Cu含量对铝硅合金热暴露后显微组织和拉伸性能的影响_百

1、第31卷第3期西 安 工 业 大 学 学 报V ol. 31N o. 32011年06月Jour nal of X i an T echno log ical U niversity Jun. 2011文章编号: 1673 9965(2011 03 245 06Cu 含量对铝硅合金热暴露后显微组织和拉伸性能的影响*郭永春, 卢致宇, 杨通, 杨忠, 夏峰, 李建平(西安工业大学材料与化工学院, 西安710032摘 要: 针对于我国多种柴油机缸盖和机体所使用的ZL702A 合金在高温工作过程中经常出现过早失效的情况, 对A l 7Si x Cu 0. 3M g 0. 3Zn(x w (cu =1

2、. 5, 2. 5, 3. 5% 合金分别在200 和250 进行了01000h 恒温处理试验(热暴露 , 测试了合金热暴露后其室温拉伸性能随时间的变化规律, 采用光学金相显微镜、透射电子显微镜观察了合金显微组织的变化, 综合分析了不同Cu 含量对合金热稳定性的影响规律. 随着热暴露时间延长抗拉强度快速下降, 后期趋于稳定, 延伸率先缓慢上升, 后保持不变; 随着热暴露温度的提高, 合金的力学性能变化速度加快. 随着Cu 含量的增加, 合金热暴露后的抗拉强度逐渐增大, 塑性逐步降低; TEM 分析可知, 热暴露后该合金强度下降是由富铜相经过 的转变, 使得合金中的强化相完全析出、粗化所致.关键

3、词: 铸造铝合金; Al Si Cu M g 合金; 力学性能; 热曝露中图号: T G146. 2 文献标志码: A Al Si Cu M g 系合金是铸造铝合金材料的重要合金系, 由于其具有良好的铸造性能、耐热性能和综合力学性能, 成为制造业中非常受重视的结构材料之一.随着近年来发动机朝向大型化、高功率化、轻量化的方向发展, 发动机燃烧室零部件所受的工作条件越来越苛刻, 发动机材料长期在高温环境下工作, 材料的性能会产生很大改变. 我国多种柴油机缸盖和机体所用的ZL702A 合金属于该合金系. 随着大功率柴油机和高功率密度柴油机的不断发展, 该合金的性能已不能满足使用需求. 目前人们对适用

4、于发动机缸盖的新型高强韧铝合金材料在成分设计、加工工艺和热处理工艺方面给予了较多的研究, 但对于Cu 含量不同的材料在长期热暴露条件下组织与性能的变化缺乏系统的了解, 文中将针对该新型高强韧铝合金材料在这些方面进行实验和理论分析.2 311 试验过程及方法实验用材料成分配比见表1, Cu 的质量百分含量x =1. 5%, 2. 5%, 3. 5%, 工艺流程如图1所示.表1 实验材料成分配比T ab. 1 Chemical composit ions of the alloy 合金元素w 含量/%Si 7Cu xM g 0. 3T i 0. 2M n 0. 2ZnA l0. 3余量用Al 10

5、Sr 作变质剂, 加入量为合金液总量的0. 3%(w ; 采用Al 5Ti 1B 中间合金作为晶粒细化剂, 加入量为合金液总量的4. 0%(w ; 精炼采用工业C 2Cl 6, 加入量为合金液总量的0. 40. 6%(w .采用金属型铸造, 金属型预热温度为250 . 采用二级固溶加时效(T6 处理4 5, 其工艺为5004h+520 12h, 6080 水淬; 时效处理工艺为175 6h, 空冷. 热暴露温度为200 和*收稿日期:2011 03 03, , .246西 安 工 业 大 学 学 报 第31卷250 , 保温时间分别为0h, 25h, 50h, 75h, 100h, 250h,

6、 500h 和1000h. 对不同热暴露处理的合金试样进行室温拉伸和T EM 分析 .图1 合金熔炼工艺图F ig. 1 M elting pr ocess o f the testing alloy2 实验结果及讨论2. 1 Cu 含量对热暴露A l 7Si 0. 3M g 合金的室温拉伸性能的影响 A l 7Si 1. 5Cu 0. 3M g 、Al 7Si 2. 5Cu 0. 3Mg 、Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 三种合金在200 、250 热暴露抗拉强度与时间的关系曲线如图2所示, 随着热暴露时间的延长, 合金的抗拉强逐渐降低, 前期抗拉强度降低最的快, 随着热暴露时间

7、继续延长时, 强度变化减慢, 后期曲线几乎水平, 基本趋于平稳. 在同一热暴露时间下, 随着铜含量的增加, 材料抗拉强度呈上升趋势, 但当经过热暴露后Al 7Si 3. 5Cu 0. 3Mg 合金和Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金的力学性能基本接近, 如在200 下热暴露达500h 小时时, A l 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金的抗拉强度为212Mpa, 而Al 7Si 2. 5Cu 0. 3Mg 合金的抗拉强度在207Mpa. 而Al 7Si 1. 5Cu 0. 3Mg 合金在热暴露后的力学性能较前两者偏低较多 .图2 合金经过不同温度热暴露后抗拉强度与热暴露时

