纳米TiC颗粒孕育Al-Cu合金的组织演变及强韧性

发布时间：2020-07-07 05:19

【摘要】：铸造铝铜合金强度高,但较低的塑性和韧性限制了其应用。铸造铝铜合金的枝晶结构对其强韧性具有重要影响,可以通过孕育处理改变其枝晶结构提高强韧性。近几年来,本课题组前期研究表明,纳米TiC颗粒能促进凝固过程中α-Al形核、细化晶粒。此外,在纳米TiC颗粒孕育处理铝铜合金的样品中还发现了一种具有优良强韧性(强度大于540 MPa,断后延伸率不低于15%)的特殊枝晶组织,根据其枝晶结构曲折,形如珊瑚的特点,将其命名为珊瑚状枝晶结构。但纳米TiC孕育铸造铝铜合金的作用机制和珊瑚状枝晶结构具有优异的强韧性原因及其形成机制尚不明确。针对以上问题,本文通过分析不同含量的纳米TiC颗粒和冷却速度对铝铜合金枝晶结构及拉伸性能的影响,探究枝晶结构对铝铜合金强韧性的影响机制,讨论纳米TiC颗粒和冷却速度对铝铜合金枝晶尖端热质交换行为和枝晶生长行为的影响,对上述问题进行探究。通过添加不同含量的纳米TiC颗粒和改变冷却速度获得了具有不同枝晶结构的铝铜合金。a-Al枝晶尺寸随着纳米TiC陶瓷颗粒含量的增加而减小,且当纳米TiC陶瓷颗粒含量增加到0.7 wt.%后,二次枝晶近乎消失,微观组织中以细小的等轴晶粒为主。拉伸结果表明,TiC含量为0.5 wt.%的珊瑚状枝晶结构样品综合力学性能最好,其屈服强度,抗拉强度和断后延伸率分别为315 MPa,542 MPa和17.6%。与珊瑚状枝晶结构样品相比,提高冷却速度后,样品中的初生枝晶尺寸,二次枝晶比例和枝晶曲折度下降,枝晶结构向等轴枝晶转变。而减小冷却速度后,样品中初生枝晶和二次枝晶发生明显粗化,枝晶结构向柱状枝晶结构转变,此外,两个样品的性能也不及珊瑚状枝晶结构样品的性能优异。以等轴枝晶结构样品作为对比样品,分析珊瑚状枝晶结构样品和它的断裂过程后发现,两个样品均匀变形阶段相似,它们的屈服强度,抗拉强度和线弹性断裂韧性近乎相同,但珊瑚状枝晶结构样品具有更高的断后延伸率,弹塑性断裂韧性和断裂功,其分别为等轴枝晶结构样品相应性能的1.4倍,1.19倍和1.5倍。两个样品均以沿晶断裂为主。与等轴枝晶结构样品中裂纹直线扩展不同,珊瑚状枝晶结构样品中裂纹发散扩展,宏观形貌与河流相似。主裂纹扩展时在多处发生明显的转折,造成其尖端应力和应变集中程度较小,总长度变长,变形区域面积和断裂消耗的能量增加,提高了材料强韧性。珊瑚状枝晶结构样品中曲折的枝晶结构是促使裂纹曲折扩展的主要原因。同步辐射X射线原位观察添加或未添加TiC铝铜合金凝固过程,添加TiC可以有效降低形核所需过冷度(6 K→1 K)。空白样品中初期枝晶生长与传热方向有关,后期枝晶生长与扩散行为有关,而添加TiC的样品初期枝晶均以等轴枝晶形式生长,生长方向同样与传热方向有关,但后期枝晶生长环境随着凝固过程不断变化,促使枝晶形貌改变。统计两个样品中形核数目和枝晶长度的变化后发现,添加TiC后形核速率增加且形核过程时长缩短。两个样品中枝晶生长均经历了两次加速和减速,但添加TiC后两次加速和减速的程度较小。发现添加TiC后选择不同模具改变冷却速度对再辉阶段枝晶尖端热质交换行为产生明显影响从而可以改变枝晶生长行为。理论计算结果表明凝固过程边界条件随凝固过程不断变化。模具材料和铸厚比对铸造过程中的温度场和扩散场具有重要影响,且本实验中模具的铸厚比对凝固过程的影响较明显。添加TiC促进形核,增加了形核潜热的释放,但蓄热能力较好模具可以有效缓解样品再辉阶段熔体温度的上升,使初始晶核快速生长。但随着枝晶自由生长距离的快速降低,“自毒化”影响作用的明显提高,逐渐限制了凝固后期初生枝晶生长和二次枝晶发育,使大部分晶粒仍以等轴枝晶的形式存留下来。蓄热能力较差的模具难以有效缓解样品再辉阶段熔体温度上升,从而抑制形核,但有利于减弱邻近枝晶“自毒化”影响和增强毛细作用,促进枝晶长时间发育,弯曲和粗化,最终形成了枝晶结构曲折,形如珊瑚的珊瑚状枝晶结构。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG292
【图文】：

枝晶结构,金相图,铸造铝合金,强韧性

新兴轻型材料所代替。因此，一些轻金属，例如铸造铝合金，以其实用性和适用性优良，原料丰富，价格低廉，研究比较透彻等优点，逐渐占据了主流运输工具中结构材料的重要地位[1,2]。对于铸造铝合金而言，强度和韧性难以同时获得是一个普遍问题[3]。一些研究和工艺，例如细化晶粒[3-5]，热处理[6-9]，添加外来增强颗粒[10-14]，熔体净化[6,15,16]等，已经被用来提高铸造铝合金的塑性和韧性。由于铸造铝合金的枝晶结构对其强韧性具有重要影响，所以孕育处理改变其枝晶结构是常见的且简单有效的增韧方法，其发展历史和使用范围也最为悠久和广泛。近几年本课题组前期研究表明，纳米 TiC颗粒能促进凝固过程中 -Al 形核、细化晶粒。此外，还发现了一种特殊的枝晶结构，具有该枝晶结构的样品具有优异的强韧性(强度不低于 540 MPa，断裂应变不低于15%)[11,12,17-22]。赵[14,23]等人认为材料优良的强韧性与其曲折的枝晶结构有关。随后，周[19]、田[12]等人均在自己的实验中发现并验证上述结论，但他们均没有对纳米 TiC孕育铸造铝铜合金的作用机制及特殊组织具有优异的强韧性原因进一步研究。

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