Al-4.5%Cu合金定向凝固组织与性能研究

论文摘要

目前国内外对于定向凝固组织的影响因素的研究一般集中在定性分析,关于定向凝固组织与可控凝固参数关系的定量研究极少。在前人研究的基础上,本文分析了定向凝固中的主要影响因素,研究定向凝固Al-4.5%Cu合金组织的演变规律;着重研究了抽拉速率与枝晶间距的定量关系,建立了界面局域平衡条件下定向凝固枝晶间距与抽拉速率的理论模型;并对不同抽拉速率的定向凝固Al-4.5%Cu合金的力学性能及断裂机理进行了比较研究。本文用下拉式定向凝固设备,当抽拉速率为20～220μm/s时,制备了一系列定向凝固Al-4.5%Cu合金试样。首先研究了微观组织演变,特别是一次枝晶间距变化规律。结果表明:定向凝固组织具有明显的方向性,晶粒沿固液界面法线方向生长,偏离轴向生长的晶粒被淘汰。在特定温度梯度下,抽拉速率由小到大变化时,微观组织由粗大低速胞状晶、胞枝晶混合组织、树枝状晶依次变化;抽拉速率增大使组织细化,小于100μm/s时,枝晶间距减小幅度较大,大于100μm/s时,减小幅度较为平缓。本文着重研究了抽拉速率对定向凝固组织性能的影响,根据Hunt模型和Bower的理论,建立界面局域平衡条件下预测定向凝固次枝晶间距的理论模型。当抽拉速率为100～220μm/s时,一次枝晶间距的理论模型计算值与实测值相吻合,误差小于6.5%。本模型可为预选定向凝固工艺参数及组织分析提供参考。本文通过SEM原位拉伸实验及抗拉强度、延伸率、硬度等力学性能检测,进一步研究了定向凝固Al-4.5%Cu合金的断裂机理和抽拉速率对其基本力学性能的影响。结果表明,抽拉速率为U=200μm/s的试样B与抽拉速率为U=60μm/s的试样A相比,抗拉强度提高16.7%,同时延伸率提高85.9%,硬度提高67.5%;随着抽拉速率的增加,合金的断裂机理由准解理断裂机理转变为延性断裂机理,说明抽拉速率对定向凝固Al-4.5%Cu合金的断裂机理和基本力学性能影响显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 概述
• 1.1 定向凝固技术研究现状
• 1.1.1 定向凝固原理
• 1.1.2 定向凝固技术的发展
• 1.1.3 定向凝固方法及理论研究进展
• 1.1.4 定向凝固技术的应用及前景展望
• 1.2 AL-CU合金特点及应用
• 1.2.1 Al-Cu合金的基本性能
• 1.2.2 Al-Cu合金在定向凝固方面的研究进展
• 1.3 本文主要研究目标、内容及可行性
• 1.3.1 本文的研究目的和意义
• 1.3.2 本文的研究内容
• 2 实验研究方案
• 2.1 定向凝固实验
• 2.1.1 实验目标及方案
• 2.1.2 定向凝固设备
• 2.1.3 定向凝固实验选材
• 2.1.4 定向凝固实验内容及步骤
• 2.2 微观组织成分分析
• 2.2.1 相变温度分析
• 2.2.2 合金成分及相构成分析
• 2.2.3 金相组织观察
• 2.3 力学性能检测
• 2.3.1 宏观拉伸性能
• 2.3.2 原位拉伸实验
• 2.3.3 硬度检测
• 3 AL-4.5%CU合金定向凝固组织研究
• 3.1 组织的相构成
• 3.2 定向凝固组织的选择机制
• 3.2.1 胞晶的形成
• 3.2.2 胞晶、枝晶的演变
• 3.2.3 枝晶的形成及细化
• 3.3 定向凝固一次枝晶间距研究
• 3.3.1 枝晶间距测量方法
• 3.3.2 定向凝固Al-4.5wt%Cu合金枝晶间距研究
• 4 抽拉速率与定向凝固组织关系的研究
• 4.1 定向凝固过程的传热分析
• 4.2 定向凝固组织与界面生长速率的关系
• 4.2.1 枝晶间距的理论模型
• 4.2.2 定向凝固组织与抽拉速率的关系
• 4.3 实验系统传热分析与参数计算
• H'>4.3.1 加热区中试样与加热装置问的传热系数α_H
• 4.3.2 试样液-固界面的前沿液相中的温度梯度
• 4.3.3 凝固潜热对抽拉速率的影响
• 4.4 论值的计算及对比分析
• 4.5 抽拉速率与定向凝固组织关系式的分析与推广
• 5 定向凝固AL-4.5%CU合金的力学性能及其原位拉伸研究
• 5.1 抽拉速率对力学性能的影响
• 5.1.1 宏观力学性能分析
• 5.1.2 断裂过程的SEM原位拉伸研究
• 5.1.3 断口形貌观察与分析
• 5.1.4 硬度分析
• 5.2 讨论
• 5.3 研究前景
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间科研情况