【摘要】：鑄造鋁銅合金強(qiáng)度高,但較低的塑性和韌性限制了其應(yīng)用。鑄造鋁銅合金的枝晶結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)韌性具有重要影響,可以通過孕育處理改變其枝晶結(jié)構(gòu)提高強(qiáng)韌性。近幾年來,本課題組前期研究表明,納米TiC顆粒能促進(jìn)凝固過程中α-Al形核、細(xì)化晶粒。此外,在納米TiC顆粒孕育處理鋁銅合金的樣品中還發(fā)現(xiàn)了一種具有優(yōu)良強(qiáng)韌性(強(qiáng)度大于540 MPa,斷后延伸率不低于15%)的特殊枝晶組織,根據(jù)其枝晶結(jié)構(gòu)曲折,形如珊瑚的特點(diǎn),將其命名為珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)。但納米TiC孕育鑄造鋁銅合金的作用機(jī)制和珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性原因及其形成機(jī)制尚不明確。針對(duì)以上問題,本文通過分析不同含量的納米TiC顆粒和冷卻速度對(duì)鋁銅合金枝晶結(jié)構(gòu)及拉伸性能的影響,探究枝晶結(jié)構(gòu)對(duì)鋁銅合金強(qiáng)韌性的影響機(jī)制,討論納米TiC顆粒和冷卻速度對(duì)鋁銅合金枝晶尖端熱質(zhì)交換行為和枝晶生長行為的影響,對(duì)上述問題進(jìn)行探究。通過添加不同含量的納米TiC顆粒和改變冷卻速度獲得了具有不同枝晶結(jié)構(gòu)的鋁銅合金。a-Al枝晶尺寸隨著納米TiC陶瓷顆粒含量的增加而減小,且當(dāng)納米TiC陶瓷顆粒含量增加到0.7 wt.%后,二次枝晶近乎消失,微觀組織中以細(xì)小的等軸晶粒為主。拉伸結(jié)果表明,TiC含量為0.5 wt.%的珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品綜合力學(xué)性能最好,其屈服強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率分別為315 MPa,542 MPa和17.6%。與珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品相比,提高冷卻速度后,樣品中的初生枝晶尺寸,二次枝晶比例和枝晶曲折度下降,枝晶結(jié)構(gòu)向等軸枝晶轉(zhuǎn)變。而減小冷卻速度后,樣品中初生枝晶和二次枝晶發(fā)生明顯粗化,枝晶結(jié)構(gòu)向柱狀枝晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,此外,兩個(gè)樣品的性能也不及珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品的性能優(yōu)異。以等軸枝晶結(jié)構(gòu)樣品作為對(duì)比樣品,分析珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品和它的斷裂過程后發(fā)現(xiàn),兩個(gè)樣品均勻變形階段相似,它們的屈服強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度和線彈性斷裂韌性近乎相同,但珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品具有更高的斷后延伸率,彈塑性斷裂韌性和斷裂功,其分別為等軸枝晶結(jié)構(gòu)樣品相應(yīng)性能的1.4倍,1.19倍和1.5倍。兩個(gè)樣品均以沿晶斷裂為主。與等軸枝晶結(jié)構(gòu)樣品中裂紋直線擴(kuò)展不同,珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品中裂紋發(fā)散擴(kuò)展,宏觀形貌與河流相似。主裂紋擴(kuò)展時(shí)在多處發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折,造成其尖端應(yīng)力和應(yīng)變集中程度較小,總長度變長,變形區(qū)域面積和斷裂消耗的能量增加,提高了材料強(qiáng)韌性。珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)樣品中曲折的枝晶結(jié)構(gòu)是促使裂紋曲折擴(kuò)展的主要原因。同步輻射X射線原位觀察添加或未添加TiC鋁銅合金凝固過程,添加TiC可以有效降低形核所需過冷度(6 K→1 K)�？瞻讟悠分谐跗谥L與傳熱方向有關(guān),后期枝晶生長與擴(kuò)散行為有關(guān),而添加TiC的樣品初期枝晶均以等軸枝晶形式生長,生長方向同樣與傳熱方向有關(guān),但后期枝晶生長環(huán)境隨著凝固過程不斷變化,促使枝晶形貌改變。統(tǒng)計(jì)兩個(gè)樣品中形核數(shù)目和枝晶長度的變化后發(fā)現(xiàn),添加TiC后形核速率增加且形核過程時(shí)長縮短。兩個(gè)樣品中枝晶生長均經(jīng)歷了兩次加速和減速,但添加TiC后兩次加速和減速的程度較小。發(fā)現(xiàn)添加TiC后選擇不同模具改變冷卻速度對(duì)再輝階段枝晶尖端熱質(zhì)交換行為產(chǎn)生明顯影響從而可以改變枝晶生長行為。理論計(jì)算結(jié)果表明凝固過程邊界條件隨凝固過程不斷變化。模具材料和鑄厚比對(duì)鑄造過程中的溫度場(chǎng)和擴(kuò)散場(chǎng)具有重要影響,且本實(shí)驗(yàn)中模具的鑄厚比對(duì)凝固過程的影響較明顯。添加TiC促進(jìn)形核,增加了形核潛熱的釋放,但蓄熱能力較好模具可以有效緩解樣品再輝階段熔體溫度的上升,使初始晶核快速生長。但隨著枝晶自由生長距離的快速降低,“自毒化”影響作用的明顯提高,逐漸限制了凝固后期初生枝晶生長和二次枝晶發(fā)育,使大部分晶粒仍以等軸枝晶的形式存留下來。蓄熱能力較差的模具難以有效緩解樣品再輝階段熔體溫度上升,從而抑制形核,但有利于減弱鄰近枝晶“自毒化”影響和增強(qiáng)毛細(xì)作用,促進(jìn)枝晶長時(shí)間發(fā)育,彎曲和粗化,最終形成了枝晶結(jié)構(gòu)曲折,形如珊瑚的珊瑚狀枝晶結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG292
【圖文】：

