（材料加工工程专业论文）不同热处理工艺下alsimg系合金组织与力学性能.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生 日期艘：望0 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研导师虢幽 摘要 摘要 随着对机械产品轻量化、低能耗和低污染的不断追求，高比强度的铝合金将在现代工业 中，尤其是航空和汽车制造业中获得更广阔的应用空间。铸造铝合金的强韧化课题也吸引着 众多材料工作者的浓厚兴趣。 本文综述了铝合金中b ( m s i ) 的时效析出序列为a s s s 一混合原子团簇一g p 区 一b ”_ p 一p ；利用d s c 实验、布氏硬度测量、拉伸性能测试、金相观察、s e m ( 带e d s 能 谱分析) 、t e m ( 带s a e d 花样分析) 等，研究了铸造a 1 s i m g 系合金( l l 、l 2 合金) 的时效硬 化与析出行为，发现m g 含量高的l 2 合金的时效硬化效应高于m g 含量较低的l l 合金；时 效温度越高，合金到达时效硬度峰值的时间越短，时效硬度也越低；t 4 态l 2 合金于1 6 0 时效2 4 h 的布氏硬度达到9 5 2 h b s ，抗拉强度达到2 4 9 2 m p a ，并开发出一种高效的快速时 效工艺1 6 0 2 h + 2 0 0 2 h ，布氏硬度可达到8 9 1 h b s 而抗拉强度则可达到2 4 5 6 m p a 。 基于观察现象与现有理论提出了一种新的p ”一p 转变机制，称之为畸变诱发崩断一粗化 合并机制( d i f c c ，d i s t o r t i o ni n d u c e dn a 呈m e n t c o a r s e n i n gc o a l e s c e n c e ) ，其起因为当针状p ” 在长度方向生长到一定程度时将因不断增大的共格应变能而发生崩断成p 他b 相。铸造 a 1 s i m g 系合金在等温时效过程中的b ( m 勖s i ) 析出序列为a s s s 一混合原子团簇一g p 区 一b ”一p r c p 或p 一p ，其中p 相可在欠时效阶段由位错辅助析出。此外，除了b ( m s i ) 中间 相的析出，合金在欠时效阶段就伴有细小s i 颗粒( 约2 5 3 5 n m ) 的脱溶析出，但随着时效时间 的延长，被共晶s i 相“吞噬”。 本文首次详细阐明了a 1 s i m g 系合金的时效强化机制；发现了应变速率对合金强度影 响的反常现象，t e m 观察结果显示其原因有：慢应变拉伸过程中较粗大析出相周围位错的 塞积增殖、细小析出相对位错的钉扎、位错环和胞状亚结构的形成等。 将a 1 s i m g 系合金的时效强化应用于近共晶铸造a 1 1 2 s i o 2 m g 合金，辅以热挤压， 探索出一种合理的形变热处理工艺使合金获得了强度+ 塑性的优异配合：a l - 1 2 s i - 0 2 m g 合金经5 0 0 热挤压+ 5 3 5 固溶处理+ 1 6 0 时效1 2 h 的预形变热处理工艺后的布氏硬度达到 8 5 7 h b s ，抗拉强度为2 5 6 3 m p a ，伸长率为1 5 o 。抗拉强度和伸长率分别比该合金的常规 t 6 处理提高了l o 2 和2 3 3 3 。 在热挤压过程中，共晶s i 相和针状d f e 相碎化、细化且分布较为均匀，挤压过程中基 体的塑性流动则消除了气孔等铸造缺陷。合金在热挤压过程中发生了第二相的动态析出与 a l 基体的动态再结晶，再结晶晶粒大小只有不到1 5 岬。细小的再结晶晶粒组织是合金经热 挤压后塑性显著提高的首要原因。合金经预形变热处理后获得高强度的首要原因则是 d ( m s i ) 中间相的时效析出强化，而细晶强化等的贡献较小。 a l 基体的动态再结晶属于“粒子激发形核”型。动态析出的细小第二相粒子对再结晶 晶界迁移的z e n e r 钉扎限制了再结晶晶粒的长大，这是动态再结晶后晶粒细小的直接原因。 