铸造Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg铝合金热处理工艺及力学性能研究

发布时间：2017-05-24 16:00

  本文关键词：铸造Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg铝合金热处理工艺及力学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在共晶Al-Si合金中加入Cu、Ni、Mg元素形成的Al-Si-Cu-Ni-Mg五元系铸造铝合金,因其优异的室温、高温力学性能,在工业轻量化领域有广泛的应用价值,常被用来生产各种活塞、气缸等部件。目前对Al-Si-Cu-Ni-Mg系铝合金的研究较多的集中在成分和元素的作用上,热处理工艺研究还不够。本文利用软件Pandat和升温DSC曲线来研究合金的相转变,进而确定合理的T6工艺。系统研究了Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg合金的组织结构、力学性能、热处理工艺。进一步研究了加入元素Nd、V、Zr后合金组织性能的转变、对应的热处理工艺,以及在最佳热处理状态下Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg合金在不同温度、时间的热暴露条件下的稳定性。Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg铸态合金由α(Al)基体、初生Si、共晶Si、Q相(Al5Cu2Mg8Si6)、Al3CuN i、Al7Cu4N i、θ相(Al2Cu)组成。利用Pandat相图模拟计算得知合金平衡凝固的顺序,凝固时最后固液转变温度为509℃,可以作为固溶温度设计的参考。利用DSC升温曲线分析Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg铸态合金的吸热峰分布,发现铸态合金的第一个吸热峰出现在502.7℃,从相图中可以分析第一个吸热峰对应于Al2Cu的转变温度,为了防止固溶时Al2C u的过热甚至过烧的不利影响,铸态合金的初始固溶温度不应超过502.7℃,基于此设计了单步固溶(495℃×6 h、10 h、14 h)的固溶方案。实验中还发现495℃固溶2h后的固溶态合金升温DSC曲线上没有铸态时的两个最低的两个吸热峰,固溶态的最低吸热峰的开始温度提高到了522.1℃,考虑到温度越高元素溶解度越大,基于此设计了两步固溶((495℃×2 h)+(515℃×4 h、8 h、12 h))的热处理方案。Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg在不同条件下固溶完成后在200℃时效得到合金不同热处理状态下的T6曲线,并测量了对应峰时效态的拉伸力学性能,综合判断本实验中Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg合金的最佳热处理方案为:(495℃×2 h)+(515℃×8 h)固溶,200℃时效4 h,可以将合金的室温抗拉强度从铸态的212 MPa提高到367 MPa,延伸率从0.44%提高到0.66%;300℃高温抗拉强度从铸态的110MPa提高到160MPa,延伸率从5.0下降到3.0%。本文探究了元素Nd、V、Zr对Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg合金组织和力学性能的改变,发现加入元素后合金的升温DSC曲线中吸热峰的分布发生变化。加入0.2Nd/0.44Nd后合金没有前两个低温吸热峰,合金的固溶处理只需要单步固溶即可;加入0.2V/0.15Zr后合金的DSC曲线形状不变,但吸热峰的温度提高,因而仍然采用两步固溶,第一步固溶的温度由495℃提高到了500℃。加入元素后的合金的高温性能均得到提高,但是室温力学性能均下降。加入元素后,在合金组织中生成了块状或条状富Nd/V/Zr中间相,这些中间相的高温稳定性较好,因而可以提高合金的高温力学性能,但是由于块状或条状中间相割裂基体,使得裂纹容易萌生,使得室温力学性能出现下降。本文研究Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg合金在高温长时间热暴露条件下的组织和力学性能转的改变。合金经过最佳T6工艺热处理后进行热暴露,温度分别为200℃、300℃、400℃,时间分别为0h、25h、50h、75h、100h、150h、250h、500h。随着热暴露时间的增加,合金的抗拉强度呈现下降趋势,延伸率呈现上升趋势,最后都趋于稳定。热暴露温度越高,合金抗拉强度下降越快、延伸率上升越快;热暴露500h后合金剩余抗拉强度随着热暴露温度先降低后升高,300℃热暴露时的剩余室温和高温抗拉强度均最低,400℃下降快但是更容易稳定在较高的剩余强度水平。随着热暴露时间的增加,块状粗大的初生硅相不发生变化,细小分布的共晶硅相变得细小,中间相粗大、破裂、球化。热暴露0h时合金拉伸断口断裂方式为准解理+解理的混合断裂模式,随着热暴露时间的增加,断口中撕裂楞的比例开始增加、解理面越来越少、韧窝的数量明显增多,而且韧窝的大小深度也开始增加,合金的延伸率逐渐增加,塑性增强。
