MS  >> Vol. 9 No. 9 (September 2019)

    時效處理對AlSi7Mg0.4合金組織結構和力學性能的影響
    Effect of Aging Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of AlSi7Mg0.4 Alloys

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作者:  

趙 娜,朱隨群,曹 懿:天合汽車科技(上海)有限公司,上海

關鍵詞:
鑄造鋁硅合金AlSi7Mg時效處理組織結構力學性能Al-Si Casting Alloy AlSi7Mg Aging Treatment Texture Mechanical Property

摘要:

AlSi7Mg0.4合金是可強化熱處理的鋁合金。本文通過對AlSi7Mg0.4合金進行不同的時效處理。通過x射線衍射、金相顯微鏡進行了組織結構表征。采用差示掃描量熱動態法測試了樣品隨溫度的變化特征。進行了拉伸和疲勞性能測試,結果表明,不同溫度的時效處理所得樣品的抗拉強度變化不大,但屈服強度隨時效溫度降低而降低,斷后伸長率隨時效溫度降低而升高;而且時效溫度越低,疲勞性能越好。

AlSi7Mg0.4 alloy is an aluminum alloy with strengthened heat treatment. In the paper, AlSi7Mg0.4 alloys with different aging treatment were investigated. The structure was characterized by X-ray diffraction (XRD) and metallographic microscope. Dynamic change characteristics of the sample with the temperature were tested through differential scanning calorimeter (DSC) method. Through tensile and fatigue tests, the results showed that the yield strength was decreased with aging temperature decrease, and the break elongation was increased with aging temperature decrease. And the fatigue performance was better at lower aging temperature.

1. 引言

AlSi7Mg合金屬于鑄造鋁合金,具有密度小、比強度高、延展性好,且具有優良的鑄造性能和耐蝕性能,廣泛應用于航空航天、汽車發動機引擎鑄件 [1] 。

AlSi7Mg合金是可強化熱處理的鋁合金。通過熱處理可細化基體和共晶硅組織,提高力學性能 [2] - [9] 。固溶階段是為了α-Al通過改變固溶溫度、固溶時間、時效溫度及時效時間以細化組織,提高強度和塑性指標。一般來講,固溶階段是為了將Si和Mg元素溶于鋁基體中和球化共晶硅,時效階段主要是為了形成Mg2Si強化相。

本文通過對汽車發動機的引擎鑄件進行不同時效處理,通過XRD、金相分析、差示掃描量熱法(DSC)差熱分析、拉伸和疲勞測試對其組織結構和力學性能進行了表征測試。

2. 實驗方法

2.1. 實驗材料

試驗材料是商用鑄造鋁合金AlSi7Mg0.4,具體的鎂含量如表1所示。

2.2. 實驗過程和表征方法

試驗采用已成型的鑄件,在馬弗爐中進行熱處理,先加熱至540?C,升溫速率為5?C /min,保溫一定時間,然后降溫到時效處理溫度并保溫一定時間。然后對所得樣品進行XRD測試和金相表征,比較了其組織形態;另外,進行拉伸和疲勞試驗。表1為AlSi7Mg0.4合金的不同熱處理溫條件。

采用Rigaku D/max 2250 V的x射線衍射儀(XRD)對樣品進行表征,工作電壓和電流分別為40 KV和40 mA。采用SINCOTEC公司的POWER SWING疲勞試驗機進行力學性能測試,試樣為B6 × 30 mm,拉伸速度為1 mm/min。采用金相顯微鏡Zeiss Vert.A1拍攝金相照片,放大倍數為 × 50,利用拍攝照片測量二次枝晶間距,共晶硅的大小。采用METTLER TOLEDO STAR系統TGA/DSC 2進行熱重分析,升溫速率為5?C /min,氮氣保護。

Table 1. Heat treatment in the AlSi7Mg0.4 alloys

表1. AlSi7Mg0.4鋁合金的熱處理工藝

3. 實驗結果與分析

所有疲勞測試前后的樣品進行XRD表征。圖1展示了疲勞測試前1#樣品的XRD圖譜,圖中所有衍射峰分別對應α-Al(JCPDS No. 04-0787)和Si(JCPDS No. 27-1402),且沒有觀察到其它雜質峰。

Figure 1. XRD pattern of AlSi7Mg0.4 alloy

圖1. AlSi7Mg0.4合金的x射線衍射圖

為了考察α-Al基體的晶粒尺寸變化規律,針對所有疲勞測試前樣品的α-Al的(111)晶面進行Rietveld精修后,其半峰半寬如表2所示。結果表明,α-Al基體的晶粒尺寸變化不大,固溶時間較短的2#號樣品α-Al基體的晶粒尺寸相對最小。

Table 2. Peak width at half height (FWHM) of (111) lattice plane in α-Al

表2. α-Al(111)晶面的半峰半寬

同時,對所有樣品進行半定量分析,其結果如表3所示。從表3中可以看出,不同的時效處理溫度下,α-Al和Si的含量并沒有明顯的變化規律;但疲勞測試后,Si的相對含量有所變化。當時效溫度為175?C時,Si的相對含量增多了66.1%;當時效溫度為165?C時,Si的相對含量增多了12.5%;當時效溫度為155?C時,Si的相對含量減少了1%,當時效溫度為150?C時,Si的相對含量減少了1.8%。在疲勞過程中,時效溫度較高的1#和2#樣品可能有部分Si從α-Al基體中析出造成,時效溫度較低的3#和4#樣品可能形成了某種少量Si的化合物。