关键词：a l - s i - m g 系合金；析出硬化；析出相；形变热处理；显微组织；力学性能 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht l l ec o n t i n u o 吣e k i n gf o r l i g h t 、v e i g h t ，l o w e re n e 喀yc o n s u m p t i o n 锄di o w e rp o i i u t i o n 0 ft h em e c h 鲫i c a jp r o d u c t s ，m u c hw i d e ra p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma i i o y sw i t hh i g hs p e c i f i c s n - e n 垂hw i nh a p p e ni nm o d e mi n d u s 仃y e s p e c i a l l yi n 神r o s p a c e 锄d 卸t o m o t i v ei n d u s 缸yf 0 rt h a t 聆嬲，s 仃e n 舒h e n i n g 觚dt o u g l l e n i n go fc 邪t i n ga l u m i n u ma l l o y sh 弱c 舢g h tal 鹕en u m b e ro f m a ：i e r i a l sr e s e a r c h e r s e y e s ni sf i r s t l ys u m m a r i z e df b mp r e v i o u s 鲫u d i e st h a tt h ea 西n gp r e c i p i t a t i o ns e q u e n c eo fp ( m s i ) i s 叶s s s m i x 酣a t o m sc l u s t e r s g pz o n e p ”一b 一p t h ea g eh a r d e n i n g 锄d p r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro fc a s t i n ga l - s i - m gs y s t e ma i l o y s ( l l ，l 2a l l o y s ) a r ei n v e s t i g a t i 甜b yd s c e x p e r i m e m ，b r i n e l lh a r d n e s sm e 舔u r e m e n t ，t e n s i l ep r o p e r t i e st e s t sa n dt h em i c r o s t l l l c t u r c o b s e r v a t i o nb yo m ，s e m ( w i t he d ss p e c 打u ma n a l y s i s ) 锄dt e m ( w i t hs a e d p a t t e m s 觚a l y s i s ) i ti sf o u n dt h a tl 2a l l o yw i t hh i g h e rm gc o n t e n ts h o 、v sm o 他s i g n i f i c a n ta g eh a r d e n i n ge f r e c tt h 锄 l la l l o yw i t hl o w e rm gc o n t e n t ah i g l l e ra g i n gt e m p e 咖r el e a d st 0as h o 他rp e a l - a g i n gt i m e 锄dl o w e rp e a l ( - a 舀n gh a r “e s s f o rl 2a l l o y t h eb r i n e l lh a r d n e s sr e a c h e s9 5 2 h b sa n dt h e t e n s i l es 仃e n g t h2 4 9 2 m p a 蛆e r b e i n gq u e n c h e d 锄da g e df o r2 4 ha t1 6 0 a 协ta g i n gp r o c e s s 一 1 6 0 2 h + 2 0 0 2 h i sd e v e l o p e df o rl 2a l i o y ，a f 把rw h i c hm eb r i n e l lh a r d n e s sm a c h e s8 9 1 h b s 锄dt e n s i l es t r e n g c h2 4 5 6 m p 乱 b 嬲e do no b s e r v a t i o np h e n o m e n a 勰dt h ee x i s t i n gt h e o 以an e wp ”啼p 把m s f 0 咖a t i o n m e c h 卸i s m ，c a l l e dm ed i s t o r t i o ni n d u c e d 疳a g m e m c o a r s e n i n gc o m b i n e dm e c h a n i s m ( d l f c c ) ， 廿l eo r i g i n a lr e a l s o no fw h i c hi s ，w h e nt h en e e d i e - l i k ep ”g r o w si m oac r i t i c a ll e n 舀h ，t h e yw i l lb e f a g m e n t e di m os oc 鲥l e dp r e - p p h 嬲ed u et ot h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n go f 触ls t r a i ne n e 唱y i i l a l s i - m gs y s t e mc a s t i n ga l l o y s ，t h e9 ( m s i ) p r c c i p i 诅t i o ns e q u e n c ed u r i n gi s o t h e 帆a la g i n gi s 洳s s s m i x e dc l u s t e r s g pz o n e s p i f p r e - fo rp 一p ，o fw h i c ht h ep p h 嬲ec o u l d p r e c i p i t a t ea s s i s t e db yt h ed i s l o c a t i o n si nu n d e i - a g i n gp e r i o d i na d d i t i o nt ot h ep i e c i p i t a t i o no fp ( m s i ) ，f i n es ip a r t i c l e s ( a b o u t2 5 3 5 姗) a l s op r e c i p i t a t e 嬲e a r l y 部d u r i n gu n d e r - a g i n gp e r i o d b u tw i t ht h ea g i n gt i m ee x t e n d i n g ，t h e yw i l lb ee n g u i f e db yt h ee u t e c t i cs ip a n i c l e s t h ea g i n gh a r d e n i n go rs t r e n g i h e n i n gm e c h 趴i s m sf ；叶a l - s i - m gc a s t i n ga l l o yi se l u c i d a t e di n d e t a i lf o rt h ef i r s tt i m e a na b n o r m a lp h e n o m e n o no f t h ee f f e c to fs 臼a i nr a t eo nt h et e n s i l es n 。e n g ：吐l i sf o u n d 肌di t sr e 嬲o ni s 殉坩i e db yt e m o b s e r v a t i o n ：p i l l i n gu po rm u l t i p l i c a t i o no fd i s l o c a t i o 嬲 a r o u n dr e l a t i v ec o a r s ep r e c i p i t a t e s ，z 毛n e rp i n n i n go ff i n ep r e c i p i t a t e st od i s l o c a t i o n s ，也ef o 珊a t i o n o fd i s l o c a t i o nl o o pa n dc e n u l a rs u b s n l j c t u r e ，e t c a c c o r d i n g t 0t h ea g e - h a r d e n i n ge f f - e c to ft 1 1 ea l - s i - m gs y s t e ma l l o ya n ds u p p l e m e n t e db yh o t e x n u s i ，ar e 嬲o n a b l et h e 咖o - m e c h 卸i c a l 仃e a n i l e mp r o c e s si sa p p l i e dt 0a l l2 s i - o 2 m g c a s t i n ga l l o y a9 0 0 dc 伽b i n a t i o no f h a r d n e s s ，t e 邶i l es 仃e n g t h 锄de l