铸造Al-Si-Mg合金低温力学性能及其断裂行为

发布时间：2019-04-10 13:12

【摘要】：本文以Al-Si-Mg合金为主要研究对象,在20℃~-80℃的环境中进行拉伸性能测试,通过扫描电子显微镜观察了断口形貌及断口附近的位错滑移带分布,金相显微镜观察了断口处的组织结构及裂纹分布,透射电子显微镜观察了断口附近的位错分布及形貌,并采用ANSYS软件模拟加载过程中的应力分布。当实验环境温度由20℃下降至-80℃时,随着环境温度的降低Al-7.0Si-0.3Mg合金的抗拉强度和屈服强度提高,但伸长率降低。而在Al-1.0Si-0.3Mg合金中,随着环境温度的降低合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率都表现为提高。在室温环境中,基体内激活能较高,位错运动的阻力较小,但在低温环境下基体内激活能降低,位错运动的阻力增大,这是导致铸造Al-Si-Mg合金抗拉强度和屈服强度增加的主要原因。通过Si相对Al-Si-Mg合金在不同温度下拉伸断裂行为影响的研究,实验结果发现:Al-1.0Si-0.3Mg合金中的Si相数量较少,拉伸过程中位错塞积使细小Si相容易发生脱落,基体中形成了微孔洞;同时拉伸过程产生的位错容易在晶界处塞积,产生应力集中,从而使相邻晶粒的位错源启动,合金表现出较高的塑性。在铸造Al-1.0Si-0.3Mg合金中,裂纹的扩展过程是组织内部微孔洞的生长及连接过程,在低温环境下Al-1.0Si-0.3Mg合金塑性变形均匀性提高是合金伸长率增加的主要原因。然而,Al-7.0Si-0.3Mg合金中的Si相数量较多,拉伸过程中位错容易在Si相处发生塞积,产生的应力集中直接作用在粗大的Si相上,使Si相发生断裂,在合金中形成微裂纹;另一方面,使相邻晶粒的位错源不易启动,从而使Al-7.0Si-0.3Mg合金的抗拉强度较高,但塑性较低。随着环境温度的降低,Al-7.0Si-0.3Mg合金中Si相断裂数量和合金基体强度增加,断裂Si相造成的裂纹尖端的应力集中增大,从而引发了准解理断裂,这是导致Al-7.0Si-0.3Mg合金低温下伸长率下降的主要原因。Al-7.0Si-0.3Mg合金在铸态时,基体中的共晶Si相呈粗大的板片状,在拉伸变形过程中Si相附近容易塞积大量位错,引发解理断裂,因而铸态合金的强度和伸长率较低。在低温环境下铝基体中位错运动阻力增加,使得Si相断裂数量增加,合金的伸长率进一步降低。在固溶处理后,Al-7.0Si-0.3Mg合金中的Si相发生了粒化,Si相颗粒尺寸减小、形貌圆整,合金在拉伸变形过程中塞积位错数量减少,Si相发生解理断裂的数量减小,合金强度和伸长率都明显升高。固溶后期,由于Si相发生了粗化,且长宽比略有回升,导致合金强度和伸长率下降。时效初期Al-7.0Si-0.3Mg合金基体内部出现GP区,随着时效时间的延长形成针状β″相。时效10h时,基体中β″长成棒状β′,此时合金强度达到最大。在过时效阶段,β′最后生长成为片状β使合金强度降低。在Al-7.0Si-0.3Mg合金中,由于铝基体和Mg2Si相的线膨胀系数不同,在低温冷缩效应作用下基体受Mg2Si相挤压,在Mg2Si相周围形成弹性应力场,从而阻碍位错运动。当应力场中的刃型位错多余半原子面在Mg2Si相一侧时,位错受到斥力作用。而应力场中的刃型位错多余半原子面背向Mg2Si相一侧时,位错受到引力作用。Al-7.0Si-0.3Mg合金在低温下对应力集中的敏感性增强,其中屈服强度不受缺口敏感性的影响,而抗拉强度和伸长率对应力集中较为敏感。在拉伸过程中Al-7.0Si-0.3Mg合金缺口试样由于受应力集中影响,在缺口根部的共晶组织产生初始裂纹。而在光滑试样中,铸件内部缺陷附近的Si相在应力集中的作用下容易发生断裂形成初始裂纹。在低温环境下,基体强度的增加使缺口附近的应力集中增大,促进了Si相的断裂,从而使合金的缺口敏感性增加。裂纹在扩展过程中由尖端产生应力集中,使位错在附近的Si相处塞积,断裂的Si相进一步增加了铝基体内部的应力集中,使铝基体被撕裂,这是裂纹沿着Si相分布扩展的主要原因。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21

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本文编号：2455827