提升A356铝合金性能及其摩擦磨损行为热疲劳行为的研究

发布时间：2018-04-29 12:08

  本文选题：A356铝合金 + 动态细化变质　； 参考：《江苏大学》2016年博士论文

【摘要】：汽车制造发展的必然趋势是轻量化、高效、节能环保,其关键技术是高性能材料,而性能优异的铝合金是满足这种高性能材料最理想化、最现实的选择。当前,我国汽车的铝化率研发应用水平与欧美发达国家相比差距较大,有很大的提升空间。基于此,本课题针对综合性能优异的A356铝合金,主要应用在汽车发动机上的核心部件如缸体、缸盖,通过采取相应措施,进一步优化工艺,提升其性能,以满足缸体、缸盖承受日益增长的高功率密度性能要求。由于发动机在运行过程中,特别是在启动、停车或加速、减速时,迅速加热或冷却必将引起各种瞬态热应力和机械应力相互作用叠加在一起,同时伴有剧烈的摩擦磨损,致使局部区域发生热疲劳现象,严重地影响了发动机的使用寿命,这就要求铝合金应具有更高的耐磨损性能和抗热疲劳性能。为此,进行了铝合金摩擦磨损及热疲劳性能试验的研究,不仅可以充分挖掘材料的潜能,也为扩大铝合金在汽车上的应用,提高我国汽车制造的铝化率发展需求提供坚实的理论基础和重要的实用参考价值。本文主要研究内容及成果如下:(1)由于铸造A356铝合金的力学性能主要取决于组织中α-Al相与共晶Si相,而α-Al相的性能与纯铝相似。因此,为更充分的研究A356铝合金的细化变质,首先对纯铝进行细化研究,采用熔配法合成制备新型Al-5Ti-1B-1RE中间合金晶粒细化剂对其进行细化。从热力学、动力学角度分析自制的Al-5Ti-1B-1RE中间合金细化剂的工艺可行性。研究了合成温度、动态合成、遗传效应试验等工艺对细化剂及纯铝细化效果的影响,并探讨了其细化机理。通过对细化剂进行遗传效应试验处理及动态细化工艺处理可进一步提高纯铝的细化效果,使纯铝晶粒由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶,其抗拉强度σb、伸长率δ细化后分别达到77.82MPa、54.36%,较细化前分别提高了46.83%、132.51%。(2)为达到更佳的力学性能,采用自制的Al-5Ti-1B-1RE中间合金细化剂与Al-10Sr中间合金变质剂对A356铝合金进行常规复合细化变质,确定其最佳添加量分别为0.80%、0.30%。细化变质处理可使A356铝合金中的α-Al相由粗大的枝状晶转变为细小致密的等轴晶,二次枝晶臂间距(SDAS)显著变小。共晶硅形貌由粗大的针片状转变成细小的纤维状,达到完全变质效果。为进一步提升其性能,试验采取了对A356铝合金熔体进行动态细化变质处理、对细化变质剂进行遗传效应试验处理、对A356铝合金进行熔体混合工艺处理以及在A356铝合金基础上,添加Cu、Mn、Ti等不同的合金元素,组成新型铝合金,并对其进行动态复合细化变质处理。通过正交试验优化出新型铝合金最佳的综合力学性能的化学成分:Cu的加入量1.80wt%、Mn的加入量0.30wt%、Ti的加入量0.25wt%。并对新型铝合金进行DSC差热分析及T6热处理后,其抗拉强度、布氏硬度与伸长率分别达到352.45MPa,114.30HB和5.75%,可以较好地满足汽车缸体、缸盖等铸造用铝合金的力学性能要求。(3)研究了铸态A356铝合金、细化变质处理的A356铝合金、新型铝合金及经T6热处理的新型铝合金等四种不同工艺处理的铝合金的摩擦磨损行为及磨损机理。研究表明:随着加载载荷及磨损时间的增加其质量磨损率增加,经T6热处理的新型铝合金质量磨损率最小,耐磨性能最好。其次是新型铝合金,再次是细化变质处理的A356铝合金,而铸态A356铝合金的质量磨损率最大。铝合金的耐磨性不仅仅与摩擦层出现氧化物的多少有关,更主要的是与摩擦层致密性,分布均匀性,与基体结合强度有关。当加载为低载荷时,摩擦层氧化生长速度小于被磨损的速度,导致摩擦层不含氧化物或含微量氧化物,几乎无减磨作用,其磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损、塑性挤出磨损共存。当加载为中载荷时,所含氧化物分布较均匀、致密、与基体结合强度较高的摩擦层具有较好的减磨作用,其磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和轻微氧化磨损共存。当加载为高载荷时,尽管含有更多量的氧化物,但此时摩擦层已不再致密,易破裂,所具有的保护作用降低,加之载荷大大增加,其磨损机理为严重的氧化粘着磨损与剥层磨损的复合磨损。(4)研究了四种不同工艺处理的铝合金热疲劳行为及裂纹扩展机理。结果表明:热疲劳裂纹的生长方式主要为孕育、萌生、扩展及失效。在相同的温度幅下,热疲劳试样裂纹萌生寿命从短到长依次为铸态A356铝合金、细化变质处理的A356铝合金、新型铝合金、经T6热处理后的新型铝合金。在不同温度幅下,相同状态的试样,温度幅越大,热疲劳试样裂纹萌生寿命越短。同时发现第二相颗粒的位向对热疲劳裂纹的扩展路径产生重要影响,当裂纹尖端扩展路径与第二相颗粒长轴方向形成小于45°夹角时,裂纹扩展将沿着此第二相颗粒的边缘继续向前扩展。当裂纹尖端扩展路径与第二相颗粒短轴方向形成小于45°夹角时,裂纹将穿过此第二相颗粒,继续向前扩展。裂纹在热应力的作用下,裂纹尖端以锐化→钝化→锐化反复交替变化,裂纹从其尖端间歇式地以扩展→停止→扩展的方式不断地向前行进扩展,直至试样失效。
[Abstract]:This paper studies the process feasibility of Al - 5Ti - 1B - 1RE intermediate alloy grain refiner with high performance and high performance . The results are as follows : ( 1 ) In the process of operation , the mechanical properties of Al - 5Ti - 1B - 1RE intermediate alloy are studied . In order to improve the properties of Al - 5Ti - 1B - 1RE intermediate alloy refiner and Al - 10Sr intermediate alloy modificatory agent , the optimal additions of Al - 5Ti - 1B - 1RE intermediate alloy refiner and Al - 10Sr intermediate alloy were investigated . The results showed that the optimum addition of Al - 5Ti - 1B - 1RE was 0.80 % and 0.30 % respectively . ( 3 ) The friction and wear behavior and wear mechanism of aluminum alloy treated by four different processes such as cast A356 aluminum alloy , refined modified A356 aluminum alloy , new aluminum alloy and new aluminum alloy treated by T6 heat treatment were studied . ( 4 ) The thermal fatigue behavior and crack growth mechanism of aluminum alloys treated by four different processes are studied . The results show that the growth mode of thermal fatigue crack is mainly the inoculation , initiation , expansion and failure . The crack initiation life of the hot fatigue crack propagates along the edge of the second phase particle in the same temperature range .

【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21;TG115.5
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本文编号：1819878