o n g a t i o i l ，8 5 7 h b s ， 2 5 6 3 m p a 1 5 0 r e s p e c t i v e i y ，i sg a in i e da f i e rh o te 姗i o na t5 0 0 ，r e - s o l u t i o nt r e a l n 舱n ta t 5 3 5 锄dl6 0 a g i n gf o rl2 h c o m p a r i n gw i t l lt h ec o n v e n t i o n a lt 6 臼e a t m e n t ，t t l et e n s i l e s t r c n g t h 锄dt h ee l o n g a t i o no f t h ea i l o ya 聆i n c 陀部e db y1 0 2 锄d2 3 3 3 ，r e s p e c t i v e l y d u r i n gh o te x t r t j s i o n ，t h ee u t e c t i cs ip a r t i c l e s 锄dn e e d l e - l i k ep - f ep h 嬲e 触g m e m ，b 陀a l 【 d o w n 鲫da 聆m o 陀e v e n l yd i s t r i b u t e d p o r o s i t y 锄do m e rc 舔t i n gd e f e c t sa r ee l i m i n a t e dd u et 0t l l e p l a s t i c f i o wo fa lm 嘶x d ”a m i c a lp 代c i p i t a t i o no ft h e c o n dp h 觞e s 锄dd ) ，i l 跏i c a i 他- c 巧s t a l l i z a t i o no fa lm a t r i xo c c wd 谢n ge x t r u s i o n 觚dt h e 陀c 拶s t a l l i z e d 擎a i 璐a r ef i n e rt h 锄 l5 m t h ef i n em c 叮s t a l l i z a t i o ng m i ns t r u c t u 他i st l l ep r i m a r e 弱o nf o rt h eh i g he l o n g a t i o n0 f i i e ) ( n u d e da i i o yw h i l et h eh i g | l s 吮n g t ho ft l l e f i n a ip m c e s s e da 1 1 0 yi s m a i n l yd u ot 0 廿圮a g e s 骶n g t h e n i n go f 恤p 他c i p i t a t i o no 邛( m s i ) 硫e m e d i a t ep h 弱e s ，t l l e nt om e 龋抽陀f m e m e n t s t 陀n 舀h e n i n g t h e 由，i l 锄i c a l 僦叮s t a l l i z a t i 彻o f a lm 枷xi sa p s n ( p a n i c l e s t i m u l a t e dn u c l e a t i o n ) ”t y p e c 0 n t i n u o 峭c o a r s e n i n go f 嗽叮s t a j l i z e dg r a i 璐，l y i n g0 nt h em i g r a t i o no fh a g b ，i sl i m i t e db vt h e p r e c i p i t a t e df i n es e c o n dp h 笛ep a n i c l e sw h i c he x e r tz e 鹏rp i 蛐i n go nt h em o v i n gg r a i nb o u n d a r i e s t h i sd i 他c t l yl e a d st ot h ef i n ec 巧s t a l l i z e dg r a i ns t m c t u r e k e y w o r d s ：a l - s i - m ga l l o y s ；p r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g ；p r e c i p i t a t e s ；t h e r n l o m e c h a n i c a l 仃e a t m e n t ； m i c m s t m c t u r e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 目录 目录 摘要i a b s 仃；t i i 目录 第一章绪论。