Table 3. Specific gravity of α-Al and Si before and after fatigue test

表3. 疲勞測試前后α-Al和Si的比重

* S i = - × 100 % = w ( S i ) w ( A l )

表4是不同時效條件下處理后的樣品的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率以及疲勞參數。從表4中可以看出,不同時效處理溫度下,AlSi7Mg0.4合金的抗拉強度沒有明顯的變化規律,所有樣品數值接近;但屈服強度隨著時效溫度的降低而降低,斷后伸長率隨時效溫度的降低而升高。結果表明:時效溫度降低,Mg2Si強化相的析出量變少,從而降低了其屈服強度和提高了其斷后伸長率。

為了考察其動態力學性能,進行了疲勞測試。本文通過對每個樣品的12個零件的疲勞數據進行擬合,得到k和Sd值,如表4所示。根據疲勞極限公式 lg N = ? k ? lg F + C ,其中N是循環次數,F為加載力。結果表明,當加載次數N = 104,1#和2#樣品的最大加載載荷為21.899 kN和22.415 KN,3#和4#樣品的最大加載載荷分別為30.628 kN和35.208 kN。根據使用要求,最大加載載荷必須大于30 kN,因此只有3#和4#樣品滿足使用要求。結合XRD結果分析,時效溫度低的樣品形成的少量Si的化合物,有利于增加試樣的疲勞壽命。

Table 4. Tensile and fatigue properties of AlSi7Mg0.4alloys with different aging treatments

表4. 不同時效處理溫度AlSi7Mg0.4合金的拉伸和疲勞性能

疲勞測試以后,分別對不同時效處理條件下的樣品進行金相組織檢測,結果如圖2所示。所有樣品中共晶硅均為細小的纖維和顆粒狀分布,整體分布都比較均勻。邊界的共晶硅組織有利于組織位錯的發生,提高屈服強度。從圖2(a)和圖2(b)可以看出,在樹枝晶邊界分布的共晶硅明顯多于圖2(c)和圖2(d)。1#和2#樣品,時效溫度較高,Si在晶界分布的均勻性較差,會出現密集區;時效溫度較低3#和4#樣品,Si在晶界分布的有較好的均勻性,對基體的割裂作用小,塑性較好,可提高疲勞性能。由此可見,材料的靜態力學性能(屈服強度)主要跟晶界硅的數量有關,數量越多,屈服強度會越高;而材料的動態力學性能(疲勞性能)主要跟晶界硅的分布有關,分布越均勻,疲勞性能越好。

Figure 2. M etallographic micrograph of AlSi7Mg0.4 alloy with different aging treatments: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#

圖2. 不同時效處理條件下AlSi7Mg0.4合金的金相顯微照片,(a) (b) (c) (d)分別為1到4號樣品

Figure 3. DSC curves before (a) and after (b) fatigue testing

圖3. 疲勞測試前(a)和測試后(b)的差示掃描量熱法(DSC)曲線

為了進一步分析不同時效處理的樣品,對疲勞測試前后的所有樣品進行了DSC分析,如圖3所示。從圖3(a)中可以看出,疲勞測試前,當溫度從50度到200度時,1#和2#樣品沒有明顯的吸熱反應,50度附近的放熱峰應該是水;3#和4#樣品具有明顯的吸熱峰,分別在60?C和58?C,表明有反應。從圖3(b)中可以看出,疲勞測試后,四個樣品均沒有明顯的吸熱峰存在。因此,該鑄件在低溫長時間運行,會析出某種(Mg, Si)強化相,阻礙位錯運動,提高塑性,在運行過程中會提高使用性能。

4. 結論

本論文中的AlSi7Mg0.4鑄造鋁合金中α-Al基體晶粒大小范圍變化不大,主要引起性能變化因素是第二相的大小和分布。屈服強度隨著時效溫度的降低而降低,斷后伸長率隨時效溫度的降低而升高。當加載次數N = 104,1#、2#、3#和4#樣品的可承受的最大加載載荷為21.899 kN、22.415 kN、30.628 kN和35.208 kN,只有時效溫度較低的3#和4#樣品滿足大于30 kN的使用要求。結合XRD結果分析,時效溫度低的樣品形成的少量Si的化合物,有利于增加試樣的疲勞壽命。結合金相分析,較高的時效溫度會降低Si在晶界分布的均勻性,出現密集區;時效溫度低,Si在晶界分布的有較好的均勻性,對基體的割裂作用小,塑性較好,提高疲勞性能。結合DSC分析,長時間低溫運行,會析出某種(Mg, Si)強化相,阻礙位錯運動,提高塑性,在運行過程中會提高使用性能。綜上所述,較低的時效溫度會提高其疲勞性能。

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文章引用:
趙娜, 朱隨群, 曹懿. 時效處理對AlSi7Mg0.4合金組織結構和力學性能的影響[J]. 材料科學, 2019, 9(9): 898-903. https://doi.org/10.12677/MS.2019.99111

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