【摘要】：Al-Si-Mg鑄造合金具有鑄造流動性好、氣密性好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性高、抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)。以Al-Si-Mg為基礎(chǔ)的鑄造合金是當(dāng)前汽車全鋁發(fā)動機(jī)的主要應(yīng)用材料之一,當(dāng)工作溫度達(dá)到200~℃及以上合金中的β″主強(qiáng)化相將逐漸失去穩(wěn)定,從而失去強(qiáng)化作用,導(dǎo)致合金材料的服役壽命縮短。Al-7Si-0.3Mg鑄造合金中添加微量過渡元素Hf可以形成一種高溫穩(wěn)定的Si-Hf沉淀強(qiáng)化相,該析出相的形成將大幅度提高合金的高溫抗蠕變性能,系統(tǒng)開展這類高溫穩(wěn)定相的研究為設(shè)計(jì)和開發(fā)新一代汽車發(fā)動機(jī)用耐高溫鋁合金材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。本論文以Al-7Si-0.3Mg鑄造合金為基礎(chǔ)合金,設(shè)計(jì)了一組添加Zr和Hf元素的Al-7Si-0.3Mg-Zr/Hf/Zr+Hf鑄造合金,主要采用聚焦離子束/電子束雙束系統(tǒng)(FIB/SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)結(jié)合能譜分析(EDS)等材料表征和分析技術(shù)、硬度測試、DSC熱分析、高溫拉伸測試、高溫疲勞測試和高溫蠕變測試,結(jié)合第一性原理計(jì)算及近似重位點(diǎn)陣(NCS)理論等理論分析,系統(tǒng)的研究了(1)Zr和Hf元素的添加對Al-7Si-0.3Mg鑄造合金中初生相的影響;(2)Zr和Hf元素的添加對Al-7Si-0.3Mg鑄造合金中析出相的影響,重點(diǎn)為析出相的成分、結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理;(3)Zr和Hf元素的添加對Al-7Si-0.3Mg鑄造合金高溫力學(xué)性能的影響,重點(diǎn)為納米帶狀析出相與位錯(cuò)的關(guān)系、疲勞/蠕變變形機(jī)制。得到如下主要結(jié)論:(1)添加Zr和Hf元素的Al-7Si-0.3Mg鑄造合金在凝固過程中形成高溫穩(wěn)定的AlSiZr、AlSiHf和AlSiZrHf初生相和高溫不穩(wěn)定的L1_2結(jié)構(gòu)Al_3(Zr,Hf)初生相。Al_3(Zr,Hf)初生相在凝固過程中存在兩種不同的三維形貌,且該初生相的三維形貌從十面體演變成六面體。(2)固溶態(tài)Al-7Si-0.3Mg-0.16Zr、Al-0.7Si-0.3Mg-0.47Hf和Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf鑄造合金中矩形狀析出相分別為L1_2結(jié)構(gòu)Al_3Zr相、正交結(jié)構(gòu)的Si_2Hf和Si_2(Zr,Hf)析出相。納米帶狀析出相為Si_2X(X=Zr,Hf)析出相,其中Si_2Zr析出相與基體的取向關(guān)系為:[011]_(Al)∥[-101]_p和(1-11)_A∥(010)_p,(0-11)_(Al)∥(101)_p。Si_2Hf和Si_2(Zr,Hf)析出相與基體的取向關(guān)系為,[011]_(Al)//[-101]_p和(100)_(Al)//(010)_p,(0-11)_(Al)//(101)_p。在這兩種取向關(guān)系中納米帶狀析出相在Al基體中析出慣習(xí)面分別為(1-11)_(Al)和(100)_(Al)晶面。(3)矩形狀L1_2結(jié)構(gòu)Al_3Zr相長度方向沿著鋁基體的(011)_(Al)面法向生長,寬度方向沿著(100)_(Al)面法向生長。通過構(gòu)建的界面和第一性原理計(jì)算,Al_((100))/Al_3Zr_((100))界面的界面能明顯低于Al_((011))/Al_3Zr_((011))界面的界面能,L1_2結(jié)構(gòu)Al_3Zr相仍呈現(xiàn)矩形狀形貌。