l 1 1 铝合金概述l 1 2 铝合金的分类及特点l 1 2 1 铸造铝合金2 1 2 2 形变铝合金2 1 3a 1 s i 系铸造铝合金的强化方法3 1 4p ( m s i ) 析出研究进展6 1 4 1 一般析出序列6 1 4 2 序列中的析出物相8 1 4 3 过量s i 的影响。1l 1 4 4c u 的影响1 2 1 4 5 形变与动态析出1 3 1 4 6 展望1 3 1 5 铸造a 1 s i 系合金的热处理1 4 l 。5 1 常规热处理工艺。1 4 1 5 2 分级时效。15 1 5 3 形变热处理1 6 1 6 论文背景及主要研究内容18 第二章实验方法2 0 2 1 合金熔制2 0 2 1 1 亚共晶铸造a 1 s i m g 系3 5 6 0 合金的熔制2 0 2 1 2 近共晶铸造a 1 s i m g 系合金的熔制2 0 2 2 技术路线。2 0 2 3 工艺设备及方法2 l 2 3 13 5 6 0 合金的固溶、淬火和时效2 1 2 3 2a 1 1 2 s i o 2 m g 合金的形变热处理工艺2 2 2 4 组织、结构分析方法。2 2 2 4 1 金相组织观察( o m ) 2 2 2 4 2 扫描电镜观察( s e m ) 2 2 2 4 3 透射电镜观察( t e m ) 2 3 2 4 4 差示扫描热分析2 3 2 5 力学性能测试2 3 2 5 1 布氏硬度测试2 3 2 5 2 拉伸性能测定2 3 第三章不同时效工艺下3 5 6 o 合金的时效硬化与析出。2 4 3 1a 1 s i m g 系合金的时效析出序列。2 4 3 2 单级时效工艺下a 1 s i m g 系合金的时效硬化与析出2 6 3 2 1 时效硬化2 6 目录 3 2 2 时效析出2 7 3 2 3 合金的时效硬化，强化机制。3 9 3 3 双级时效工艺下a l - s i - m g 系合金的时效硬化与析出。4 3 3 3 1 预时效工艺。4 3 3 3 2 快速时效工艺4 6 3 4 不同时效工艺下a 1 s i m g 系合金的抗拉强度4 8 3 5 本章小结4 9 第四章铸造a 1 1 2 s i o 2 m g 合金的形变热处理5 1 4 1a l - 1 2 s i o 2 m g 合金在铸态和均匀化态的组织5 1 4 2 形变热处理对a 1 1 2 s i 0 2 m g 合金力学性能的影响5 2 4 2 1 高温形变热处理对合金硬度的影响5 2 4 2 2 预形变热处理对合金力学性能的影响5 3 4 3 热挤压对a 1 1 2 s i 0 2 m g 合金显微组织的影响5 5 4 3 1 热挤压对合金显微组织的影响5 5 4 3 2 动态析出与动态再结晶5 7 4 3 3 热挤压对合金力学性能影响的原因6 l 4 4 本章小结6 2 第五章结论。6 3 参考文献6 5 致谢7 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 2 v 第一章绪论 1 1 铝合金概述 第一章绪论 和铜、铁、钢相比，铝是年轻得多的金属。但是，铝在地壳中的蕴藏量极大，分布极广。 据统计，地壳中铁占4 7 ，铝占7 5 ，铝比所有其他有色金属的总和还要多。随着电冶铝 的飞速发展，铝的世界年产量在1 9 5 5 年就已超过了铜，目前铝的世界年产量己远远超过2 0 0 0 万吨i l l o 纯铝是银白色轻金属，熔点为6 6 0 ，密度为2 7 9 m 3 ，仅为铁的l ，3 ，具有优良的导 电和导热性。纯铝的强度、硬度低，而塑性高，可进行冷、热压力加工。铝在空气中易氧化， 表面生成致密的氧化膜，可保护其内部不再继续氧化，因此在大气中耐蚀性较好。在纯铝中 加入其他金属或非金属元素，能配制各种可供压力加工或铸造用的铝合金，具有比纯铝更为 优异的使用性能。由于铝的密度小，故其比强度高，远比铸铁和铜合金高，仅次于镁合金、 钛合金和高合金钢。 随着现代工业的迅猛发展，能源与环境问题日益成为全球各国面临的首要问题。产品的 轻量化、低能耗和低污染越来越受到各国政府的重视。据估计，如果一辆汽车减重1 0 ， 那么燃油经济性将提高8 1 0 【2 1 。因而高比强度的铝合金将在现代工业中，尤其是航空和汽 车制造业中获得更广阔的应用空间。 1 2 铝合金的分类及特点 根据各种不同的用途，在纯铝中添加s i 、c u 、m g 、m n 等合金元素配制成铝合金，可 大大提高其力学性能，同时仍保持密度小、耐腐蚀的优点。