合金成分与冷却速率对ALCUSI凝固路径的影响

1、合金成分与冷却速率对alcusi凝固路径的影响摘 要大多数的工程结构材料都是多元多相合金，并且大都经历非平衡的枝晶凝固。在这些材料的凝固过程中，由于合金成分及凝固条件的不同，会导致合金的凝固路径(包括相组织组成及含量)产生很大的区别。从而影响合金材料/铸件的机械性能。深刻认识多元合金的凝固过程，可以加深对合金凝固行为的理解，这对于凝固过程的优化、微观组织的控制以及材料性能的提高等也具有重要的意义。本题目选取不同成分的al-cu-si合金在不同的条件下进行凝固实验，研究合金成分及凝固速率对al-cu-si合金凝固路径及组织组成的影响。从而进行分析凝固组织的性能。实际工程应用中的合金绝大多数为多元

2、多相合金，建立描述多元多相合金的微观偏析模型，进而对多元多相体系的凝固行为和组织进行计算预测具有重要的理论和工程价值。相图所提供的热力学参数是微观偏析计算中的必需条件，但对于多元合金体系，往往没有可供参考的相图。本文绘制了al-cu-si合金的合金位置图、二次枝晶间距与冷速关系图、共晶相对含量与冷速的关系图，其有利于分析冷速对组织形貌的影响、冷速对二次枝晶间距的影响、冷速对共晶相对含量的影响、冷速对凝固路径的影响，以及在不同合金成分下对上述各种情况的影响。同时，其样品经过实验之后的铸锭可以通过电镜观看其组织，还可以得到能谱和冷却曲线。在al-cu-si三元体系的富铝角选取了三种成分的合金，分别

3、在三种不同冷却速度下进行凝固实验。根据凝固冷却曲线和凝固组织金相分析，确定了各实验条件下的凝固路径；测量了平均凝固速度和二次枝晶间距，基于这些实验参数，用所编制的程序计算了各实验条件下的凝固路径，与实验结果进行了对比分析。关键词：多元多相合金，凝固速率，合金成分，凝固路径，凝固组织，冷却曲线。abstract most of the engineering structure materials are multiple multiphase alloy, and most are experienced imbalance branch crystal solidification .in

4、the coagulation process of these materials ,the alloy component and solidification condition is different, which leads to alloy solidification path (including phase composition and content organization) is difference from each other.thus influence alloy material/casting mechanical properties. profou

5、nd understanding of the multielement alloy solidification process, can deepen our understanding of the alloy solidification behavior ,this is very significant to the solidification process of optimization, microstructure and the control of the improvement of the performance of the material . this su

6、bject chooses different components of the al-cu-si alloy in different under the condition of the solidification to reserch the alloy component and solidification rate on the influence of olidification path and organization of the al-cu-si alloys. thus we can analysis performance of the solidified st

7、ructurethe actual engineering application of alloy most for multiple multiphase alloy, establishes a description of the alloy multiple multiphase micro segregation model, and the system of multiple multiphase solidification behavior and organization is important to theoretical and engineering value.

8、 the phase diagram provided the thermodynamic parameters is microscopic segregation in the calculation of the necessary conditions, but the multiple alloy systems often do not have the phase diagram for reference. this paper of drawing the al-cu-si alloy alloy locations, secondary branch space and t

9、he cold speed crystal relationship chart, eutectic relative content and cold velocity relationship chart, the analysis to the cold speed on the morphology of organization, the influence of cold speed on secondary branch spacing, influence of crystal cold speed on the relative contents of eutectic, c

10、old speed on the influence of solidification path, and the influence of the alloy component in different for all of those under the influence of the situation.in the al-cu-si three ingredient system of aluminum angle on the rich three components of the alloy, the solidification experiments are under

11、 three different cooling speed . according to the solidification cooling curve and solidification organization metallographic analysis, we can identify various experimental conditions of solidification path; measuring the average speed and secondary branch solidification crystal spacing, based on th

12、ese experimental parameters, and the experimental results are compared analysis by using the program calculation each experimental conditions of solidification path .目录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外的研究现状和发展趋势2 1.3 1.3.11.4 本文主要研究内容11第2章 实验研究方法122.1 实验步骤122.2 合金的熔配、浇注及温度数据采集122.2.1 合金成分的选择