8、间关系F ig. 2 T he r elationship between tensile streng th and ex posure time o f the allo y at differ ent ex po sur e temper atures合金在200 、250 热暴露延伸率与时间的关系曲线如图3所示. 由图3可以看出随着热暴露时间延长, 相应的延伸率均提高, 且在100h 内迅速增加, 100h 后延伸率变化趋于平缓. 0h 时, 合金的延伸率最低, Al 7Si 1. 5Cu 0. 3Mg 合金延伸率为3. 68%, Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金延伸率

9、为2. 5%, Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金延伸率为2. 2%.在200 下热暴露时间为100h 时, A l 7Si 1. 5Cu 0. 3M g 合金延伸率提高到4. 25%, Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金延伸率提高到3. 50%, Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金延伸率提高到2. 65%, 高温热暴露时间在100500h 时, 延伸率的大小有较小的波动, 当热暴露时间在5001000h 时延伸率变化基本趋于稳定. 三种材料对比看Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金整体延伸率最差, Al 7Si 1. 5Cu 0. 3M

10、g 合金整体延伸率最好. 可见, 随着铜含量的增加, 材料的延伸率呈现下降的趋势6.2. 2 热暴露后合金的金相组织分析Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金经不同热暴露时间(0h 、500h 后的光学金相组织照片如图4所示; Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金经不同热暴露时间(0h, 500h 后的光学金相组织照片如图5所示. 随着热暴露时间的延长, 两种合金的组织无明显变化, 共晶硅较均匀分布于基体中. 因此, 热暴露时间对合金的光学金相组织没有较大的影响. 但两种合金,第3期 郭永春等:Cu 含量对铝硅合金热暴露后显微组织和拉伸性能的影响247了变化. 对比图4与

11、图5, 随着Cu 含量的增加, A l Si Cu Mg 系合金的金相组织也无明显变化, 但合金的力学性能却又较大变化, 由此推断合金的相结构也发生了变化 .图3 合金不同温度热暴露后伸长率与热暴露时间的关系F ig. 3 T he r elationship between elo ng atio n percentage and ex posure time of a lloy at differ ent ex posur e temper atures图4 A l 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金200 热暴露后的光学金相组织F ig. 4 M etallurg ical st

12、r ucture of Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g allo y after thermal ex posure at 200 图5 A l 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金250 热暴露后的光学金相组织F ig. 5 M etallurg ical str ucture of Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g allo y after thermal ex posure at 2502. 3 合金相结构分析Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金不同热暴露时间的TEM 照片如图6所示. 热暴露前合金中富铜相主要为针棒状 ; 300h ,合金中富铜相

13、主要为近似球状 相, 有少量板片状相存在, 针棒状 相已经不存在, 而且 相已经长大; 热暴露500h 后, 合金中富铜相全部为近似球状 相, 而且 相已经非常粗大7.248西 安 工 业 大 学 学 报 第31卷Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金和Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金在热暴露前的TEM 照片如图7所示,Al 7Si 3. 5Cu 0. 3Mg 合金中有大量针棒状 相, 尺寸在1020 m 之间; 而Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g合金也为针棒状 相, 但数量很少8. 从析出相形貌可以看出Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金弥散强

14、化和空位贫化更明显, 导致Al 7Si 3. 5Cu 0. 3Mg 合金的强度高于Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金. Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金和Al 7Si 3. 5Cu 0. 3Mg 合金在200 热暴露250h 的T EM 照片如图8所示 .图6 A l 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金经不同热暴露时间后的T EM 照片F ig. 6 T EM micr ostructure of A l 7Si 2. 5Cu 0. 3M g allo y after differ ent ex posure time图7 热暴露前合金的T EM 照片Fi

15、g. 7 T EM m icrostr ucture o f the alloy befor e thermal ex posure图8 经250h 热暴露后合金的T EM 照片Fig. 8 T EM micr ostructure of t he allo y after ther mal ex po sur e at 250从图中可以观察到Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金中有析出大量近似球状 相, 尺寸在0. 20. 4 m第3期 郭永春等:Cu 含量对铝硅合金热暴露后显微组织和拉伸性能的影响249之间; 而Al 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金也为近似球状 相,

16、 但数量少且比Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金中的 相大, 大约在0. 5 0. 8 m 之间, A l 7Si 3. 5Cu 0. 3M g 合金热暴露后析出相比较粗大9. 2. 4 分析与讨论Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金经过常规的热处理后, 相经过GP 区过度形成大量的且细小弥散的相和 相, 相与铝母体保持共格关系, 其空位浓度较低, 在其周围也形成强内应力场, 大量的细小弥散的 相和 相阻碍了位错线的运动形成, 故合金的力学性能较好, 所以热暴露前合金具有较高的强度10. 随着热暴露时间的延长, 富铜相逐渐粗化, 富铜相的长大需要消耗溶质原子, 当晶界