目前，用于制造铝合金的合金元 素大致分为主要元素( s i 、m g 、c u 、m n 、z n 、l i ) 和辅加元素( c a 、b 、t i 、c r 、z r 、r e 、 n i 等) 两类，这些合金元素在固态铝中的溶解度一般都是有限的。铝与主加元素的二元相图 一般都具有如图1 1 所示的形式【3 】。 在二元铝合金中，加入的合金元素不同，在固溶体中的极限溶解度也不同，固溶度随温 度变化以及合金共晶点的位置也各不相同。不同铝合金的组织及其力学性能是不一样的，其 铸造、锻造和热处理等工艺性能也不一样。根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，铝合 金可分为形变铝合金和铸造铝合金两类。相图上最大饱和溶解度( d 点) 是这两类合金的理论 分界线。 矗 图1 1 铝合金分类示意斟3 1 i 东南大学硕士学位论文 1 2 1 铸造铝合金 铸造铝合金是直接用铸造方法浇铸或压铸成各种形状复杂的甚至是薄壁的成型件的铝 合金。合金浇注后，只需进行切削加工即可成为零件或成品。凡成分大于图1 1 中d 点的合 金，由于有共晶组织存在，其流动性较好，且高温强度也比较高，可防止热裂现象，适于铸 造。因此，大多数铸造铝合金中合金元素的含量均大于极限溶解度d 。为了综合运用热处理 强化和过剩相强化，铸造铝合金的成分都比较复杂，合金元素的种类和数量相对较多，以所 含主要合金元素为标志，铸造铝合金主要分为以下几类【4 】： ( 1 ) a 1 s i 系铸造铝合金a i s i 系铸造铝合金又称为硅铝明。该类合金含有大量的共晶 组织，含硅的共晶组织能提高强度和耐磨性，液态时有良好的流动性，是铸造铝合金中流动 性最好的。常用铝硅合金的硅含量为6 1 4 ，这种合金的流动性很好，铸件不易发生热裂， 适于铸造形状复杂的铸件。对致密性要求较高的铸件，应消除气孔或采用压力铸造。为提高 合金的力学性能，一般需要进行变质处理，以改变共晶硅的形态，使硅晶体细化、颗粒化， 从而降低片状s i 对基体的割裂作用，改善合金的强度及塑性。 ( 2 ) a 1 c u 系铸造铝合金该合金是一种比较古老的铸造铝合金，由于合金中只含有少 量的共晶体，铸造性能不好，耐蚀性也不及优质的铝硅明。目前大部分已由其他铝合金所代 替。这类合金中，z l 2 0 l 在室温下的强度、塑性较好，可用于制造在高强度或高温( 3 0 0 ) 下工作的零件；z l 2 0 2 的塑性较低，多用于高温下不受冲击的零件；z l 2 0 5 a 是一种高纯度 高强度铸造合金，是目前世界上使用强度最高的铸造合金之一，具有好的塑性、韧性和耐蚀 性能，易焊接，切削加工性能特别好，但铸造性能较差，适合砂型和熔模铸造，简单零件也 可金属型铸造，主要用作承受高载荷零件。 ( 3 ) a 1 m g 系铸造铝合金铝镁合金具有高强度和良好的耐蚀性，密度小，但铸造性和 耐热性较差。铝镁合金可进行时效强化，通常是自然时效。主要用于制造承受冲击载荷，在 腐蚀性介质中工作的零件，如舰船的配件、氨用泵体等。典型的有z l 3 0 1 。 ( 4 ) a l 。z n 系铸造铝合金铝锌合金的铸造性能好，价格便宜，经变质处理和时效强化 后强度较高，但耐蚀性差，热裂倾向大，主要用于制造汽车、拖拉机的发动机零件及形状复 杂的仪表零件，典型的有z l 4 0 2 。 随着现代工业与铸造新技术的飞速发展，对铸造铝合金的需求将会越来越大，在全球范 围内，铝铸件的产量从1 9 9 5 年的6 4 0 万吨提升到2 0 0 5 年的1 2 0 0 万吨，年增长率6 5 。而 大约有6 0 7 0 的铝铸件应用于汽车制造，使得世界铝铸件的生产和应用与汽车制造业的 发展产生了密切的联系1 5 j 。以国内汽车工业为例，从1 9 9 2 年起，汽车产量一直呈快速增长 趋势，2 0 0 1 年已经达到2 3 4 万辆，2 0 0 6 年7 2 8 万辆，2 0 0 8 年9 3 4 万辆，超越美国跃居世界 第二，到了2 0 0 9 年，我国已经成为世界最大的汽车生产国。根据预测，至2 0 1 4 年轿车中所 用的铝铸件可达到2 5 0 万吨。汽车的巨大市场需求将极大推动铝铸件的应用。 1 2 2 形变铝合金 形变铝合金与铸造铝合金的不同之处在于，形变铝合金是通过熔炼铸成铸锭后，再经过 压力加工制成板材、带材、管材、棒材、线材等半成品。因此，要求合金应具有良好的塑性 变形能力。成分在d 点左侧的合金，其组织主要为固溶体，在加热至固溶线以上温度时， 甚至可得到均匀的单相固溶体，其塑性变形能力很好，适于锻造、轧制和挤压。为了提高合 金的强度，合金中可包含有一定数量的第二相，很多合金中第二组元的含量超过了极限溶解 度d 。但当第二相是硬脆相时，第二组元的含量只允许少量超过d 点1 6 j 。 