13、122.2.2 铸型132.2.3 测温装置142.2.4 熔配及浇注152.3 浇注试样凝固组织实验分析162.4 温度采集数据处理172.5 浇注试样热处理182.5.1 各组浇注试样的封装182.5.2 热处理温度的确定192.5.3 试样热处理202.6 热处理试样凝固组织实验分析202.7 本章小结22第3章 实验结果243.1 引言243.2 三元合金相图分类243.2.1 匀晶-共晶-包晶三元合金系统243.2.2 匀晶-匀晶-匀晶三元合金系统263.2.3 匀晶-匀晶-包晶三元合金系统263.2.4 匀晶-匀晶-共晶三元合金系统283.2.5 共晶-共晶-共晶三元合金系统283

14、.2.6 共晶-共晶-包晶三元合金系统303.2.7 共晶-共晶-匀晶三元合金系统303.2.8 包晶-包晶-包晶三元合金系统323.2.9 包晶-包晶-共晶三元合金系统323.2.10 包晶-包晶-匀晶三元合金系统343.3本章小结34第4章 实验结果的分析374.1引言374.2 a组试样凝固组织实验分析384.3 b1组试样凝固组织实验分析414.4 b2组试样凝固组织实验分析414.5 c1组试样凝固组织实验分析454.6 c2组试样凝固组织实验分析484.7 本章小结51结 论53致 谢54参考文献55第1章 绪论1.1本文研究的目的和意义物质在一定的温度和气压下从液相转化成固相，而

15、化学成分不发生改变的现象称为凝固。它是一种常见的物理现象，在日常生活和机械工程技术中极为常见，在合金材料的制备和液态成型中担当着极为重要的角色。凝固做为材料由液态成型为固态的科学和技术，在铸造业中应用较为广泛，而铸造业是机械工业与装备制造业的基石。我国铸件总产量在全世界占主导地位，是个实实在在的铸造大国，但由于铸造技术还较为落后，而并不是铸造强国。当代世界经济挑战与机遇并存，研究能提高铸件性能的方法和措施，已经迫在眉睫。因此，在此处选择了在日常社生活中较为常用的铝合金为例进行探讨这方面的问题。al-cu-si合金是重要的工业合金之一，al-cu-si具有优异的铸造性能，良好的力学性能和物理性能

16、。它是研究和应用最为广泛的铸造铝合金，占铝铸件的很大部分，适用于各种铸造方法。硅作为该类合金的主要合金元素，可提高合金的铸造性能，改善流动性，降低热裂倾向，减少缩松，提高气密性，可获得组织致密的铸件，使合金具有良好的抗蚀性，强度适中。而铜可以使al-cu-si合金具有很高的室温和高温力学性能。铜和硅虽然可以大大改善铝合金的各方面的性能特性，但同时可以降低合金的塑性。al-cu-si合金的机械性能与铜硅的形态，含量以及分布紧密相关，改变共晶铜和共晶硅的形态，减少其对合金的削弱作用，是合金机械性能或得全面提高的有效途径。因此研究合金成分即铜硅在铝合金的含量尤为重要，对改善合金的机械性能起着不可替代

17、的作用。因此，我们可以通过控制合金成分对合金实行凝固试验，研究合金成分对al-cu-si合金凝固路径的影响。与此同时，影响合金的铸造的性能的另外一个因素是冷却速率。冷却速率是决定铸造合金凝固组织的关键因素特别是对于多元多项合金，冷却速率不仅决定着凝固组织形态，而且对相的析出次序、种类以及数量具有极其重要的影响，在实际铸造生产中，铸型的形状和铸造方法影响着逐渐的冷却速率。有利于解释同一成分合金在不同铸件结构和冷却条件下的微观组织及性能影响。所以，正确的理解冷却速率对合金凝固组织和析出相的影响，能够使我们有选择性地进行控制，从而达到控制铸件力学性能的目的。我们可以通过控制冷却速率对合金实行凝固试验

18、，研究冷却速率对al-cu-si合金凝固路径的影响。铸造铝合金具有密度小、比强度高等优点，并有良好的抗蚀性和铸造工艺性，可进行各种成型铸造。由于铝合金的熔点较低，熔炼工艺和设备都比较简单，因此铝合金铸件在航空、一般机械制造及仪表等工业部门均得到相当广泛的应用，如高级轿车的轮毂，汽车车身铝合金板等。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造铝合金需求量越来越大。例如，80年代末到90年代初，在铸件总量停滞甚至下降的时候，日本的铝铸件产量一直保持着年递增10%左右的高增长率。又以汽车工业为例，由于要降低能耗，汽车需减重，各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。到2001年,小汽车总重降低为800 kg