新興輕型材料所代替。因此，一些輕金屬，例如鑄造鋁合金，以其實(shí)用性和適用性優(yōu)良，原料豐富，價(jià)格低廉，研究比較透徹等優(yōu)點(diǎn)，逐漸占據(jù)了主流運(yùn)輸工具中結(jié)構(gòu)材料的重要地位[1,2]。對(duì)于鑄造鋁合金而言，強(qiáng)度和韌性難以同時(shí)獲得是一個(gè)普遍問題[3]。一些研究和工藝，例如細(xì)化晶粒[3-5]，熱處理[6-9]，添加外來增強(qiáng)顆粒[10-14]，熔體凈化[6,15,16]等，已經(jīng)被用來提高鑄造鋁合金的塑性和韌性。由于鑄造鋁合金的枝晶結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)韌性具有重要影響，所以孕育處理改變其枝晶結(jié)構(gòu)是常見的且簡單有效的增韌方法，其發(fā)展歷史和使用范圍也最為悠久和廣泛。近幾年本課題組前期研究表明，納米 TiC顆粒能促進(jìn)凝固過程中 -Al 形核、細(xì)化晶粒。此外，還發(fā)現(xiàn)了一種特殊的枝晶結(jié)構(gòu)，具有該枝晶結(jié)構(gòu)的樣品具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性(強(qiáng)度不低于 540 MPa，斷裂應(yīng)變不低于15%)[11,12,17-22]。趙[14,23]等人認(rèn)為材料優(yōu)良的強(qiáng)韌性與其曲折的枝晶結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨后，周[19]、田[12]等人均在自己的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證上述結(jié)論，但他們均沒有對(duì)納米 TiC孕育鑄造鋁銅合金的作用機(jī)制及特殊組織具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性原因進(jìn)一步研究。

iCp/Al-5Cu 合金室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(4 號(hào)為珊瑚狀枝晶[19]Engineering stress-strain curves of tensile properties of TiCpperature (the number of “coral-Like dendrite strcucture” sam上問題，本文通過分析不同含量的納米 TiC 顆粒和冷卻速度和性能的影響，探究枝晶結(jié)構(gòu)影響 Al-Cu 合金強(qiáng)韌性的機(jī)制冷卻速度對(duì) Al-Cu 合金枝晶尖端熱質(zhì)交換行為和枝晶生長行問題進(jìn)行探討，以期為研究納米 TiC 孕育機(jī)制和及其工業(yè)應(yīng)用顆粒對(duì)鋁合金的孕育作用瓷顆�？梢约�(xì)化晶粒從而改變材料本身的枝晶結(jié)構(gòu)，尤其是的陶瓷顆粒，例如 TiB2，TiC，微量添加便可明顯改變材料的能變化。晶結(jié)構(gòu)形成過程及其影響因素

A356 合金初始凝固階段冷卻曲線及其一階導(dǎo)數(shù)ling curve and corresponding first derivative of Aoriginal stage of solidification[25]段緊隨晶核形成階段，枝晶結(jié)構(gòu)很大程度上取決于生長速率、枝晶形態(tài)和枝晶間距等這些枝晶生長行行為[24]。早期研究假設(shè)枝晶尖端為球冠狀，但 193近于旋轉(zhuǎn)拋物面。1947 年 Ivanstov 對(duì)旋轉(zhuǎn)拋物面擴(kuò)

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2 黃aF,周堯和;低熔化熵晶體中的生長孿晶與孿生枝晶[J];材料科學(xué)進(jìn)展;1988年06期

3 黃aF,毛協(xié)民,周堯和,魯?shù)卵?毛志英;擴(kuò)散控制的強(qiáng)制性枝晶凝固[J];西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1988年02期

4 郭俊清;李慶春;;深度過冷合金凝固的研究進(jìn)展[J];材料科學(xué)與工程;1988年03期

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6 劉立新;安閣英;李慶春;;一次間距調(diào)整機(jī)理探討[J];金屬科學(xué)與工藝;1988年04期

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本文編號(hào)：2744701