新型高強韌鋁合金研制與含固態(tài)流變技術(shù)的開發(fā).pdf

1、節(jié)能減排和提高安全性是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要發(fā)展方向。大型結(jié)構(gòu)件，如汽車發(fā)動機缸體，重量的減輕是汽車動力系統(tǒng)以及整車輕量化的重要目標。采用新型高強韌鋁合金將能夠進一步減輕汽車部件的重量，從而明顯提高發(fā)動機功率和燃料效率。本文研究主要以壓鑄 Al-10Si鋁合金為基礎(chǔ)，分別系統(tǒng)地研究了改變 Mn、Cu、Fe元素含量并結(jié)合相關(guān)的壓鑄工藝可以有效地控制 Al-Si合金中含鐵相及第二相的形貌，可以使大多數(shù)針狀含鐵相轉(zhuǎn)化為顆粒狀含鐵相(且粒徑均勻)。

2、
　　同時本研究建立了含固態(tài)流變作用下控制形核及長大的模型，采用含固態(tài)流變方法研究了Al-10Si合金熔體在外場含固態(tài)流變凝固條件下液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)、形核長大機制及其對凝固組織及缺陷的影響規(guī)律，揭示出實現(xiàn)含固態(tài)流變的關(guān)鍵要素。并通過計算機仿真對含固態(tài)流變動態(tài)變化的規(guī)律進行模擬，且通過實驗得到了驗證。利用能量導(dǎo)入方式研究掌握了在含固態(tài)流變作用下的凝固組織細化及球化的形成機理與演變規(guī)律；闡明了對合金熔體實施強能量擾動可以獲得穩(wěn)定均勻的溫度

3、場和濃度場，進而增加有效形核率，抑制晶粒的長大與能量施加強度是實現(xiàn)含固態(tài)流變凝固的關(guān)鍵要素。
　　本研究獲知，該合金在20℃、150℃和300℃時，當Mn含量?0.6%時，Mn含量的增加并不對屈服強度有所影響；當Mn含量達到0.8%時，屈服強度顯著增加。20℃和150℃時，Mn含量的增加提升了抗拉強度的數(shù)值；而300℃時，Mn含量并不明顯影響合金的抗拉強度。Al-10Si-0.5Cu-0.8Mn-0.15Fe鋁合金顯示出較高的YS

4、(RT~173MPa，150℃~155MPa和300℃~87MPa)，UTS(RT~310MPa，150℃~252MPa和300℃~106MPa)以及較低的δ(RT~7.9%，150℃~12.8%和300℃~19.7%)。
　　該合金在20℃、150℃以及300℃時，Cu元素含量的增加導(dǎo)致屈服強度和抗拉強度均有增長，而伸長率基本不發(fā)生變化。Al-10Si-0.8Mn-1.5Cu-0.15Fe鋁合金顯示出較高的YS(RT~211MP

5、a，150℃~195MPa和300℃~104MPa)，UTS(RT~342MPa，150℃~277MPa和300℃~123MPa)以及較低的δ(RT~7.4%，150℃~12.1%和300℃~22%)。
　　該合金在20℃和150℃時，F(xiàn)e含量的增加導(dǎo)致了屈服強度的降低；300℃時，F(xiàn)e含量的增加而屈服強度與抗拉強度也隨之增加。但是高溫時Fe含量的增加導(dǎo)致伸長率減少。Fe含量的增加則能夠提高合金的高溫(300℃)力學(xué)性能。

6、　　早期延長自然時效時間能夠提高合金的硬度和拉伸強度。時間超過5天后，各項力學(xué)性能數(shù)值基本趨于平穩(wěn)。合金的伸長率(δ)則隨自然時效時間的延長而逐漸降低。自然時效17280小時(~720天)的合金試樣顯示出較高的室溫力學(xué)性能(YS~213MPa，UTS~345MPa和δ~7.3%)。根據(jù)合金的硬度可有效的預(yù)測其抗拉強度。測試溫度的提高明顯降低了合金的屈服強度和抗拉強度，但可以明顯改善合金的韌性。當測試溫度由20℃提高300℃時，Al-10

7、Si-0.8Mn-1.5Cu-0.15Fe鋁合金的YS降低了~51%、UTS降低了~64%，而伸長率則提高了大約兩倍。當自然時效時間較短時，室溫時PLC現(xiàn)象的發(fā)生主要歸因于可動位錯與溶質(zhì)原子之間的交互作用；而250℃時，PLC現(xiàn)象的出現(xiàn)可以由動態(tài)應(yīng)變時效理論進行解釋(即析出相與可動位錯之間的交互作用)。
　　室溫時，應(yīng)變速率并不明顯影響合金的加工硬化行為；合金的加工硬化指數(shù)(n)和加工硬化系數(shù)(k)則隨測試溫度的升高而降低。20℃

8、、150℃和300℃時，增加Mn含量并不明顯影響n值和k值。20℃和150℃時，n值和k值隨Cu含量的增加呈現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢；300℃時，Cu含量的增加并不明顯影響n值和k值。20℃時，n值和k值均隨Fe含量的增加而增加。當測試溫度提高到150℃和300℃時，F(xiàn)e含量的提高并不明顯影響n值和k值。隨著自然時效時間的增加 n值不斷降低而k值不斷增加。合金的n值和k值隨測試溫度的增加而逐漸減小。
　　整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)決定了A

9、l-10Si-xCu-yMn-zFe鋁合金的斷裂機制。室溫時試樣發(fā)生整體失穩(wěn)時對應(yīng)的真實塑性應(yīng)變量(εi=n)與斷裂應(yīng)變(εf)比值均大于1，表明，在室溫條件下合金試樣的失效一般發(fā)生在塑性失穩(wěn)(頸縮)之前。隨著測試溫度的提高，合金試樣的εi/εf的比值均小于1，表明，在較高的測試溫度下拉伸試樣的失效均發(fā)生在縮頸發(fā)生之后。這種情況的出現(xiàn)對應(yīng)于合金在高溫時相對較高的塑性變形能力，能夠降低這種過早破壞的發(fā)生。εi/εf的比值隨應(yīng)變速率的增加逐

10、漸增加，而隨測試溫度的增加逐漸減小。
　　低溫和室溫時，Al-10Si-xCu-yMn-zFe鋁合金的拉伸斷口包含有剪切斷裂的特征(除了有大面積的河流花樣及解離臺階外局部也存在少量的韌窩)；隨著測試溫度的提高，拉伸斷口中的韌窩的數(shù)量明顯增多，微孔聚集型斷裂行為十分顯著。在不同測試溫度下，合金的拉伸失效主要來源于相顆粒(包括Si相和α-Alx(Fe,Mn)ySiz相)的開裂以及相顆粒與基體之間的脫落。
　　合金的屈服強度、抗拉