本文關(guān)鍵詞：半固態(tài)鑄造Al-Si-Cu-Mg合金熱處理工藝及強(qiáng)化機(jī)理研究

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【摘要】：半固態(tài)鑄造技術(shù)與傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄技術(shù)相比,具有充型平穩(wěn)、無卷氣、鑄件致密無縮孔等優(yōu)點(diǎn),因此可以充分的將不適用于液態(tài)壓鑄領(lǐng)域的熱處理制度應(yīng)用于半固態(tài)成形件生產(chǎn)環(huán)節(jié),進(jìn)一步提高工業(yè)用鋁合金件的綜合力學(xué)性能。本研究以可熱處理強(qiáng)化Al-Si-Cu-Mg系合金為實(shí)驗(yàn)材料,采用半固態(tài)高壓鑄造技術(shù)成形,針對材料熱處理過程的組織轉(zhuǎn)變、性能變化、熱處理擴(kuò)散型孔洞形成機(jī)理以及該系合金熱處理強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要成果如下:系統(tǒng)分析了半固態(tài)鑄造亞共晶Al-Si-Cu-Mg系合金中相種類、形貌及分布特征通過TEM檢測確認(rèn)319S合金中存在的第二相種類包括塊狀A(yù)l_2Cu、彌散型Al_2Cu、針狀β-AlFeSi、六邊形Al_5Cu_2Mg_8Si_6以及蛇形Al_8Mg_3FeSi_2,而357合金中的第二相主要有Mg_2Si和Al_2Cu等。觀測并研究了熱處理過程中,357鋁合金中共晶硅相發(fā)生的Ostwald熟化現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)分析了共晶硅的破碎、長大、球化階段;實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度越高和時(shí)間越長,硅顆粒的長大和球化現(xiàn)象越明顯;高溫段(540℃)和低溫段(170℃)熱處理均能促進(jìn)硅顆粒熟化;本研究中,硅顆粒平均面積由4.0μm~2最終長大到7.2μm~2,增幅達(dá)80%。研究了以合金強(qiáng)度、延伸率和能耗為參考指標(biāo)的熱處理優(yōu)化工藝。本研究中所用357合金性能可在下列范圍內(nèi)通過熱處理進(jìn)行調(diào)整,抗拉強(qiáng)度:220～359MPa;屈服強(qiáng)度:106～307MPa;延伸率:15.5～9.2%。通過對熱處理參數(shù)的復(fù)合優(yōu)化,可以在保證合金性能相近的情況下,最多節(jié)約能源64.8%。此外斷口分析發(fā)現(xiàn),在半固態(tài)成形件中,含C、O、Cl、S等元素的外來夾雜物是造成成形件延伸率不穩(wěn)定的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)半固態(tài)流變工藝制備的319S鋁合金力學(xué)性能低于觸變工藝制備的319S鋁合金:前者分別是后者抗拉強(qiáng)度的91.2%,屈服強(qiáng)度的92.9%和伸長率的88.6%。僅通過熱處理優(yōu)化環(huán)節(jié)無法使二者性能達(dá)到一致,結(jié)合不同溫度下的人工時(shí)效研究,進(jìn)一步證明熱處理的調(diào)整范圍是有限度的,需要綜合考慮多種強(qiáng)化機(jī)理才能從更大范圍上提高材料的綜合力學(xué)性能。采用原位對比實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)研究319S合金中熱處理過程中出現(xiàn)的尺寸約3μm的擴(kuò)散型孔洞。通過研究發(fā)現(xiàn),合金相熔點(diǎn)溫度以下熱處理形成的孔洞,迥異于傳統(tǒng)的過燒熱處理缺陷,而是受到固態(tài)原子非平衡互擴(kuò)散過程的影響。通過將Fick擴(kuò)散定律、LSW擴(kuò)散定律以及二維Kirkendall效應(yīng)有機(jī)結(jié)合,完整的解釋了本研究中發(fā)現(xiàn)的在三維體系鋁合金內(nèi)部存在的低溫保溫條件下固態(tài)原子擴(kuò)散型孔洞的形成機(jī)制、臨界尺寸問題及有效的預(yù)防機(jī)制問題。在溫度恒定條件下,隨著固溶時(shí)間的延長,孔洞數(shù)量增多并逐漸達(dá)到平臺值;在時(shí)間恒定條件下,隨著固溶溫度的提高,孔洞數(shù)量增加并最終趨于穩(wěn)定。通過添加低溫預(yù)固溶階段可以有效減少最終熱處理孔洞出現(xiàn)頻率;控制液態(tài)金屬凝固過程,降低鑄態(tài)組織中第二相的尺寸,提高其分布密度也是減少孔洞的有效措施之一。熱處理實(shí)驗(yàn)表明,半固態(tài)鑄造Al-Si-Cu-Mg系合金中存在顯著的自然時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象。在T4熱處理中,通過采用自然時(shí)效,可提高357鋁合金硬度值達(dá)20%;在T6熱處理中,通過控制自然時(shí)效時(shí)間,可以大幅度提高319S合金內(nèi)部析出相的分布密度達(dá)40%。在Al-Si-Cu系合金的T6熱處理制度中,應(yīng)當(dāng)添加并控制一定時(shí)長的自然時(shí)效停滯期,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)最少應(yīng)添加10h以上,一般推薦以24小時(shí)為宜。采取多級時(shí)效熱處理工藝,通過對溫度和時(shí)間的合理制定,是改善Al-Si-Cu-Mg系合金綜合力學(xué)性能理想方法之一。在研究固態(tài)金屬材料硬度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系中,通過Van der Waals分子力場計(jì)算、有限元計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,從能量輸入、形變產(chǎn)出的角度,以固態(tài)原子位移量作為研究指標(biāo),初步證明了固態(tài)金屬本身硬度與強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG249.2;TG166.3

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：1297369