新型高强韧铸造Al-Si-Cu-Mg合金组织与性能研究

论文摘要

为得到一种综合力学性能优良的新型高强韧铸造铝合金,以满足高功率柴油发动机主承力件对材料的设计要求,本文通过相图计算、示差热（DSC）分析和背散射SEM--EDX分析,研究了四种铸造Al-7Si-xCu-0.5Mg（x=1.5,2.5,3.5,4.5wt%）合金中多元低熔点共晶相与Cu含量的关系及其随固溶温度、时间变化的溶解特性;采用正交试验的方法研究了Cu、Mg、Mn、Zn四种元素对新型高强韧耐热Al-7wt%Si-Cu-Mg-Mn-Zn合金室温及250℃力学性能的影响规律;利用DSC分析、金相显微分析,结合力学性能测定,考察了分级固溶处理工艺和合金时效硬化特性。结果表明:在非平衡凝固条件下,铸造Al-7Si-xCu-0.5Mg（wt%）合金约在510℃及525℃处都会发生多元共晶反应,共晶组织中富铜相主要为晶界分布的Al2Cu相;含1.5、2.5wt%Cu合金的多元共晶反应和含3.5wt%Cu合金在510℃的四元共晶反应均属不稳定共晶反应,经500℃～505℃、一定时间初级固溶处理后,这些不稳定共晶富铜相均可溶入基体,其合金相应固相线温度分别升至542℃、525℃和521℃。3.5wt%Cu合金在525℃附近和4.5wt%Cu合金在510℃、525℃处发生的共晶反应均属平衡凝固过程中的必然反应过程。含4.5wt%Cu合金固溶处理应保持在510℃以下进行,以防止该合金中的低熔点共晶相被熔化。Cu、Mg、Mn、Zn四种元素对Al-7wt%Si-Cu-Mg-Mn-Zn合金室温及250℃抗拉强度和延伸率的影响顺序为:Mg＞Cu＞Zn≥Mn,Mg和Cu是主要影响因素,Mn和Zn是次要影响因素。随着Mg含量的增加,合金室温及250℃抗拉强度升高而伸长率下降,随着Cu含量的增加,合金室温抗拉强度升高而伸长率下降,250℃抗拉强度升高而伸长率呈先升后降趋势,Zn含量的提高,降低了合金室温延伸率,而有利于提高合金250℃延伸率。为使合金具有良好的综合力学性能（室温及250℃）,高强韧耐热Al-7Si-Cu-Mg-Mn-Zn合金的最佳成分为:2.5wt%Cu,0.3wt%Mg,0.3wt%Mn,0.8wt%Zn。为防止合金中低熔点共晶物在固溶处理过程中熔化,同时提高Q、Al2Cu等相在合金中的溶解度和溶解速度,Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.8Zn（wt%）合金固溶处理应选择分级固溶的方式进行。500℃,3h的固溶处理,可使合金中低熔点共晶物完全溶解,此时合金的熔点为535℃。合金时效硬化曲线显示,合金时效温度在175～225℃时,硬化曲线出现明显的双峰现象,且第一峰值硬度大于第二峰值硬度。随着合金时效温度的升高,合金的硬化速度加快,但硬化能力下降。采用500℃×3h+530℃×14h,175℃×6h的二级固溶时效处理工艺时,该合金的室温拉伸强度和延伸率分别达到:室温σb≥385MPa,δ5≥5.0%,250℃σb≥240MPa,δ5≥8.0%,强韧性达到良好匹配。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 铸造铝合金的发展
• 1.1.1 铸造铝合金的发展现状
• 1.1.2 铸造铝合金的发展趋势
• 1.2 铝硅合金化学成分的优化
• 1.3 晶粒细化和变质处理
• 1.3.1 晶粒细化
• 1.3.2 变质处理
• 1.4 合金的固溶处理
• 1.4.1 固溶处理的目的及意义
• 1.4.2 析出相的溶解和固溶强化
• 1.4.3 固溶处理温度及时间的选择
• 1.5 合金的时效处理
• 1.5.1 合金脱溶过程
• 1.5.2 沉淀强化机理
• 1.5.3 试验合金时效特性
• 1.6 课题背景及主要研究内容
• 1.6.1 课题背景
• 1.6.2 选题目的及意义
• 1.6.3 主要研究内容
• 1.6.4 预期达到的目标:
• 2 试验过程及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 合金的熔炼
• 2.3 合金成分优化设计
• 2.4 示差热分析
• 2.5 热处理工艺研究
• 2.6 力学性能测试
• 2.7 X射线衍射测试
• 2.8 显微组织分析
• 3 Al-Si-Cu-Mg合金固溶特性研究
• 3.1 合金相图计算
• 3.2 铸态Al-7Si-xCu-0.5Mg合金DSC分析
• 3.3 背散射电子SEM-EDX及X衍射分析
• 3.4 Al-7Si-xCu-0.5Mg合金富铜相的溶解
• 3.5 讨论
• 3.6 小结
• 4 高强韧铸造铝合金合金成分优化
• 4.1 合金成分优化设计
• 4.2 正交试验结果分析
• 4.3 验证试验
• 4.4 显微组织分析
• 4.5 断口形貌分析
• 4.6 讨论
• 4.7 小结
• 5 合金热处理工艺研究
• 5.1 合金分级固溶处理制度的确定
• 5.1.1 铸态合金DSC曲线峰值分析
• 5.1.2 初始固溶温度、时间的确定
• 5.1.3 二级固溶温度的确定
• 5.2 不同二级固溶处理温度对合金力学性能的影响
• 5.3 金相显微组织及背散射电子SEM-EDX分析
• 5.4 合金时效特性研究
• 5.5 分析与讨论
• 5.6 小结
• 6 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