19、，其中钢铁零部件为200 kg，铝合金零部件为275 kg，镁合金将增为40 kg。铝合金的广泛应用和广阔的前景，使得近来年对于铝合金的研究一直没有间断，也取得了很大的发展。但是，随着现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性等要求越来越高，同时对合金综合性能和特种性能的要求也不断提高，开发研制新合金以满足各种需要即成为必须。因此对多元铝合金的研究具有重要的理论和工程价值，而铝合金铸造以及铝合金的结晶行为和凝固组织的预测则显得更为重要。凝固过程研究的主要任务是揭示液固相变过程中相的选择、组织形态的形成、溶质再分配及各种凝固缺陷的形成与控制原理。在过去的数十年中，针对二元合金凝固理论的研究取得了很大

20、进展，极大地促进了铸造等工艺与凝固相关的工业技术的进步。同时，以凝固过程为基础，发展出一系列先进的材料加工技术，如快速凝固，定向凝固，半固态成形等。凝固技术也己成为新材料研制的重要方法，如金属基复合材料、金属玻璃、纳米材料等的诞生和发展无不得益于凝固技术的进步。自二十世纪五十年代以来，在现代科学基础上的研究进展很快，己形成一个理论体系，即凝固理论。科学研究和生产实践中应用的金属材料，大多数为三种组元或更多种组元组成的合金。解决这类材料凝固过程的组织控制问题对大量实际工程材料性能控制的提高至关重要7。合金的化学成分是决定凝固组织、成分分布及相构成倾向的首要因素。不同成分的合金有不同的凝固特性。人

21、们通过长期的实验和理论研究，获得大的相图。依据相图可以对不同成分合金的凝固特性进行预测。多元合金凝固过程要比二元合金复杂得多，并且除部分三元系有相图可以借鉴外，其它多元合金系均无成熟的相图。典型三元相图的液相面形状决定了合金的凝固次序8。三元相图的三个边是由二元相图构成的，基于此，本文第三章着重对三元合金相图进行了细致的分类，将三种典型的二元合金相图进行组合绘制出相应的三元相图。3 国内外的研究现状和发展趋势 目前在世界范围内，铸造生产工艺已经比较成熟，合金的铸造的装备水平和方法也有了长足的进步。从合金熔化的基本工艺到液态材料凝固成型工艺都有一定水平。目前，国内外的研究方法都发生了一定的变化，

22、不再是曾经单纯的实验室方法，而转向了对材料制备及加工过程进行计算机模拟与仿真与模型化，是改造传统的铸造行业并提高产业竞争的必由之路。很多国家对铸造过程的计算机数值模拟进行了深入研究，也开发了很多在工业领域内广泛应用的系统。这使得不少研究人员转向更微观组织性能的研究，通过控制合金成分以及冷却速率对材料进行实验。 据我们所知，虽然我国在世界上是铸造大国，但并非是铸造强国。我国铸造业工作虽然已经有了明显的进步，但由于各种技术起步较晚，所以发展较落后，还得继续努力不断开拓改进。目前，我国有很多的专业研究人员对此进行了研究，通过用不同的方法以及控制不同的参数进行了大量的实验，分析合金的显微组织，其包括各

23、种相的含量，相得组成，相的外观形貌，相的枝晶间距及其二次枝晶间距等。 1.2.1 多元铝合金的凝固原理利用相图研究多元合金系的凝固。多元合金凝固过程要比二元合金复杂得多，并且除部分三元系有相图可以借鉴外，其它多元合金系均无成熟的相图。正是从三元相图出发，人们针对所感兴趣的相析出规律和溶质再分配作了些分析。典型三元相图的液相面形状决定了合金的凝固次序8。三元相图的三个边是由二元相图构成的。成分位于液相面特殊点(多相反应点)上的合金在平衡凝固过程中将会发生两个以上的相同时析出的情况，并且凝固在恒定的温度下进行。而成分位于“线”上的合金也将发生多相凝固，其凝固方式与二元合金多相凝固的情况相似，但析出

24、固相和剩余液相的成分是变化的。其中剩余液相的成分将沿所在线自高温向低温方向进行。除了这些特殊的点和线外，其他成分的合金在凝固初期将首先发生单相凝固，直至液相成分达到一些特殊的点或线为止。对于给定的合金，平衡凝固过程液相和固相成分变化的路径是确定的。可从三元相图的纵切面上获得伪二元相图。常用的伪二元相图是通过三元相图的一角或平行于一边的。由伪二元相图不能确定析出相的成分，但可得出不同温度下析出相的种类和相析出的次序。利用相图，可以了解材料的成分、相组成与温度的变化关系，预测材料的组织与性能，进而正确制订各种热加工铸、锻、焊、烧结及热处理工艺，并进行新材料的设计。1.4 本文主要完成的工作 本文主