納米帶狀析出相的慣習(xí)面都與析出相自身的(010)_p面平行,鋁基體與析出相在(010)_p晶面上匹配時(shí)能量最低,析出相更傾向于沿著能量最低的慣習(xí)面(010)_p晶面生長,呈現(xiàn)納米帶狀形貌。(4)Al-0.7Si-0.3Mg-0.16Zr和Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf鑄造合金具有更高的時(shí)效析出動力學(xué)。Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf鑄造合金在高溫拉伸測試中具有更好的斷裂延伸率。四種合金在高溫低周疲勞中都表現(xiàn)為循環(huán)軟化現(xiàn)象。高溫下位錯(cuò)攀移越過納米帶狀析出相和合金的過時(shí)效導(dǎo)致合金循環(huán)軟化。Al-0.7Si-0.3Mg-0.14Zr-0.44Hf鑄造合金在高溫低周疲勞性能測試中表現(xiàn)出最好的抗疲勞性能。(5)Al-0.7Si-0.3Mg-0.16Zr鑄造合金在300~℃高溫蠕變性能測試中表現(xiàn)出最好的抗蠕變性能,穩(wěn)態(tài)蠕變速率最小,為3.17*10~(-7)s~(-1)。
【圖文】：

圖 1.1 近十年世界和中國汽車銷售量的變化趨勢 （單位：萬輛）Fig. 1.1 The car’s statistics of the top ten largest producer for cars in the world and china from 2007to 2016.隨著現(xiàn)代社會能源危機(jī)和環(huán)境問題的不斷加劇，，減輕汽車整車重量推進(jìn)汽車輕量化是提高汽車燃油效率、節(jié)省能源和減少廢氣排放的有效途徑。國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)顯示[12-14]，對汽車整車而言，約 70% 的油耗是用在汽車自重上的，汽車整車質(zhì)量每減少 100 公斤，百公里油耗可降低 0.3-0.6 升，二氧化碳排放可減少 50 克/公里。因此傳統(tǒng)的汽車用鋼鐵結(jié)構(gòu)材料在汽車制造中逐步被輕量化的鋁合金材料取代，汽車鋁化對降低汽車整車自重，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。鋁合金作為輕金屬材料，具有比重小、比強(qiáng)度好、耐腐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性高、抗疲勞性能好，易加工、易回收等特性，因此鋁合金被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中，從而達(dá)到汽車輕量化的目的。2012 年發(fā)達(dá)國家單車用鋁量到達(dá)了 150Kg，中國也接近 100Kg。圖 1.2 為歐美國家單車用鋁量統(tǒng)計(jì)圖[15, 16]。表 1.1 為我國未來近預(yù)期達(dá)到的單車用鋁目標(biāo)[17]。歐美國家汽車用鋁較我國起步較早，單車用鋁量明顯比中國多，因此

圖 1.2 歐美國家單車用鋁量Fig. 1.2 Relative and absolute shares of Aluminum in some European cars表1.1 中國未來預(yù)期達(dá)到的單車用鋁目標(biāo) (千克)The main components of the system in the automotive aluminum castings o年份2020 2025 2鋁 190 250 3合金代替鋼鐵材料制造汽車，可使汽車整車重量減輕 30%-40 30%，車輪減輕 50%，這三項(xiàng)的用鋁量也是近年來增幅最大奔馳、寶馬、福特、路虎、本田、豐田、現(xiàn)代以及大眾等國際用鋁的先鋒。表 1.2 為鋁材代替鋼材或鑄鐵的重量對比[18]。表 1.2 鋁材代替鋼材或鑄鐵的重量對比
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2687177