新型高強(qiáng)韌鋁合金研制與含固態(tài)流變技術(shù)的開發(fā).pdf

1、節(jié)能減排和提高安全性是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要發(fā)展方向。大型結(jié)構(gòu)件，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，重量的減輕是汽車動(dòng)力系統(tǒng)以及整車輕量化的重要目標(biāo)。采用新型高強(qiáng)韌鋁合金將能夠進(jìn)一步減輕汽車部件的重量，從而明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃料效率。本文研究主要以壓鑄 Al-10Si鋁合金為基礎(chǔ)，分別系統(tǒng)地研究了改變 Mn、Cu、Fe元素含量并結(jié)合相關(guān)的壓鑄工藝可以有效地控制 Al-Si合金中含鐵相及第二相的形貌，可以使大多數(shù)針狀含鐵相轉(zhuǎn)化為顆粒狀含鐵相(且粒徑均勻)。

2、
　　同時(shí)本研究建立了含固態(tài)流變作用下控制形核及長(zhǎng)大的模型，采用含固態(tài)流變方法研究了Al-10Si合金熔體在外場(chǎng)含固態(tài)流變凝固條件下液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)、形核長(zhǎng)大機(jī)制及其對(duì)凝固組織及缺陷的影響規(guī)律，揭示出實(shí)現(xiàn)含固態(tài)流變的關(guān)鍵要素。并通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)含固態(tài)流變動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律進(jìn)行模擬，且通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。利用能量導(dǎo)入方式研究掌握了在含固態(tài)流變作用下的凝固組織細(xì)化及球化的形成機(jī)理與演變規(guī)律；闡明了對(duì)合金熔體實(shí)施強(qiáng)能量擾動(dòng)可以獲得穩(wěn)定均勻的溫度

3、場(chǎng)和濃度場(chǎng)，進(jìn)而增加有效形核率，抑制晶粒的長(zhǎng)大與能量施加強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)含固態(tài)流變凝固的關(guān)鍵要素。
　　本研究獲知，該合金在20℃、150℃和300℃時(shí)，當(dāng)Mn含量?0.6%時(shí)，Mn含量的增加并不對(duì)屈服強(qiáng)度有所影響；當(dāng)Mn含量達(dá)到0.8%時(shí)，屈服強(qiáng)度顯著增加。20℃和150℃時(shí)，Mn含量的增加提升了抗拉強(qiáng)度的數(shù)值；而300℃時(shí)，Mn含量并不明顯影響合金的抗拉強(qiáng)度。Al-10Si-0.5Cu-0.8Mn-0.15Fe鋁合金顯示出較高的YS

4、(RT~173MPa，150℃~155MPa和300℃~87MPa)，UTS(RT~310MPa，150℃~252MPa和300℃~106MPa)以及較低的δ(RT~7.9%，150℃~12.8%和300℃~19.7%)。
　　該合金在20℃、150℃以及300℃時(shí)，Cu元素含量的增加導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有增長(zhǎng)，而伸長(zhǎng)率基本不發(fā)生變化。Al-10Si-0.8Mn-1.5Cu-0.15Fe鋁合金顯示出較高的YS(RT~211MP

5、a，150℃~195MPa和300℃~104MPa)，UTS(RT~342MPa，150℃~277MPa和300℃~123MPa)以及較低的δ(RT~7.4%，150℃~12.1%和300℃~22%)。
　　該合金在20℃和150℃時(shí)，F(xiàn)e含量的增加導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度的降低；300℃時(shí)，F(xiàn)e含量的增加而屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度也隨之增加。但是高溫時(shí)Fe含量的增加導(dǎo)致伸長(zhǎng)率減少。Fe含量的增加則能夠提高合金的高溫(300℃)力學(xué)性能。

6、　　早期延長(zhǎng)自然時(shí)效時(shí)間能夠提高合金的硬度和拉伸強(qiáng)度。時(shí)間超過5天后，各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)值基本趨于平穩(wěn)。合金的伸長(zhǎng)率(δ)則隨自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。自然時(shí)效17280小時(shí)(~720天)的合金試樣顯示出較高的室溫力學(xué)性能(YS~213MPa，UTS~345MPa和δ~7.3%)。根據(jù)合金的硬度可有效的預(yù)測(cè)其抗拉強(qiáng)度。測(cè)試溫度的提高明顯降低了合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但可以明顯改善合金的韌性。當(dāng)測(cè)試溫度由20℃提高300℃時(shí)，Al-10

7、Si-0.8Mn-1.5Cu-0.15Fe鋁合金的YS降低了~51%、UTS降低了~64%，而伸長(zhǎng)率則提高了大約兩倍。當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間較短時(shí)，室溫時(shí)PLC現(xiàn)象的發(fā)生主要?dú)w因于可動(dòng)位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間的交互作用；而250℃時(shí)，PLC現(xiàn)象的出現(xiàn)可以由動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效理論進(jìn)行解釋(即析出相與可動(dòng)位錯(cuò)之間的交互作用)。
　　室溫時(shí)，應(yīng)變速率并不明顯影響合金的加工硬化行為；合金的加工硬化指數(shù)(n)和加工硬化系數(shù)(k)則隨測(cè)試溫度的升高而降低。20℃

8、、150℃和300℃時(shí)，增加Mn含量并不明顯影響n值和k值。20℃和150℃時(shí)，n值和k值隨Cu含量的增加呈現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢(shì)；300℃時(shí)，Cu含量的增加并不明顯影響n值和k值。20℃時(shí)，n值和k值均隨Fe含量的增加而增加。當(dāng)測(cè)試溫度提高到150℃和300℃時(shí)，F(xiàn)e含量的提高并不明顯影響n值和k值。隨著自然時(shí)效時(shí)間的增加 n值不斷降低而k值不斷增加。合金的n值和k值隨測(cè)試溫度的增加而逐漸減小。
　　整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)決定了A

9、l-10Si-xCu-yMn-zFe鋁合金的斷裂機(jī)制。室溫時(shí)試樣發(fā)生整體失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的真實(shí)塑性應(yīng)變量(εi=n)與斷裂應(yīng)變(εf)比值均大于1，表明，在室溫條件下合金試樣的失效一般發(fā)生在塑性失穩(wěn)(頸縮)之前。隨著測(cè)試溫度的提高，合金試樣的εi/εf的比值均小于1，表明，在較高的測(cè)試溫度下拉伸試樣的失效均發(fā)生在縮頸發(fā)生之后。這種情況的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于合金在高溫時(shí)相對(duì)較高的塑性變形能力，能夠降低這種過早破壞的發(fā)生。εi/εf的比值隨應(yīng)變速率的增加逐

10、漸增加，而隨測(cè)試溫度的增加逐漸減小。
　　低溫和室溫時(shí)，Al-10Si-xCu-yMn-zFe鋁合金的拉伸斷口包含有剪切斷裂的特征(除了有大面積的河流花樣及解離臺(tái)階外局部也存在少量的韌窩)；隨著測(cè)試溫度的提高，拉伸斷口中的韌窩的數(shù)量明顯增多，微孔聚集型斷裂行為十分顯著。在不同測(cè)試溫度下，合金的拉伸失效主要來源于相顆粒(包括Si相和α-Alx(Fe,Mn)ySiz相)的開裂以及相顆粒與基體之間的脫落。
　　合金的屈服強(qiáng)度、抗拉