资源描述：
3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 I O I 1 0 ．3 9 6 9 ／] ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 5 ．0 0 9 B 对A 1 7S i 合金Q 相形态和力学性能的影响 李小松，蔡安辉，周勇，曾纪杰 湖南理工学院机械工程学院，湖南岳阳4 1 4 0 0 6 摘要研究了B 对A I 一7 S i 合金a 相形态和力学性能的影响。结果表明，B 对A I - 7 S i 合金具有良好的细化 效果；初生口相的形态与大小发生显著变化，树枝晶消失，转变为细小的柱状晶。当加入0 ．0 3 6 ％B 时， 组织最理想形态密实、尺寸细小而均匀，同时，合金的综合力学性能得到了显著的提高。抗拉强度提高 1 5 ％、延伸率提高6 8 ％、断面收缩率提高4 6 ％，弹性模量和硬度分别降低2 2 ％和9 ％，细化后A 1 7 S i 合 金表现出良好的强韧性。 关键词A 1 - T S i ；晶粒细化；组织；力学性能 中图分类号T G l 4 6 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 5 一0 0 3 4 一0 4 E f f e c t so fBA d d i t i o no nM o r p h o l o g yo fP r i m a r yaP h a s ea n dM e c h a n i c a l P r o p e r t i e so fH y p o e u t e c t i cA l _ 7 S iA l l o y s L IX i a o - s o n g ，C A IA n - h u i ，Z H O UY o n g ，Z E N GJ i - j i e S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g 。H u n a nI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。Y u e y a n g4 1 4 0 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fBa d d i t i o no nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA 1 - 7 5 ia l l o yw a si n v e s - t i g a t e d ．T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tBh a dag o o dr e f i n e m e n te f f e c to nA 1 7 S ia l l o y ．T h em o r p h o l o g ya n ds i z e o fp r i m a r yav a r i e ds h a r p l y ．T h e 口d e n d r i t ed i s a p p e a r e da n dt r a n s f o r m e di n t ot h er e f i n e dc o l u m n a rg r a i n s ． W h e nBc o n t e n tw a su pt o0 ．0 3 6 ％，t h em o r p h o l o g yo f 口d e n d r i t ew a so p t i m a l ．M e a n w h i l e ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea l l o yh a db e e ni m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y ．T h et e n s i l es t r e n g t h ，e l o n g a t i o nr a t ea n dp e r c e n t a g er e d u c t i o no fa r e ah a db e e ni m p r o v e db y1 5 ％，6 8 ％a n d4 6 ％，r e s p e c t i v e l y ．H o w e v e r ，Y o u n g sm o d u l u sa n dh a r d n e s sh a db e e nd e c r e a s e db y2 2 ％a n d90 A ，r e s p e c t i v e l y ． K e yw o r d s A I - 7 S i ；G r a i nr e f i n e m e n t ；M i c r o s t r u c t u r e ；M e c h a n i c a lp r o p e r t y 亚共晶A I - S i 合金具有密度小、铸造性能优异 等优点，广泛应用于航空航天、汽车、摩托车以及其 它运载工具上[ 1 1 ] 。人们通常采用在合金熔体浇注 前加入微量元素对其进行细化、变质处理来提高合 金的力学性能，而在众多微量元素中，晶粒细化最敏 感，细化效果最明显的是B ，这方面人们进行了大量 的研究[ 4 - 9 ] 。S i g w o r t h 等【5 0 采用A I - 4 B 中间合金来 细化A I - 7 ％S i 合金，并将其与A I 一5 T i - I B 细化效果 进行了比较，发现A 1 4 B 由于引发包晶反应而有比 A l 一5 T i - I B 中间合金更好的细化效果。