【关键词】：Al-Si-Cu-Mg-Ni 热处理 热暴露 显微组织 力学性能
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG166.3;TG146.21
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 引言11-13
• 1.2 铸造铝合金概述13-19
• 1.2.1 铸造铝合金分类13-16
• 1.2.2 铸造铝硅合金的发展现状及趋势16-19
• 1.3 铸造铝合金强化途径19-22
• 1.3.1 固溶强化19-20
• 1.3.2 过剩相强化20
• 1.3.3 弥散强化20-21
• 1.3.4 晶界强化21-22
• 1.4 铸造Al-Si-Cu-Mg-N i合金热处理研究现状22-26
• 1.5 本课题研究内容及意义26-28
• 参考文献28-33
• 第二章 合金制备与实验方法33-41
• 2.1 工艺技术路线33
• 2.2 合金制备33-37
• 2.2.1 原料及准备33-34
• 2.2.2 合金熔炼铸造34-35
• 2.2.3 合金成分35
• 2.2.4 铸造铝合金热处理35-37
• 2.2.5 合金热暴露37
• 2.3 显微组织观察与分析37-39
• 2.3.1 金相观察37-38
• 2.3.2 XRD物相分析38
• 2.3.3 DSC吸热峰分析38
• 2.3.4 SEM和断.形貌观察38
• 2.3.5 EDS能谱分析38-39
• 2.4 性能测试39
• 2.4.1 硬度试验39
• 2.4.2 拉伸试验39
• 2.5 本章小结39-40
• 参考文献40-41
• 第三章 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg合金热处理工艺研究41-63
• 3.1 引言41-42
• 3.2 铸态合金的显微组织及力学性能42-47
• 3.2.1 铸态Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg合金显微组织42-44
• 3.2.2 铸态Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg合金力学性能44-45
• 3.2.3 铸态Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg合金断裂行为45-47
• 3.3 固溶温度的确定47-52
• 3.4 固溶时间的选择52-54
• 3.4.1 固溶后硬度的改变52
• 3.4.2 固溶后元素的扩散分布情况52-54
• 3.5 时效温度的确定54-55
• 3.6 时效时间的选择55-56
• 3.7 热处理对合金力学性能的影响56-58
• 3.7.1 热处理对室温力学性能的影响56-58
• 3.7.2 热处理对高温力学性能的影响58
• 3.8 热处理对合金组织的影响58-59
• 3.9 本章小结59-61
• 参考文献61-63
• 第四章 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg-Nd/V/Zr合金热处理工艺研究63-78
• 4.1 引言63-64
• 4.2 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg-Nd/V/Zr合金DSC分析64-66
• 4.3 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg-Nd合金热处理工艺研究66-70
• 4.3.1 固溶温度及时间的确定66
• 4.3.2 时效温度及时间的确定66-67
• 4.3.3 热处理对Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg-Nd合金力学性能的影响67-69
• 4.3.4 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg-Nd合金组织分析69-70
• 4.4 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg V/Zr合金热处理工艺研究70-74
• 4.4.1 固溶温度及时间的确定70
• 4.4.2 时效温度及时间的确定70-72
• 4.4.3 热处理对Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg V/Zr合金力学性能的影响72-74
• 4.4.4 Al-11.9Si-3.5Cu-1.7N i-0.8Mg -Nd合金组织分析74
• 4.5 本章小结74-76
• 参考文献76-78
• 第五章 合金的高温热暴露实验研究78-89
• 5.1 引言78
• 5.2 热暴露后的力学行为78-84
• 5.3 热暴露后的金相分析84-85
• 5.4 热暴露后拉伸断口分析85-87
• 5.5 本章小结87-88
• 参考文献88-89
• 第六章 结论89-91
• 致谢91-92
• 攻读硕士学位期间发表论文92

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