A356铝合金力学性能与微观结构.pdf

第6 0 卷第4 期 2008 年11 月 有色金属 N o n f e t r o l l 5M e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．4 N o v e n a b e r20 08 A 3 5 6 铝合金力学性能与微观结构 范宋杰1 ，- ，何国球1 ．- ，刘晓山1 一，徐坡1 1 ．同济大学材料科学与工程学院，上海2 0 0 0 9 2 ； 2 ．上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海2 0 0 0 9 2 摘要通过硬度和拉伸试验，分析A 3 5 6 铝合金的力学性能与徽观结构。结果表明，表面硬度受浇铸位置的影响不大。而 拉伸强度沿浇铸路径，由底部到顶部逐渐减小。共晶硅相平均粒径与二次枝晶臂间距减小提高合金力学性能．沉淀相与位错的相 互作用使A 3 5 6 铝舍金强度升高而延伸率降低。 关键词金属材料；A 3 5 6 ；力学性能；组织结构；位错 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 4 0 0 0 5 一0 4 t s L 3 5 6 系列铝合金是美国于2 0 世纪7 0 年代研 制的铝合金，为常用的铸造铝一硅一镁系合金，具有 铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小， 经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性 能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[ 1 _ 2 I ，用途 广泛。由于质量轻，价格适中，回收率高等优点，成 为减轻汽车自重的首选材料，因此A 3 5 6 系列铝合 金在上世纪8 0 年代末在汽车工业中用于制造车身、 骨架以及轴承等重要的零部件⋯3 。随着汽车工业 的蓬勃发展，对A 3 5 6 铸造铝合金的研究也更加全 面和深入。对美国通用汽车公司提供的商用铸造铝 合金A 3 5 6 基本的力学性能进行测试，并分析了浇 注位置、组织结构、位错对于合金力学性能的影响。 1 ，实验方法 1 ．1 试验材料 试验材料是由美国通用汽车公司提供的商用铸 造铝合金A 3 5 6 长2 5 0 m m ，宽1 6 0 m m ，高5 1 m m ， 合金成分如表1 所示。该材料经T 6 温度热处理， 包括固溶处理和人工时效两个阶段，在5 3 8 ℃固溶 处理5 h 后淬火，在1 3 8 ℃时效4 h 后空冷。然后沿 浇铸方向将原材料切割成图1 所示试样。 收稿日期2 0 0 6 1 0 2 4 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 3 7 1 0 6 3 ；美国通用汽车 公司资助项目 R P ．0 7 1 5 9 作者简介范宋杰 1 9 8 2 一 ，男，浙江奉化市人，硕士，主要从事铝 合金疲劳断裂等方面的研究。 表1A 3 5 6 铝合金化学成分 T a b l e1 C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fA 3 5 6a l l o y C r ，c u 。 元素 S i M g F eT iS r M n ．N i 。 A I S n 。Z n 含量／％6 ．6 0 ．3 60 ．0 90 ．1 9 0 ．0 0 5 0 ．0 1b a l a n c e 口口一 图1 试样截取位置及几何尺寸 F i g ．1I n t e r c e p t i v ep o s i t i o na n dg e o m e t r y d i m e n s i o n so fs p e c i m e n 1 ．2 试验过程 按浇铸方向由底部到顶部选取A ，C ，E ，G 试 样，在电子万能试验机C S S 一4 4 2 0 0 上测试，拉伸速度 为2 m m ／m i n 。将制作拉伸试样的边角料制成高 1 0 m m ，直径1 5 m m 的圆柱体，标记为A ，C ，E ，G ，做 布氏硬度试验，选用淬火钢球直径为2 ．5 m m ，压力 为6 2 ．5 k N ，恒压时间为3 0 s 。沿浇铸方向由底部到 万方数据 6有色金属第6 0 卷 顶部取8 小块试样，按A B C D E F G 编号，磨平抛光 后，使用腐蚀液为浓度为0 ．5 ％的H F 溶液，腐蚀8 s 左右，在大型卧式光学金相相机上 莱卡一4 4 6 拍摄 金相照片，放大倍数为5 0 ，利用拍摄照片测量二次 枝晶间距，共晶硅的大小。用线切割机，割取拉伸试 样断口以下约8 m m 处厚度为0 ．8 m m 的试样3 组， 在自动水磨光机上，将所切试样用5 0 2 胶粘在矩形 不锈钢块，磨薄至3 0 ～5 0 肚m 的厚度，浸泡于丙酮溶 液中，利用超声波清洗仪，将薄片震动脱落，后用电 解双喷法制取电镜样品，所用透射电镜为H 一8 0 0 型。 