铸造Al-Si系合金低温力学性能研究

发布时间：2020-09-09 16:41

　　由于铸造Al-Si合金具有强度高和铸造性能优良等优点,被广泛应用于工业和交通运输业。越来越多的Al-Si合金铸件应用于高速列车(如:枕梁),国内高速铁路的迅速发展对铝合金铸件提出更高的质量要求。铝合金设备有时会出现难以检测和预防的疲劳断裂,这种突然断裂的失效形式往往给工程带来难以预料的危险。此外,高速铁路需要在低温下运行,特别是在我们国家的高原地区以及东北地区的冬季,室外温度甚至会达到-40°C。因此,如何提高铸造Al-Si合金低温条件下的综合力学性能是亟待解决的问题。本文对铸造Al-Si合金的低温拉伸性能和疲劳性能进行了研究,主要研究了晶粒尺寸、变质、时效和深冷处理对ZL101合金低温拉伸性能的影响;其次,研究了Si含量对Al-xSi(x=1,4,7,12)-0.3Mg合金低温拉伸性能的影响;另外,分析了ZL101合金低温疲劳性能;最后,研究了铸造缺陷对ZL101合金断裂行为的影响。结果表明,通过添加Al-Ti-B晶粒细化剂和增加凝固速率的方式,使合金晶粒细化,从而合金力学性能提高。通过添加Al-Sr和Al-RE进行复合变质,使得合金中粗大板片状Si相转变为细小纤维状,Si相对铝基体的割裂作用减弱,同时对位错运动的阻碍作用增强,使合金性能改善。同时,同一工艺条件下的合金低温强度高于室温,伸长率相反。随着时效时间增加,ZL101合金强度先上升后下降,伸长率则相反,在时效7h时合金强度达到最大值。深冷处理使合金内部产生压应力,在拉伸过程中外界应力需要抵消这部分应力,使合金强度和伸长率均得到提高;低温条件下,性能变化规律与室温一致。Al-x(x=1,4,7,12)Si-0.3Mg合金低温强度均高于室温,其中Al-1Si-0.3Mg伸长率随着温度降低而升高,Al-x(x=4,7,12)Si-0.3Mg合金则相反;Al-x(x=1,4,7,12)Si-0.3Mg合金,随着Si含量增加,合金强度提高,伸长率降低。与20°C相比,在同一应变条件下,材料低温疲劳循环周次显著增加,这与裂纹在低温条件下的萌生门槛值提高以及扩展速率降低紧密相关;在同一温度下,材料寿命随着应变幅的增加而降低。通过对比分析回收料与纯净合金,研究铸造缺陷对合金断裂行为的影响,纯净合金裂纹在Si相附近萌生,并沿着Si相边缘扩展;利用回收料制备的合金中存在大量铸造缺陷,裂纹在缺陷处萌生,随着加载力增加,裂纹扩展至Si相而使Si相断裂,在裂纹扩展过程中,裂纹扩展方向沿着最大剪切应力方向,但当遇到铸造缺陷时,扩展方向发生较大改变。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.21
【部分图文】：

元素含量,地壳,百分比

其总储存量约占地壳质量的 7.73%，如图1.1 所示。铝及铝合金具有轻便型、导电和导热性良好、可塑性和耐腐蚀性良好等优良特性，其产量在金属材料中仅仅低于钢铁材料。由于钢铁质量较重，相对来说铝合金在相同的体积下质量比较轻，从而铝开始逐渐在某些方面开始代替钢。为了满足汽车、航空等轻量化的需要，目前广泛采用铝、镁等有色金属铸件代替传统钢铁铸件，对具有优良性能的铝合金需求量越来越大[1,2]。图 1.1 地壳元素含量百分比Fig. 1.1 Element content percentage of crust铝合金分为铸造铝合金与变形铝合金两类，其中铸造铝合金主要分为四种，如表1.1 所示。与变形铝合金相比，铸造铝合金优势在于：生产成本低，如无需挤压等加工工序；生产周期短，可以通过熔炼浇铸直接获得铸件；生产效率高，经济效益良好[3,4]。铸造 Al-Si 合金具有优良的铸造性能，该类合金大约为铝铸件的 85%~90%，是品种最多、使用最广的一类铸造铝合金[5]。根据 Si 含量不同铸造 Al-Si 合金可分为：亚共晶共晶和过共晶三种[6]。Si 元素能显著改善 Al-Si 合金流动性，降低合金热膨胀系数，减少热裂倾向，提高气密性，并且减少疏松。随着现代铁路运输的高速发展，为了使得车体重量减轻，更多使用的是铝合金型材，其中 ZL101 合金被广泛用于高铁枕梁。此外，越来越多的高速铁路需要在比较低的温度下运行，例如在我们国家的高原地区以及东北地区的冬季，室外温度甚至会达到-40°C。随温度的降低铝合金得以强化

熔炼设备,固溶处理,设备

图 2.1 熔炼设备Fig. 2.1 Melting equipment图 2.2 固溶处理设备Fig. 2.2 Solution treatment equipment

固溶处理,熔炼设备,设备

图 2.1 熔炼设备Fig. 2.1 Melting equipment图 2.2 固溶处理设备Fig. 2.2 Solution treatment equipment

【参考文献】