2 第一章绪论 形变铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密度，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，因此形变铝合金生产周期长、成本很高p l 。 形变铝合金按其成分和性能特点又可分为不可热处理强化的铝合金和可热处理强化的 铝合金两类。成分在f 点以左的合金，其固溶体成分不随温度而变化，不能通过时效处理来 强化合金，故称为不能热处理强化的铝合金，主要有防锈铝合金( l f ) 。成分在f 、d 之间的 合金，其固溶体的成分随温度而变化，可以进行时效处理强化合金，称为能热处理强化的铝 合金，主要有硬铝( l y ) 、超硬铝( l c ) 和锻铝( l d ) 1 6 j 。 1 3a i s i 系铸造铝合金的强化方法 a 1 s i 系铸造合金具有优异的铸造性能，良好的力学性能与物理化学性能，是研究和应 用最为广泛的铸造铝合金，占铝铸件总产量的8 5 9 0 蚶引，且适用于各种铸造方法，因而 在铸造合金中占有重要的地位，是最重要的两种铸造合金之一。 a 1 s i 二元相图如图1 2 ( a ) 所示。含s i 量在1 4 以上的合金称为过共晶类a 1 s i 合金，含s i 量在1 0 1 4 称为近共晶类a 1 s i 硅合金，含s i 量小于1 0 的称为亚共晶类a l s i 合金p j 。s i 在a 固溶体中的溶解度随温度的升高而增大：在室温时为0 0 5 ，在5 7 7 时为1 6 5 。超过溶解 度的s i 以b 相存在，d 相中仅能溶解极少量的a l ，故可以看作纯s i 。最新测得的a l - s i 合金的共 晶点为1 2 6 ，即合金在5 7 7 时发生共晶反应，生成含硅量为1 2 6 的共晶体( a + b ) 。 e i 童h tp e r c e n ts n i n 妒 三 奄 蔓 叠 昌 3 东南大学硕士学位论文 。缈 l l _ 。 d n g 商l -y a 55 9 ， i 1 8 l 1 d + 2 l l | | i 蛩s i _ 王 j i m 和s j ( 拗 ( b ) 图l - 2 ( a ) s i 二元相图；( b ) a l m & s i 伪二元相图 由于现有铸造a 1 s i 合金的综合性能还不能满足工业生产的更高要求，因此人们正从多 个不同方向对铸造a 1 s i 合金进行研究，以期在保持其优良的铸造性能( 成形性能) 的同时， 进一步提高其力学性能。近几十年来，世界各国科研人员针对a 1 s i 合金的强韧化开展了广 泛研究，主要集中在合金成分优化、熔体净化处理、晶粒细化、变质处理、改进铸造方法以 及热处理等几个方面，并从它们之间的联系来考察其对合金组织和性能的影响。 ( 1 ) 优化合金成分 在生产实践和科学研究中发现在a 1 s i 合金中，如果f e 、p 、c a 、s n 、p b 等杂质含量增 大，将使合金的性能明显降低。 f e 是a i s i 合金中的主要杂质，它主要来自炉料、坩埚和熔炼工具。在铸造a l - s i 合金 中，含f e 相硬而脆，往往以粗大的针状穿过甜a l 晶粒，大大削弱了基体，降低合金的力学 性能。为消除f e 的有害作用，可以加入微量m n 、c r 等元素。加入这些元素的作用是使粗 大的针状p f e 相变成新的复杂化合物，它们通常呈灰色、块状、杆状或团状，消除了原有 针状f e 相削弱基体的有害作用。p 、c a 会产生氧化物夹渣，而s n 、p b 产生低熔点共晶物， 对热处理不利。 ( 2 ) 熔体净化 铝合金在熔炼、浇铸过程中易于氧化、吸收气体，铝液中极易形成氧化物夹杂，在凝固 过程中易产生气孔。气体( 主要是h 2 ) 的存在使合金容易产生针孔，对合金的力学性能影响很 大，应该严格防止炉料或坩埚工具等带入水分或气体，熔炼时应彻底除气。而大量研究表明 氧化物夹杂可作为凝固过程中气孔的形核基底【l o - 1 3 】，且夹杂本身的存在也会对合金的力学性 能带来严重影响。通过合金的净化处理可以很大程度的降低气体、夹杂物的有害作用，提高 合金的性能。这里所说的合金净化，即是利用一定的物理化学原理和相应的工艺措拖，去 除金属和合金中的气体夹杂物和有害元素的过程。 一般通过三种方法来实现合金的净化：1 ) 依靠精炼剂的吸附作用达到去除合金中气体 和夹杂物的吸附净化；2 ) 借助物理过程对合金进行净化处理的物理净化；3 ) 通过过滤体捕 获夹杂物或悬浮物的过滤净化。 ( 3 ) 细化晶粒 铝合金在凝固过程中由于受有效的晶核数目限制通常晶粒粗大，这在很大程度上降低了 合金的力学性能。