17、附近固溶于基体中的溶质原子耗尽之后, 只有通过晶界附近富铜相的重新溶解来补充溶质原子. 随着富铜相的不断长大, 晶界附近的亚稳相逐步溶解. 相析出, 形成与母体保持半共格关系的 相, 形成后很快粗化到位错线可以绕过的尺寸, 半共格关系也很快被破坏, 析出 相. 热暴露300h 后, 合金中富铜相主要为近似球状 相, 合金中处于亚稳态的相向 相转变, 合金中具有较高的空位浓度, 使得合金强度下降11 12. 随着热暴露时间的延长, 相又完全转变为稳定相 , 因此合金性能逐渐稳定, 最后趋于平衡. 因此, 富铜相的析出、长大和粗化使空位浓度提高造成了合金抗拉强度下降.1998, 26(5 :1.Z

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19、. L ig ht A lloy F abrication T echnolog y, 2005, 33(12 :1. (in Chinese3 H ans J. Casting N onferr ous Allo ys in M etal M oldsand D iesJ.F oundr y M anag ement and T echno lo gy , 1996(7 :22.4 张伟, 杨通, 李建平, 等. 铸造Al 7Si 2. 5Cu 0. 5M g 合金分级热处理工艺及对力学性能的影响J.铸造技术, 2007, 28(12 :1631.ZHA N G W ei, Y A NG T

20、 ong, L I Jian ping, et a l. M ulti Stag e Heat T reatment Pr ocess and Effect on the M e chanical Pr operties of Cast A l 7Si 2. 5Cu 0. 5M g A l loyJ. F oundr y T echno lo gy , 2007, 28(12 :1631.(in Chinese理J. 金属热处理, 1998, 39(8 :8.LI De cheng, L I Yu sheng. So lution T reatment of H ig h Strength C

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23、O Jing jie, JIA Jun. Pr ecipitated P hases o f A 357A lloy Refined w ith T iJ.A cta M et allurg ical Sinica, 2000, 36(1 :17. (in Chinese 9 G arcia Celis A , Co las R. A g ing in Heat T r eat ment7 L I Run xia, L I Rong de. Effect o f Heat T reatment o n 6 夏卿坤, 刘志义, 李云涛, 等. A l Cu M g A g Zr 合金高5 李德成

24、, 李玉胜. 高强度铸造铝合金ZL 107A 固溶处3 结论1 随着Cu 含量的增加, 热暴露后Al 7Si x Cu0. 3Mg 合金的抗拉强度逐渐增大, 韧性逐渐降低; 随着热暴露时间延长, 合金抗拉强度变化趋势基本相同, 其前期强度下降较快, 后期变化趋于稳定, 延伸率平缓上升, 最后基本稳定不变, 经200 热暴露后合金的室温力学性能高于250 热暴露合金;2 Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 合金, 随着试验温度的提高, 材料强度降低, 塑性提高. 经200 热暴露后的合金室温力学性能较250 高, 且强度衰退较小. 因而, Al 7Si 2. 5Cu 0. 3M g 0.

25、 3M n 合金更适合在200 长期工作;3 Al Si Cu M g 系合金在热曝露过程中, 富铜相经过 的转变过程. 随后富铜相粗化, 致使合金的强度下降. 参考文献:1J.,250 ( 5 : 372. 10 西 安 工 业 大 学 学 报 第 31 卷 A lloy s U sing Calo rimet ry J . M ateria ls Character izat ion, 2002, 48( 7 : 371. 12 Ov ono D, Ovo no I, Guillo t D, et al. Determinatio n of the Activatio n Ener g y

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27、issolu tion of the A l2 Cu P hase in two Al Si Cu M g Casting Effect of Cu Content on the Microstructure and Tensile Properties of Al Si Alloy after Thermal Exposure G UO Y ong chun, L U Zhi y u , YA N G T ong , YA N G Zhong , X I A F eng , L I J ian p ing ( Schoo l o f M aterials and Chem ical Engi

28、neering , X i an T echno lo gical U niver sity, Xi an 710032, China Abstract: P remature f ailure tends t o occur t o ZL 702A allo y at a high t em perat ur e, w hich is used in t he diesel cylinder head and bo dy in our count ry, A l 7Si x Cu 0. 3M g 0. 3Zn ( x = 1. 5, 2. 5, 3. 5, w % alloy s w ere

29、 heat t reat ed at 200 and 250 f or 0 1 000 ho urs ( thermal ex posur e . In t he ex periment, t he curves of t heir t ension pro pert ies vs. t hermal ex posure tim e w ere draw n and t heir m icrostr ucture w er e observed by using an OM and a T EM . T he inf luence of Cu cont ent on the t hermo st abilit y of t hese alloy s w as anal