Si元素含量对铝活塞合金疲劳性能的影响

发布时间：2020-07-30 16:19

【摘要】：Al-Si多元合金具有比强度高、密度低、铸造性能好等优点,因此在发动机活塞中得到了广泛应用。由于活塞长期在高温高压环境中工作,极易产生疲劳失效现象。近年来随着发动机转速和功率的提高,活塞所承受的发动机热负荷更加严重,这对作为活塞材料的铝合金的高温疲劳性能提出了更苛刻的要求。常用的活塞合金为近共晶型Al-Si合金,Si含量增加可降低热膨胀系数,提高合金的铸造性能,且硅相的存在有利于促进Cu原子的扩散,并形成弥散的强化相。但同时又会形成更多硬脆的块状硅相,易在硅相尖角形成应力集中造成破坏,降低疲劳性能,热暴露工艺则会改善硅相形貌提高疲劳性能。为了探究近共晶点Si的微量改变对活塞合金疲劳寿命的影响,保证在不降低热膨胀系数的条件下,提高活塞合金的疲劳性能,本课题设计相关试验为发动机的安全使用提供理论参考。本文以Al-11.5Si-4Cu-Mg-2Ni多元合金为试验材料。在350℃高温下,测试了合金经T6(500℃×6h+水淬+230℃×2.5h)、T6+350℃×50h热暴露、T6+350℃×100h热暴露处理后的高温力学性能;针对合金中析出的富铜相,制备Si含量分别为7wt.%、12wt.%、24wt.%的Al-Si-4Cu/Al-Si扩散偶进行扩散试验,研究了Si含量对合金组织中Cu扩散行为的影响;测试了经T6+350℃×100h热暴露处理后的11.5wt.%,12.5wt.%,13.5wt.%多元合金的350℃高温疲劳性能。利用光学显微镜(OM)观察合金组织,扫描电子显微镜(SEM)分析微观组织与断口特征,能谱分析仪(EDS)检测扩散偶中Cu含量分布。深入分析了拉伸性能结果、疲劳裂纹萌生与扩展的规律,以及Cu的扩散行为等,揭示了硅含量微量变化对Al-Si活塞合金材料的微观构成与疲劳行为之间的影响,详细阐述了活塞材料的疲劳断裂机理。在350℃高温下,与T6处理相比经50h热暴露处理合金抗拉强度降低46%,延伸率提高123.7%,且随时间延长抗拉强度进一步降低,延伸率进一步增加。T6态合金的高温拉伸断口可同时观察到解理平台与韧窝特征,增加热暴露处理后断口中的解理平台减少,韧窝增多,热暴露时间延长,韧窝变得更小更深。合金经过热暴露处理后块状初晶硅尖角钝化,共晶硅粒化,延长热暴露时间硅相的变化更显著,同时热暴露后合金基体中析出富铜相大量增多,且围绕在硅相周围。增加合金中的硅含量,组织中的初晶硅钝化加剧,析出的富铜相弥散程度提高。在高温环境下长时间保温,Cu由于化学势的作用向右侧Al基体中扩散,并形成细小弥散的富铜相。对比界面两侧线扫能量峰高度,硅含量从7wt.%增加到24wt.%,Cu的能量峰高度增加50%,说明Cu的扩散量随硅含量增加而提高。由于硅相在长时间高温下圆整化加剧,硅含量的增加使硅相与基体的界面增多,这为铜原子在合金中的扩散提供了更多通道,因此Cu的扩散系数增加,在基体中会形成更多的富铜相。Si含量为11.5wt.%、12.5wt.%、13.5wt.%的合金经热暴露处理后中值疲劳强度分别为40MPa、40.5MPa、42.5MPa,且在相同的的应力水平下,随着Si含量增加,高温疲劳寿命增加。这是因为硅相促进了Cu的扩散,形成弥散的富铜相,提高了高温疲劳性能。观察疲劳断口,疲劳源基本萌生在铸造缺陷以及大的硅相处,随着Si含量增加,宏观断口整体变平整,扩展区面积增大,疲劳条带间距减小,瞬断区硅相开裂现象减少。分析断裂组织演变,Si含量为11.5wt.%时,裂纹扩展穿过所有的相直接发生破断,增加Si含量,经热暴露处理后硅相圆整化加剧,12.5wt.%Si的合金疲劳裂纹会绕过尖角变少的硅相与强度高的金属间化合物进行扩展,但会穿过较脆的富铁相等进行扩展,当Si含量达到13.5wt.%,合金裂纹大部分都沿各相晶界边缘偏转以沿晶方式断裂,只有极少数的穿过质脆的相。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK403;TG146.21

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