25、要研究不同的冷却速率对三元铝合金的凝固路径的影响，以及不同的合金成分对三元铝合金的凝固路径的影响。材料的性能取决于组织，而组织则取决于合金成分及加工条件，冷却速度对合金凝固组织的影响很多，直接影响相种类及其含量；尽管二元合金的现代凝固理论研究已经取得了一定的进步，但人们对工业上最有发展空间的多元合金系均无成熟的研究，因此本文对三元合金进行了一定的研究。本论文需要的完成的具体工作如下：（1）不同成分的三元铝合金的熔配及在不同冷却能力的铸型中的浇铸实验。 （2）对浇铸试样显微组织进行观察分析，包括电镜观察、定量金相分析，各个相种类的鉴定及其相对含量的确定。（3）根据实验结果确定能谱曲线，冷却曲线。

26、（4）分析冷速对组织形貌的影响，冷速对二次枝晶间距的影响，冷速对共晶相对含量的影响，以及对凝固路径的分析。（5）根据实验结果利用oringin软件绘制合金位置图，二次枝晶间距与冷速的关系图，共晶相对含量与冷速的关系图。第2章 实验研究方法和实验设备2.1 引言由于冷却速率和合金成分是影响凝固路径的两个重要因素。因此本次实验围绕这两个因素进行了一系列的实验，进行研究相关试样的组织形貌。由于冷速速率是影响合金凝固路径的一个重要因素。本章选取al-cu-si三元合金体系的多个合金成分，进行了一系列不同冷速的凝固实验，并定性定量统计分析了实验结果。利用目前的三元合金微观偏析数值微分模型及凝固路径算法，

27、对所选合金在实验条件下进行了凝固路径模拟计算，并与实验结果进了详细的对比分析。另外，由于本文实验得到了同一合金不同冷速的凝固组织，除了可用于分析冷速对凝固路径及凝固组织的影响外，还选取了不同成分的合金，在同一铸型中进行冷却，然后研究其组织。即在同一冷却速度下，观察不同成分的合金的形貌组织，用于分析合金成分对凝固路径及凝固组织的影响。（1） 实验材料的选取 铝合金应用广泛且较为常见为三相共晶凝固，故本次选取al-cu-si合金体系为基础。由此合金体系富铝角的液相面投影图，可以看到该合金体系富铝角时一个典型的三元共晶合金。为了能系统研究该合金体系不同成分的凝固行为，本次研究共选取了多个实验成分。如

28、绪论中所述，al合金应用广泛且较常见为三相共晶凝固，如a319等牌号合金就分别以al-cu-si体系为基础。本文选取al-cu-si合金体系进行实验研究与验证，图4-1(a)所示为al-cu-si合金体系富铝角的液相面投影图，可以看到该合金系富al角是一个典型的三元共晶合金。为了能系统研究该合金系不同成分的凝固行为，并验证上一章提出的模型和算法的准确性，本文共选取了六个实验成分，分别分布在al-cu-si合金富al角的不同区域：合金a、b远离共晶沟与三元共晶点，合金c、f接近(l+si)共晶沟，合金d、e接近(l+)共晶沟。六个实验成分在图4-1(a)中用菱形符号标出。另外，为了更加系统研究该

29、合金的凝固路径，本文另外选取了四个只进行计算的合金成分：g、h、i、j，在图4-1(a)中用圆圈符号标出。这四个合金的成分及计算所用参数会在下文详细给出。（2） 实验设备实验用合金采用工业纯铝、纯铜以及al-si等中间产物配制，在石墨坩埚电炉中熔炼。为了保证同一成分各个式样的成分一致u，浇铸之前在坩埚中用石墨棒对合金液进行了搅拌。通过选取不同的铸型材料：石墨、水玻璃砂、硅酸铝绝热纤维棉，获取了三种不同的冷却速率。实图4-2(a)所示为铸型的尺寸、热电偶以及取样位置示意图，图4-2(b)为安装好测温热电偶的三种不同材质的铸型实物图，从右到左依次为：石墨型、砂型、硅酸铝绝热纤维棉型(以下简称保温型