2 试验结果与分析 2 ．1 表面硬度 采用布氏硬度测试方法，在每组试样上打三个 点，计算式为R 4 N ，R 为压印圆的直径，由N 值查表，查出布氏硬度值，结果如表2 所示。 表2 布氏硬度值 T a b l e2H B So f m m p l e s 从布氏硬度值来看，沿浇铸方向上其表面硬度 无明显变化。试样D 上，硬度最大值为1 1 1 H B S ，最 小值为8 1 ．3 H B S ，最硬处和最软处相差悬殊。这可 能是由于局部组织结构的不均匀性造成的，在硬度 值为1 1 1 H B S 点处硬度很高的共晶硅相的单位面积 分数较大，而在8 1 ．3 H B S 处初生a m 基体占多数， 共晶硅相较少。从总平均值来看，差值仅为2 ～ 2 ．8 ，可以认为是试验误差所致，可见在试样中沿浇 铸方向数十毫米的范围内所引起的组织结构的变 化，不足以影响到使其表面硬度值发生变化。 2 ．2 拉伸试验 拉伸试验所得数据如表3 所示。抗拉强度沿浇 铸方向上从底部到顶部，逐渐减小，A 试样最大为 2 4 5 ．1 M P a ，G 试样最小为2 3 3 ．9 M P a 。屈服强度和 抗拉强度之间差值不大，且延伸率较小，可以以此判 断合金的拉伸过程中屈服过程很短。试验使用的 A 3 5 6 铝合金的延伸性能较差，这是由于铝合金经时 效强化，在初生相基体内会析出大量的沉淀相粒子， 强化效果大大加强，从而降低了材料的塑性1 4 l ，并 且试验所用铝合金经T 6 热处理，使材料的延伸性 能下降。试样A 的延伸率最低为1 ．3 ％，由于在制 样过程中由于车工操作失误在拉伸区形成一个凹 区，且最终断裂处就在此凹区内，有可能引起了应力 集中，导致试验误差加大，实际A 试样的延伸率应 该最大。尽管如此，A 试样的抗拉强度仍然是最高 的，高达2 4 5 ．1 M P a ，因为A 试样处于浇铸底部，冷 却速度最快，晶粒得到最大细化，而且受上部熔体压 力，组织较均匀致密，铸造缺陷相对较少。 表3 拉伸试验数据 T a b l e3D a t ao ft e m i l et ∞t 2 ．3 金相分析 A 3 5 6 铝合金二次枝晶臂间距的d D A s 经验公式 为d D A S 3 9 ．4 尺一o ’3 1 7 ，其中R d T ／d ￡，表示铝的 初生共晶枝晶相在凝固过程中的冷却速率[ 5 6 1 。 经计算得出A 到H 的d D A s 和硅相颗粒粒径平均值 分别为表4 所示。 表4d D A S 值和硅相粒径 T a b l e4s e m n d a r yd e n d r i t ea m ls p a c i n ga n d a v e r a g es i z eo fs i l i m np a r t i c l e 以m 编号ABCDEFG H 1 81 7 ．5 2 5 1 9 ．5 2 4 ．52 8 ．52 5 ．52 8 ．5 3 ．83 ．74 ．24 ．04 ．04 ．54 ．3 4 ．5 d D m ，斗m 硅相粒径 通过表4 的数据可以看出，沿浇注方向从底部 到顶部二次枝晶臂间距逐渐增大，硅相粒径也呈增 大的趋势。沿着浇铸方向，凝固冷却速度变化，底部 最先凝固，凝固时温度梯度最大其二次枝晶臂间距 最小，并且共晶硅相的平均粒径也最小，使合金的力 学性能提高[ 7 | ，与拉伸试验的结果较为符合。随着 取样位置的变化，凝固冷却速度有一定的下降，于是 二次枝晶臂间距有一定程度的增大，但增大程度不 明显。 图2 是A 3 5 6 铝合金的金相照片，可以发现共 晶硅颗粒比较明显，并断断续续呈长条状，分布无规 律，基本上无块状的初晶分布在a A 1 基体上，由于 硅的脆性大，使合金力学性能和加工性能变 差L 8 叫J 。A 试样中的共晶硅颗粒细小，分布较为均 匀，使合金组织得以改善，因此具有相对较好的力学 性能，而C ，E ，G 则分布相对不均匀，且共晶硅颗粒 较粗大，力学性能比A 差。进一步观测发现，还存 万方数据 第4 期范宋杰等A 3 5 6 铝合金力学性能与微观结构7 在弥散分布的针状富铁相，这些富铁相随冷却速度 的减少会变得粗大，割裂了金属集体的连续性，使合 金力学性能恶化，降低了合金塑韧性。金相照片没 有发现一般铸造铝合金中明显的大气孔，可以看到 气孔残留下的细小的不规则的空隙，少量小气孔具 有缩孔的特点，这些气孔可能会成为裂纹的起源，它 的存在将恶化合金的机械性能。共晶硅颗粒大小与 铸造缺陷多少也显著影响A 3 5 6 的疲劳性能u0 | 。、 图2A 3 5 6 铝合金显微组织 F i g ．2M i c r o s t r u c t u r e so fA 3 5 6a l l o y 2 ．4T E M 分析 试验得到的透射电镜图片如图3 和图4 所示。 在图3 A 和图3 B 中可以看到，沉淀相对位错强 烈的钉扎作用。位错线在棒状沉淀相周围大量的塞 积，并有位错环的形成。