间的分布，通过对比可以得出，孔洞尺寸和孔洞体积占比随着固溶时间的延长而变大。作为对比，第三章中的铸态T3工艺试样的平均孔洞尺寸为35.42μm，这说明经过热处理后铸件中的孔洞显著增大，增长幅度在20%以上。短时热处理THAS3的力学性能拉伸性能测试结果对拉伸试验收集的延伸率、抗拉强度、屈服强度等数据进行统计结果如下表4.2。整合数据如图4.6伸试验数据结果时间抗拉强度（MPa）标准偏差延伸率（%）标准偏差15188.70331.38673514.2190.31324830173.11.90918812.31.08965245186.62.81602616.9111.04703960147.866729.158597.4203336.101419短时热处理试样的力学性能随固溶时间的分布图4.5是短时热处理试样的力学性能随固溶时间的分布，通过对比可以得出，力学性能随着固溶时间的延长而降低。为了寻找相对最优的热处理时间参数，将所有力学性能数据列在下表4.3中。拉伸试验数据结果时间(min)抗拉强度（MPa）延伸率（%）15190.39.074188.0117.013187.816.5730153.25.721184.416.36181.714.8194518917.521183.515.702187.317.51601505.907175.914.136117.72.218铸态T3工艺试样的平均抗拉强度为281.65MPa，平均延伸率为7.76%。通过计算对比可以发现，去除偶然性误差，固溶45分钟以内对压铸铝合金铸件的性能相对优化程度最好，在保留了接近70%的抗拉强度的同时延伸率提高了近2.5倍。但是这种优化会随着固溶时间的继续增长而降低，这是由于固溶时间过长，孔洞受热膨胀引起的鼓泡现象。在本实验选用的热处理中，固溶细化了晶粒起增强塑性和软化铸件的作用，而人工时效则通过沉淀强化来增加铸件强度。实验结果表明，这批试样的抗拉强度下降程度比较显著，这说明在热处理时间的分配上仍有需要改进的部分，此次热处理实验中，固溶处理对铸件的影响比人工时效更大。今后的探究可以从人工时效的时间入手。短时热处理THAS3的断裂行为不同热处理时间的断口形貌低倍扫描（a）15min（b）30min（c）45min（d）60min图4.7是不同热处理时间的断口形貌低倍电镜扫描图，可以发现随着固溶时间的增长，试样断口形貌中的孔洞数量尺寸都在上升，尤其是到了60min试样中的孔洞已经导致了鼓泡的形成，这严重降低了试样的力学性能。不同热处理时间的断口形貌高倍扫描（a）15min（b）30min（c）45min（d）60min图4.7是不同热处理时间的断口形貌高倍电镜扫描图，其中（a）放大倍数最大，（d）放大倍数最小，可以发现经过热处理的试样断口形貌中分布着大量的韧窝，即试样表现为韧性断裂。韧窝是微孔形核长大在拉伸