Zr和Hf元素对Al-Si-Mg铸造合金微观组织和高温力学性能的影响

发布时间：2020-05-29 16:14

【摘要】：Al-Si-Mg铸造合金具有铸造流动性好、气密性好、比强度高、耐腐蚀性高、抗疲劳性好等优点。以Al-Si-Mg为基础的铸造合金是当前汽车全铝发动机的主要应用材料之一,当工作温度达到200~℃及以上合金中的β″主强化相将逐渐失去稳定,从而失去强化作用,导致合金材料的服役寿命缩短。Al-7Si-0.3Mg铸造合金中添加微量过渡元素Hf可以形成一种高温稳定的Si-Hf沉淀强化相,该析出相的形成将大幅度提高合金的高温抗蠕变性能,系统开展这类高温稳定相的研究为设计和开发新一代汽车发动机用耐高温铝合金材料提供理论指导和技术支持。本论文以Al-7Si-0.3Mg铸造合金为基础合金,设计了一组添加Zr和Hf元素的Al-7Si-0.3Mg-Zr/Hf/Zr+Hf铸造合金,主要采用聚焦离子束/电子束双束系统(FIB/SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)结合能谱分析(EDS)等材料表征和分析技术、硬度测试、DSC热分析、高温拉伸测试、高温疲劳测试和高温蠕变测试,结合第一性原理计算及近似重位点阵(NCS)理论等理论分析,系统的研究了(1)Zr和Hf元素的添加对Al-7Si-0.3Mg铸造合金中初生相的影响;(2)Zr和Hf元素的添加对Al-7Si-0.3Mg铸造合金中析出相的影响,重点为析出相的成分、结构和形成机理;(3)Zr和Hf元素的添加对Al-7Si-0.3Mg铸造合金高温力学性能的影响,重点为纳米带状析出相与位错的关系、疲劳/蠕变变形机制。得到如下主要结论:(1)添加Zr和Hf元素的Al-7Si-0.3Mg铸造合金在凝固过程中形成高温稳定的AlSiZr、AlSiHf和AlSiZrHf初生相和高温不稳定的L1_2结构Al_3(Zr,Hf)初生相。Al_3(Zr,Hf)初生相在凝固过程中存在两种不同的三维形貌,且该初生相的三维形貌从十面体演变成六面体。(2)固溶态Al-7Si-0.3Mg-0.16Zr、Al-0.7Si-0.3Mg-0.47Hf和Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf铸造合金中矩形状析出相分别为L1_2结构Al_3Zr相、正交结构的Si_2Hf和Si_2(Zr,Hf)析出相。纳米带状析出相为Si_2X(X=Zr,Hf)析出相,其中Si_2Zr析出相与基体的取向关系为:[011]_(Al)∥[-101]_p和(1-11)_A∥(010)_p,(0-11)_(Al)∥(101)_p。Si_2Hf和Si_2(Zr,Hf)析出相与基体的取向关系为,[011]_(Al)//[-101]_p和(100)_(Al)//(010)_p,(0-11)_(Al)//(101)_p。在这两种取向关系中纳米带状析出相在Al基体中析出惯习面分别为(1-11)_(Al)和(100)_(Al)晶面。(3)矩形状L1_2结构Al_3Zr相长度方向沿着铝基体的(011)_(Al)面法向生长,宽度方向沿着(100)_(Al)面法向生长。通过构建的界面和第一性原理计算,Al_((100))/Al_3Zr_((100))界面的界面能明显低于Al_((011))/Al_3Zr_((011))界面的界面能,L1_2结构Al_3Zr相仍呈现矩形状形貌。纳米带状析出相的惯习面都与析出相自身的(010)_p面平行,铝基体与析出相在(010)_p晶面上匹配时能量最低,析出相更倾向于沿着能量最低的惯习面(010)_p晶面生长,呈现纳米带状形貌。(4)Al-0.7Si-0.3Mg-0.16Zr和Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf铸造合金具有更高的时效析出动力学。Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf铸造合金在高温拉伸测试中具有更好的断裂延伸率。四种合金在高温低周疲劳中都表现为循环软化现象。高温下位错攀移越过纳米带状析出相和合金的过时效导致合金循环软化。Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf铸造合金在高温低周疲劳性能测试中表现出最好的抗疲劳性能。(5)Al-0.7Si-0.3Mg-0.16Zr铸造合金在300~℃高温蠕变性能测试中表现出最好的抗蠕变性能,稳态蠕变速率最小,为3.17*10~(-7)s~(-1)。
【图文】：

