【摘要】：Al-Si多元合金具有比強度高、密度低、鑄造性能好等優(yōu)點,因此在發(fā)動機活塞中得到了廣泛應(yīng)用。由于活塞長期在高溫高壓環(huán)境中工作,極易產(chǎn)生疲勞失效現(xiàn)象。近年來隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率的提高,活塞所承受的發(fā)動機熱負荷更加嚴重,這對作為活塞材料的鋁合金的高溫疲勞性能提出了更苛刻的要求。常用的活塞合金為近共晶型Al-Si合金,Si含量增加可降低熱膨脹系數(shù),提高合金的鑄造性能,且硅相的存在有利于促進Cu原子的擴散,并形成彌散的強化相。但同時又會形成更多硬脆的塊狀硅相,易在硅相尖角形成應(yīng)力集中造成破壞,降低疲勞性能,熱暴露工藝則會改善硅相形貌提高疲勞性能。為了探究近共晶點Si的微量改變對活塞合金疲勞壽命的影響,保證在不降低熱膨脹系數(shù)的條件下,提高活塞合金的疲勞性能,本課題設(shè)計相關(guān)試驗為發(fā)動機的安全使用提供理論參考。本文以Al-11.5Si-4Cu-Mg-2Ni多元合金為試驗材料。在350℃高溫下,測試了合金經(jīng)T6(500℃×6h+水淬+230℃×2.5h)、T6+350℃×50h熱暴露、T6+350℃×100h熱暴露處理后的高溫力學(xué)性能;針對合金中析出的富銅相,制備Si含量分別為7wt.%、12wt.%、24wt.%的Al-Si-4Cu/Al-Si擴散偶進行擴散試驗,研究了Si含量對合金組織中Cu擴散行為的影響;測試了經(jīng)T6+350℃×100h熱暴露處理后的11.5wt.%,12.5wt.%,13.5wt.%多元合金的350℃高溫疲勞性能。利用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察合金組織,掃描電子顯微鏡(SEM)分析微觀組織與斷口特征,能譜分析儀(EDS)檢測擴散偶中Cu含量分布。深入分析了拉伸性能結(jié)果、疲勞裂紋萌生與擴展的規(guī)律,以及Cu的擴散行為等,揭示了硅含量微量變化對Al-Si活塞合金材料的微觀構(gòu)成與疲勞行為之間的影響,詳細闡述了活塞材料的疲勞斷裂機理。在350℃高溫下,與T6處理相比經(jīng)50h熱暴露處理合金抗拉強度降低46%,延伸率提高123.7%,且隨時間延長抗拉強度進一步降低,延伸率進一步增加。T6態(tài)合金的高溫拉伸斷口可同時觀察到解理平臺與韌窩特征,增加熱暴露處理后斷口中的解理平臺減少,韌窩增多,熱暴露時間延長,韌窩變得更小更深。合金經(jīng)過熱暴露處理后塊狀初晶硅尖角鈍化,共晶硅粒化,延長熱暴露時間硅相的變化更顯著,同時熱暴露后合金基體中析出富銅相大量增多,且圍繞在硅相周圍。增加合金中的硅含量,組織中的初晶硅鈍化加劇,析出的富銅相彌散程度提高。在高溫環(huán)境下長時間保溫,Cu由于化學(xué)勢的作用向右側(cè)Al基體中擴散,并形成細小彌散的富銅相。對比界面兩側(cè)線掃能量峰高度,硅含量從7wt.%增加到24wt.%,Cu的能量峰高度增加50%,說明Cu的擴散量隨硅含量增加而提高。由于硅相在長時間高溫下圓整化加劇,硅含量的增加使硅相與基體的界面增多,這為銅原子在合金中的擴散提供了更多通道,因此Cu的擴散系數(shù)增加,在基體中會形成更多的富銅相。Si含量為11.5wt.%、12.5wt.%、13.5wt.%的合金經(jīng)熱暴露處理后中值疲勞強度分別為40MPa、40.5MPa、42.5MPa,且在相同的的應(yīng)力水平下,隨著Si含量增加,高溫疲勞壽命增加。這是因為硅相促進了Cu的擴散,形成彌散的富銅相,提高了高溫疲勞性能。觀察疲勞斷口,疲勞源基本萌生在鑄造缺陷以及大的硅相處,隨著Si含量增加,宏觀斷口整體變平整,擴展區(qū)面積增大,疲勞條帶間距減小,瞬斷區(qū)硅相開裂現(xiàn)象減少。分析斷裂組織演變,Si含量為11.5wt.%時,裂紋擴展穿過所有的相直接發(fā)生破斷,增加Si含量,經(jīng)熱暴露處理后硅相圓整化加劇,12.5wt.%Si的合金疲勞裂紋會繞過尖角變少的硅相與強度高的金屬間化合物進行擴展,但會穿過較脆的富鐵相等進行擴展,當(dāng)Si含量達到13.5wt.%,合金裂紋大部分都沿各相晶界邊緣偏轉(zhuǎn)以沿晶方式斷裂,只有極少數(shù)的穿過質(zhì)脆的相。
【學(xué)位授予單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK403;TG146.21

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