Al-15.5Si-4.5Cu-1.0Zn-0.7Mg-0.5Ni变形合金组织与性能研究

论文摘要

近年来随着社会的发展,发动机的功率被逐渐提高,这就对活塞合金的强度特别是高温强度有了更高的要求。过共晶铝硅合金具有优异的耐磨性、耐蚀性,高的比强度、低的热膨胀系数和良好的体积稳定性等特点,被广泛应用于活塞材料。实验合金的成分为Al-15.5Si-4.5Cu-1.0Zn-0.7Mg-0.5Ni-0.3Zr-0.2V-0.1Ti。采用半连续铸造制得合金铸锭,通过镦粗热变形和T6热处理等手段获得性能良好的过共晶铝硅合金,基本满足了大功率发动机对活塞合金性能的要求。通过对合金的组织演变规律与室温、高温力学性能进行研究分析后,所获得的主要结论如下：（1）半连续铸造合金的组织主要由a-Al枝晶、初晶硅、共晶硅以及金属间化合物Al2Cu（θ）、Al7Cu4Ni（γ）、Al2（Si,Mg,Zr,Fe,Ni,Cu）、Al9（Cu,Fe）Ni、Al5Cu2Mg8Si6所构成。合金铸锭边部、1/2半径处、心部初晶硅的平均尺寸分别为15μm、15μm、18μm。（2）热变形消除了合金中的铸造缺陷,使合金组织变得更加致密；热变形后合金中少量的初晶硅发生破碎,从而导致了合金室温和高温强度的下降,伸长率提高。合金经热处理后,初晶硅棱角钝化,共晶硅球化显著,Al2Cu相含量减少,Al2（Si,Mg,Zr,Fe,Ni,Cu）相完全消失,而Al7Cu4Ni和Al9（Cu,Fe）Ni含量增多,产生了较多弥散分布的AI5Cu2Mg8Si6。（3）半连续铸造合金的室温抗拉强度是280MPa,热处理后合金的抗拉强度在时效16h（500℃固溶4h,150℃时效）达到最高为393MPa。热变形经热处理后的合金强度最高为349MPa。（4）半连续铸造合金高温（300℃）抗拉强度是163MPa。铸态合金经热处理后的抗拉强度是140MPa下降14%,伸长率为7.30%。热变形后再经T6处理合金的抗拉强度为121MPa,相对于铸态下降了25%,而伸长率为14.20%。（5）合金的室温和高温断裂机制均为脆性与韧性并存的混合型断裂方式。合金的强化机制有：细化晶粒强化、固溶强化、时效强化、过剩相强化等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铝及铝合金概述
• 1.1.1 铝资源及其主要特点
• 1.1.2 铝及其合金的用途
• 1.2 铝合金分类
• 1.3 硅的基本性质
• 1.4 铝硅合金概述
• 1.4.1 铝硅合金基本性质
• 1.4.2 铝硅合金的组织
• 1.4.3 铝硅合金的铸造性能
• 1.5 活塞用Al-Si合金
• 1.6 改善铝硅合金组织与性能的途径
• 1.7 合金化元素在铝硅合金中的作用及影响
• 1.7.1 Si元素的作用及影响
• 1.7.2 Cu元素的作用及影响
• 1.7.3 Zn元素的作用及影响
• 1.7.4 Mg元素的作用及影响
• 1.7.5 Ni元素的作用及影响
• 1.7.6 Zr元素的作用及影响
• 1.7.7 V元素的作用及影响
• 1.7.8 Ti元素的作用及影响
• 1.7.10 Fe元素的作用及影响
• 1.8 铝硅合金的变质处理
• 1.8.1 初晶硅的变质处理
• 1.8.2 共晶硅的变质处理
• 1.8.3 变质机理
• 1.9 国内外研究与应用现状
• 1.10 本课题研究目的及意义
• 1.11 本课题的主要研究内容
• 第2章 实验过程及方法
• 2.1 实验方案
• 2.2 合金成分设计
• 2.3 半连续铸造实验
• 2.3.1 半连续铸造简介
• 2.3.2 半连续铸造的优点及存在问题
• 2.3.3 实验过程
• 2.4 热变形
• 2.4.1 热变形参数的确定
• 2.4.2 实验过程
• 2.5 热处理实验
• 2.6 分析、测试方法
• 2.6.1 金相组织观察
• 2.6.2 X射线衍射（XRD）物相分析
• 2.6.3 扫描电镜组织分析
• 2.6.4 力学性能测试
• 2.6.5 差示扫描量热分析
• 2.6.6 合金热膨胀系数测试
• 第3章 合金组织演变及分析
• 3.1 半连续铸造合金的组织与相分析
• 3.1.1 半连续合金的宏观组织
• 3.1.2 半连续铸造合金的微观组织特征
• 3.1.3 半连续铸造合金的初晶硅的尺寸及分布
• 3.1.4 半连续铸造合金的初晶硅变质
• 3.1.5 半连续铸造合金的物相分析
• 3.1.6 半连续铸造合金的相变反应
• 3.2 合金热变形后的组织和相
• 3.3 合金热处理后的组织与相
• 3.3.1 合金热处理后的显微组织
• 3.3.2 合金热处理后的物相分析
• 3.3.3 合金热处理后的X射线衍射物相分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 合金性能测试与分析
• 4.1 合金的热膨胀系数
• 4.2 合金的力学性能
• 4.2.1 半连续铸造合金的力学性能
• 4.2.2 合金的室温力学性能分析
• 4.2.3 室温断口形貌分析
• 4.2.4 合金的高温力学性能分析
• 4.2.5 高温断口形貌分析
• 4.3 合金的强化机理
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