这些基体位错在脆性沉淀 相中塞积到一定程度将造成沉淀相或晶界开裂，形 成初始裂纹[ 9 ] ，若沉淀相粗大，则会将合金的脆性 增加，另一方面这些过渡相 共晶S i ，M 9 2 S i 的晶格 由于和a 相基体存在一定的错配度，使a 相产生晶 格畸变，强化合金，过渡相的数量越多，合金的强度 越高而延伸率越低【1 1J 。在图3 C 和图3 D 中可 以看到，在外力的作用下，位错线沿同一方向上运 动，并形成相互平行位错墙，有一定的硬化作用。在 图4 中发现，在共晶硅相中也存在位错，由于共价键 的方向性较强，使得位错趋向于沿着位错中心能量 较低的 方向运动，因此大多数位错为纯螺型 位错或6 0 。位错，而且金刚石结构点阵阻力很大，位 错很难运动。在拉伸过程中共晶硅相所受外力主要 来源于基体相的力传递作用。图4 中箭头所指的方 向为位错运动的方向，在晶界处聚集消失，由于位错 问的作用力，导致沿着运动方向的聚集现象，使共晶 硅相与a 铝基体晶界处形成局部应力集中，将导致 裂纹产生与扩展。A 3 5 6 的疲劳实验表明在低△K 下共晶硅相与a 铝基体晶界处是裂纹萌生和扩展的 主要位置之一[ 12 1 。 图3 拉伸试样透射电镜 T E M 照片 F i g ．3T E Mp h o t o so ft e n s i l es p e c i m e n 图4 共晶硅相中的位错 F i g ．4 D i s l o c a t i o ni ne u t e c t i cs i l i c o np h a s e 3结论 1 合金的表面硬度受浇铸路径的影响不大。 拉伸强度沿浇铸路径，由底部到顶部逐渐减小，合金 的延伸率较小，屈服强度较高，屈服过程较短。 2 在所测数据范围内 d D A s 3 0 t t m ，随着二 次枝晶臂间距和硅相粒径的增加，抗拉强度减少。 共晶硅颗从底部到顶部逐渐增大，富铁相和缩孔的 存在一定程度上降低了合金的力学性能。 3 在基体相中存在大量的棒状沉淀析出相，对 位错起较好的钉扎作用，沉淀相与位错的共同作用 使A 3 5 6 铝合金强度升高而延伸率降低。共晶硅相 中也存在着位错的运动和塞积，但与铝基体的位错 运动不同步，在拉伸过程中硅相与q 铝基体晶界处 成为裂纹产生与扩展的主要位置之一。 万方数据 8有 色金属第6 0 卷 参考文献 [ 1 ] E j i o f o rJU ，R e d d yRG ．E f f e c t so fp o r o u sc a r b o no ns i n t e r e dA l S i M gm a t r i xc o m p o s i t e s [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sE n g i n e e r ． i n ga n dP e r f o r m a n c e ，1 9 9 7 ，6 6 7 8 5 7 9 1 ． [ 2 ] A t x a g aG ，P e l a y oA ，I r i s a r r iAM ．E f f e c to fm i c r o s t r u c t u r eo nf a t i g u eb e h a v i o u ro fc a s tA I 一7S i M ga l l o y [ J ] ．M a t e rS c i T e c h ，2 0 0 1 ，1 7 4 4 4 4 6 4 5 0 ． [ 3 ] 金道成．A 3 5 6 系列铝合金在汽车工业中大显身手[ J ] ．金属世界，2 0 0 0 ，1 6 3 4 5 ． [ 4 ] 蒙多尔福LF ．铝合金的组织与性能[ M ] ．王祝堂等译．北京冶金工业出版社，1 9 8 8 8 1 0 8 3 4 ． [ 5 ] 胡汉起．金属凝固原理[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 1 1 7 5 1 9 4 ． [ 6 ] 倪红军，孙宝德，蒋海燕，等．稀土元素溶剂对A 3 5 6 合金二次枝晶臂间距的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 2 ，2 5 3 9 4 1 ． [ 7 ] Y i j i eZ h a n g ，N a i h e n gM a ，Y o n g k a n gL e ，e ta 1 ．M e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd a m p i n gc a p a c i t ya f t e rg r a i nr e f i n e m e n ti nA 3 5 6a l o y [ J 】．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 5 ，5 9 1 7 2 1 7 4 2 1 7 7 ． [ 8 ] 王琦．铸造针孔和钠变质对Z L l 0 1 铸铝合金组织和性能的影响[ J ] ．