为了能够提高力学性能，工业上常用钛、硼、锆、钒等元素来细化合金的 晶粒。这些元素一般以它们的盐类( 如k 2 t i f 6 、k b f 4 、k 2 z r f 6 ) 或与铝制成中间合金的形 4 湖 姗 咖 啦 伽 胍 舭 啪 湖 温度一一 第一章绪论 式加入。它们与铝或合金中的其他元素作用，生成高熔点的化合物( 如1 认1 3 、z r a l 3 、a l b 2 、 t i b 2 ) 。这些化合物在合金结晶时作为外来晶核使组织得到细化。晶粒细化作用一般会因合 金长时间保温、过热、除气精炼和重熔而降低。 ( 4 ) 变质处理 s i 作为该类合金中的主要合金元素，可改善流动性、提高合金的铸造性能，降低热裂 倾向、减少缩松、提高气密性，提高制品致密度。a 1 s i 合金中s i 作为第二相，其形态对合 金力学性能产生重要的影响。未变质的共晶硅常呈粗大的长条状或针状出现，严重地影响合 金的机械性能和加工性能；在过共晶铝硅合金中，粗大的初生硅是恶化力学性能( 特别是 伸长率) 和切削加工性能的主要因素。在合金熔炼过程中常用变质处理来改善s i 相形貌以 获得性能的提高1 9 1 。 常用的变质元素有：n a ，s r ，t e ，b a ，s b 等。以s r 为例，s r 的加入量和加入温度对变 质后合金的组织，尤其是共晶硅的形态产生很大的影响。随s r 加入量的增加，共晶硅的形 态由片状到针片状加纤维状到细小纤维状变化，而且纤维状共晶硅越来越细小；随加入温度 的提高，共晶s i 组织逐渐均匀、细化，但存在一个最佳处理温度值。另外，随s r 加入量的 增加，共晶硅细化的同时，合金中开始形成含锶化合物，影响合金的塑性。 变质处理的效果一般受变质剂种类，变质剂用量、变质剂加入温度和保温时间等因素影 响。 ( 5 ) 改进铸造方法 通过采用新的铸造方法改善合金性能的途径有很多。除了加速冷却( 如采用金属型、石 墨型等) 、超声波或电磁振动结晶法以细化晶粒、减少针孔外，还可以采用压力下结晶，不 但能细化晶粒，还能使晶粒的位错密度增大，可以大幅度提高合金的力学性能。此外，还有 定向凝固铸造法，使液态合金单向凝固，获得柱状的纤维组织，这种各向异性的结构可以消 除或减少横穿应力方向的晶界。 ( 6 ) 合金化及热处理 由图1 2 ( a ) 可知，硅在铝中的溶解度随着温度的下降而降低，在理论上可以进行淬火处 理强化，但是淬火后硅很快地凝聚成粗大的颗粒而失去强化作用【9 l 。在a 1 s i 合金中加入 m g 、c u 、z n 及其他强化元素可组成多元合金，这些合金元素能够不同程度地溶入a 固溶体 中，使固溶体结构复杂化，但这种固溶强化对合金力学性能的贡献不大。在a 1 s i 合金中加 入合金元素的主要目的是利用合金元素与a l 或s i 形成的p ( m s i ) 、e ( c u a l 2 ) 、1 1 ( m g z n 2 ) 、 s ( a 1 2 c u m g ) 、w ( a 1 4 m 9 5 c u 4 s i 4 ) 、q ( a 1 5 m 凰c u 2 s i 6 ) 等强化相【5 1 4 j ，它们在a 固溶体中的溶解 度随温度的下降而显著降低。这些强化相在固溶过程中会溶解到a 固溶体中，并在随后的时 效过程中呈大量细小弥散相粒子析出，从而产生强化，这就是时效析出硬化。m g 、c u 、z n 等合金元素的加入使铸造a 1 s i 合金转为可热处理强化型合金。本文所要研究的a 1 s i m g 合金是在铸造a 1 s i 合金中再加入m g 而构成的。a 1 m s i 伪二元截面图( 图1 2 ( b ) ) 将三元 状态图分成两部分形成两个派生的合金系：1 ) a l - a 1 3 m 勘m s i 系：三元共晶成分为6 5 2 5 a l 、3 4 m g 、o 7 5 s i ，在4 4 8 按下式发生共晶转变：液相营n 1 3 m 勖+ m 9 2 s i ；2 ) a i m 9 2 s i s i 系：三元共晶成分为：1 2 7 s i ，4 9 7 m g ，其余为a l ，在5 5 8 时按下式发 生共晶转变：液相叶m s i + s i 。在含m g 的铸造a 1 s i 合金中都含有较高的s i 和较低的 m g ，故均属于第二个派生系【9 1 。m g 与s i 化合生成m s i 。由图1 2 ( b ) 可知，m s i 在a - 固 溶体中的溶解度在5 8 5 时达到1 8 5 ，并随温度的下降而显著降低，这就为p ( m s i ) 在时 效过程中从淬火得到的过饱和固溶体中的脱溶析出创造了条件。 5 东南大学硕士学位论文 1 4p ( m 9 2 s i ) 析出研究进展 1 4 1 一般析出序列 普遍认为：铝合金中固溶的p ( m 9 2