图 1.1 近十年世界和中国汽车销售量的变化趋势 （单位：万辆）Fig. 1.1 The car’s statistics of the top ten largest producer for cars in the world and china from 2007to 2016.随着现代社会能源危机和环境问题的不断加剧，，减轻汽车整车重量推进汽车轻量化是提高汽车燃油效率、节省能源和减少废气排放的有效途径。国内外研究数据显示[12-14]，对汽车整车而言，约 70% 的油耗是用在汽车自重上的，汽车整车质量每减少 100 公斤，百公里油耗可降低 0.3-0.6 升，二氧化碳排放可减少 50 克/公里。因此传统的汽车用钢铁结构材料在汽车制造中逐步被轻量化的铝合金材料取代，汽车铝化对降低汽车整车自重，提高整车的燃油经济性至关重要。铝合金作为轻金属材料，具有比重小、比强度好、耐腐蚀性好、导电导热性高、抗疲劳性能好，易加工、易回收等特性，因此铝合金被广泛应用于汽车工业中，从而达到汽车轻量化的目的。2012 年发达国家单车用铝量到达了 150Kg，中国也接近 100Kg。图 1.2 为欧美国家单车用铝量统计图[15, 16]。表 1.1 为我国未来近预期达到的单车用铝目标[17]。欧美国家汽车用铝较我国起步较早，单车用铝量明显比中国多，因此

图 1.2 欧美国家单车用铝量Fig. 1.2 Relative and absolute shares of Aluminum in some European cars表1.1 中国未来预期达到的单车用铝目标 (千克)The main components of the system in the automotive aluminum castings o年份2020 2025 2铝 190 250 3合金代替钢铁材料制造汽车，可使汽车整车重量减轻 30%-40 30%，车轮减轻 50%，这三项的用铝量也是近年来增幅最大奔驰、宝马、福特、路虎、本田、丰田、现代以及大众等国际用铝的先锋。表 1.2 为铝材代替钢材或铸铁的重量对比[18]。表 1.2 铝材代替钢材或铸铁的重量对比
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】

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1 袁宗齐;;发动机缸盖用铸造铝合金的成分与性能研究[J];铸造技术;2015年11期

2 袁武华;孙莉;;Cu,Ce对Al-7Si-0.35Mg合金显微组织和力学性能的影响[J];湖南大学学报(自然科学版);2014年07期

3 王雪丽;张伟;贾志宏;刘庆;;聚焦离子束技术制备与样品表面平行的TEM样品[J];电子显微学报;2013年05期

4 吴亮;金青林;蒋业华;;铁相形貌对铝硅合金高温拉伸断裂机制的影响[J];材料热处理学报;2013年04期

5 李平;王祝堂;;汽车压铸及铸造铝合金[J];轻合金加工技术;2011年12期

6 徐芳;陈振中;;A357铸造铝合金疲劳裂纹扩展行为以及裂纹偏折[J];工程力学;2011年10期

7 巫少龙;黄正军;;Sr变质对铸造AlSi7Cu2Mg合金伸长率的影响[J];铸造技术;2010年11期

8 陈大辉;贾祥磊;朱秀荣;费良军;彭银江;张立君;;发动机缸盖铸造铝合金的研究进展[J];铸造技术;2010年07期

9 ;Influence of Al-Ti-B addition on the microstructure and mechanical properties of A356 alloys[J];Rare Metals;2009年02期

10 陈铭年;潘翔;梁霖锋;;汽车轻量化是节能环保的有效措施[J];福建工程学院学报;2008年S1期

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1 王雪丽;Al-Si-Mg-Hf合金中析出相的研究[D];重庆大学;2016年

2 要东明;La、Pr对铸造Al-Cu合金组织和高温性能的影响规律及机制[D];吉林大学;2012年

3 顾新福;FCC/BCC系统中相变晶体学择优规律的研究[D];清华大学;2011年

本文编号：2687177