30、)。实验时，为防止纤维棉与金属液发生反应，在保温铸型型腔表面涂刷zno与硅酸钠配置的涂料。为了获得不同的冷却速度，实验中选取了三种导热能力不同的材质制作铸型，分别为石墨型、砂型、保温型。三种铸型材质的冷却能力不同，互相差10倍左右，其中石墨型导热能力最强，砂型次之，保温型最差，因此三种铸型中会产生三种不同的冷却速度。铸型实物如图2-1，尺寸见图2-2。石墨型保温型砂型图2-1本文浇注实验所用的三种不同材质的铸型实物图2.2.3测温装置为测定各种材质铸型中式样的凝固速度，使用k型热电偶测定各式样的冷却曲线。使用实验室设计安装的八通道数据计算机采集系统(econ系列)进行温度数据采集。实验进行时，

31、将热电偶顶端放置在型腔中央距离铸型顶面25mm，具体位置如图2-2。如图2-3为安装好测温热电偶的铸型装置。本文中，测温所使用的8通道温度数据计算机采集系统主要由以下仪器设备组成：8组w3re-w25re热电偶(包括热电偶及补偿导线)，8个wp-9000系列直流信号转换器，一个dt9812-2.5v型测温模块，计算机采集软件及若干数据线。连接的顺序是：热电偶补偿导线直流信号转换器测温模块计算机。其中，w3re-w25re热电偶使用温度为02300度。其原理如图2-4。图2-3 安置好测温热电偶的三种不同材质的铸型a为了测定各种材质铸型中试样的凝固速度，利用自制的温度采集设备使用k 型热电偶来记

32、录冷却曲线。图4-3是带通讯模块的汇邦xjy-160巡检仪模块的面板，该模块具有16个通道，可以测量16个点的温度。另外该模块每秒钟可以巡检20个通道，并具有通讯功能，即可以实时的把巡检到的温度通过com串口传输到计算机上。本文通过组态王软件编写了基于对象的温度采集用户程序，控制采温设备并把记录的温度存储到计算机硬盘上。实验前，对热电偶进行标定。实验进行时，将热电偶顶端放置在型腔中央距离铸型顶面25mm处。温度采集完成后，通过origin 8.0软件处理记录的时间与温度值，得到各试样的冷却曲线，处理过程考虑了热电偶的冷端温度补偿和误差标定。图4-3 带通讯的汇邦xjy-160巡检仪模块fig.

33、 4-3 “huibang xjy-160” temperature detection apparatus with communication function图4-4(a)以合金f为例给出三种不同材质铸型得到的三元铝合金铸锭实物，从左至右对应铸型分别为石墨型、砂型和保温型。可以看到石墨型试样的表面质量最好，砂型次之，保温型最差。沿热电偶所在纵截面将试棒从中间剖开，以热电偶顶端所在点为中心取边长为12mm的正方形，如图4-4(b)所示。正方形区域为取样位置，正方形中心为热电偶测温位置。沿该正方形切割成试样毛坯，经打磨、抛光，制备成所需试样，不经腐蚀于扫描电镜下观察。 a) 三元铝合金铸锭

34、b) 电镜试样取样位置a) castings of ternary al alloys b) position of the sem samples图4-4 三种不同铸型中凝固的三元铝合金铸锭及电镜试样取样位置fig. 4-4 castings of ternary al alloys solidified in three different molds and the position of the2.1 实验步骤根据本文的研究内容，制定如下5个步骤：（1）合金的熔配、浇注及温度数据采集；使用设备及方法：井式熔化炉、8通道温度数据采集系统、三种不同材质的铸型：石墨型、砂型和保温铸型。目的：

35、选择三种三元铝合金，将相同成分的合金浇入冷却能力不同的铸型中，以研究冷却速度对合金凝固组织的影响。同时，将三种成分各不相同的合金浇入冷却能力的铸型中，以研究合金成分对合金凝固路径和组织的影响。（3）浇注试样凝固组织实验分析；使用设备及方法：扫描电镜、定量金相分析目的：分析冷却速度对三元铝合金凝固组织的影响。实验结果及分析1 合金成分测定 从同成分不同冷却速度得到的试样上钻屑，并交给权威的研究所金属材料实验室进行成分检测。 2 凝固冷却曲线 由模拟软件得出相应的冷却曲线。然后对比同族合金个式样在不同铸型中的冷却曲线，得到相应的结论。由于同一成分三元合金三相共晶温度是唯一的，因此结合保温型与砂型式样的平台结晶度，就可以得出该冷却方式下的凝固时间，从而计算出平均凝固速率。 3 凝固相的确定 对于三元al-cu-si合金