理化检验一物理分册，2 0 0 4 ，4 0 9 4 4 3 4 4 5 ． 【9 ] 李建国，王亮，杨文言．A 3 5 6 铝合金中裂纹的萌生及其扩展[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 2 ，3 0 1 2 3 0 3 4 ． [ 1 0 ] S h a r m aSR ，M aZY ，M i s h r aRS ．E f f e c to ff r i c t i o ns t i rp r o c e s s i n go nf a t i g u eb e h a v i o ro fA 3 5 6a U o y [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ， 2 0 0 4 ，5 1 3 3 2 3 7 2 4 1 ． [ 1 1 ] 洪润洲，周永江，姚惟斌．时效工艺对Z L l 0 1 A 合金性能的影响[ J ] ．材料工程，2 0 0 4 ，4 9 1 0 3 9 4 1 ． [ 1 2 ] K w a iSC h a r , ，P e g g yJ o n e s ，O ．i g u iW a n g ．F a t i g u ec r a c kg r o w t ha n df r a c t u r ep a t h si ns a n dc a s tB 3 1 9a n dA 3 5 6a l u m i n u ma l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，3 4 1 1 1 8 3 4 ． M e c h a n i c a lP r o p e r t i e sa n dM i c r o s t r u e t u r eo fA 3 5 6A l l o y F A NS o n g - f i e l t - ，L I UX i a o - s h a n l 一，H EG u o - q i u l ．- ，X UP 0 1 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a 2 ．S h a n g h a iK e yL a bf o rRDa n dA p p l i c a t i o no fM e t a l l i cF u n c t i o n a lM a t e r i a l ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fA 3 5 6a l l o yarea n a l y z e db yt h es u r f a c eh a r d n e s sa n dt e n s i l e t e s t s ．I ti sf o u n dt h a tt h es u r f a c eh a r d n e s si sh a r d l yi n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n c eo fc a s t i n gp o s i t i o n ，h o w e v e r ， t h et e n s i l es t r e n g t hi sg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t ht h ec a s t i n gp o s i t i o nf r o mt h eb o t t o mt ot h et o p ．T h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r ei m p r o v e db yt h ed e c r e a s eo fa v e r a g es i l i c o np a r t i c l es i z ea n ds e c o n d a r yd e n d r i t ea r ms p a c i n g ．T h e i n t e r a c t i o ne f f e c to fp r e c i p i t a t e dp h a s ea n dd i s l o c a t i o nm a k e st h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea l l o yi n c r e a s ea n de l o n g a t i o nr a t ed e c r e a s e ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 3 5 6 ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m i c r o s t r u c t u r e ；d i s l o c a t i o n 万方数据