M o h a n t y 等[ 6 3 认为将A l B 中间合金加入到亚共晶A l S i 熔 体中将发生共晶反应而使组织细化，但作者并没有 给出具体的试验依据，且在硼含量为0 ．0 2 2 ％时发 生共晶反应，不能解释当熔体中硼含量为0 ．0 8 ％ 时，晶粒尺寸达到最小值[ 引。文献E 5 3 与[ 6 ] 只是通 过理论推测A l B 2 可能是a A l 相的核心，并没有具 体的试验数据。王丽等嗵- 9 ] 发现B 对亚共晶A 1 7 S i 合金中的共晶S i 相有变质作用，对初晶a A l 相和 共晶S i 有细化作用，并且认为B 含量为0 ．0 8 ％时 细化效果最佳。KN o g i t a 等o ] 研究了B 对亚共晶 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 4 0 4 5 ；湖南省科技计划项目 2 0 1 0 G K 3 1 4 1 作者简介李小松 1 9 6 5 一 ，男，湖南临湘人。教授． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 3 5 合金共晶凝固的影响，发现既没有变质作用也没有 细化作用，并且B 的加入没有改变合金的共晶凝固 特征，认为B 所引起的细化作用可能与使用的中间 合金中含有一定量的K 和合金中A l 、P 量较多有 关。耿慧远[ 1 等人研究了B 对亚共晶A 1 - T S i 合金 凝固过程的影响。可以看到，在研究中，B 对亚共晶 铝硅合金细化变质的机理、效果各执己见，仍然有必 要研究B 对亚共晶A 1 7 S i 合金组织和力学性能的 影响。因此，本文以亚共晶A I - 7 S i 合金为母材，研 究了不同的B 采用A 1 4 B 为中间合金 加入量对亚 共晶A I - T S i 合金a 相形态和力学性能的影响。 1试验方法 试验材料采用工业纯铝 ≥9 9 ．5 ％ 和结晶硅 ≥9 9 ．5 ％ 按一定的比例和放置顺序置于石墨坩埚 中，用井式电阻炉加热，升温到9 3 5 ℃使硅完全熔 化，保温3 0 分钟至硅全部熔化完全，熔化过程中不 要搅拌熔体，熔化完以后，停止加热，等温度降到 8 0 0 ℃时，再加人中间合金A l 一4 B ，并用浇包将其压 人熔体中，上下移动，使其完全熔化，保温3 0 分钟 后，用搅拌器将其搅拌均匀；接着降温到7 4 0 ℃后， 加入除气剂六氯乙烷进行精炼除气处理 用浇包压 入并上下移动 ，待除气完毕，保温3 0 分钟，扒渣之 后浇注到已预热到2 0 0 ℃的金属铸型中 浇注温度 控制在7 2 0 ℃左右，浇注速度要适中 ，1 0 W 1 5 分钟 后，将试棒从模具中取出。 把试棒按G B ／T 2 2 8 2 0 0 2 加工成标准的短拉 伸试样。在R G M - - 4 2 0 0 型电子万能材料试验机上 进行拉伸试验 拉伸速率为5m m ／m i n ，准确度等级 为0 5 级 ，按G B ／T 2 3 1 ．1 2 0 0 2 标准，在K P E 一 3 0 0 0 布氏硬度计上检测硬度，每种B 添加量的合金 浇注3 根试样，最终结果取3 个试样的平均值。 从试棒断裂处取金相试样，然后用4 ％的氢氟 酸腐蚀，最后在光学显微镜下观察其微观组织，断口 形貌用J S M 一6 3 6 0 型扫描电子显微镜进行观察。 2试验结果 2 ．1 B 对亚共晶A | - T S i 合金组织的影响 图l 是不同B 添加量的A I ～7 S i 显微形貌。在 未加B 的亚共晶A l 一7 S i 合金中，初生a A l 为粗大 的树枝晶 图l a 。B 加入量为0 ．0 1 2 ％时，枝晶被 熔断，尺寸变短，但定向排列 图l b ；B 含量为 0 ．0 2 8 ％时，晶粒尺寸大小无明显变化，这时排列无 方向性，分布不均匀 图l c ；当B 含量增加到 0 ．0 3 6 ％时，柱状晶形态和位向发生较大改变，口一A l 枝晶进一步等轴化、形态更加密实，同时枝晶尺寸更 加细小 图1 d ；B 含量增加到0 ．0 4 4 ％时，晶粒尺 寸大小无明显变化，但形成团族 图l e ；B 继续增 加直到0 ．0 7 7 ％时，团族分散，晶粒分布均匀 图 l f 。试验条件下，B 在此合金中的最佳加入量为 0 ．0 3 6 ％。 2 ．2B 对亚共晶A I - T S i 合金的力学性能的影响 不同B 添加量下的A 1 7 S i 合金力学性能如表1 所示。 从表1 可看出B 含量为0 ～0 ．0 1 2 ％时，合金 的抗拉强度、延伸率和断面收缩率呈下降趋势，弹性 模量减小，而硬度变化不明显；随后，合金的抗拉强 度、延伸率、断面收缩率和硬度都呈显著上升趋势， 弹性模量呈下降趋势，注意到在B 含量为0 ．0 2 8 ％ 时，硬度值最大，当B 含量达到0 ．0 3 6 ％时出现一个 分界点，合金的抗拉强度、延伸率和收缩率达到最大 值，硬度、弹性模量最小，表现出最好的塑韧性；当含 量达到0 ．0 4 4o A 时，合金的抗拉强度、延伸率和断面 收缩率突然急剧减小，弹性模量和硬度值增加；在继 续添加B 量后，抗拉强度、延伸率和断面收缩率又 开始往上回复，但始终不会超出B 含量为0 ．0 3 6 ％ 时的对应值，而弹性模量和硬度降低，塑韧性又开始 变差。 3讨论 对于亚共晶铝硅合金来说，其微观组织主要由 初晶口一A l 枝晶和共晶S i 组成，所以亚共晶A l S i 合 金的力学性能取决于初晶、共晶硅、二次金属间化合 物以及夹杂物和针孔的大小、形状和分布。硼加入 到A l S i 熔体中后，首先形成A 1 B 小颗粒。高于纯 铝熔点 6 6 0 ℃ 的高温时，S i 原子很容易在A l B 。 周围发生偏聚。A 1 B 。周围易被部分S i 原子包围， 形成富硅的原子集团。A l B 2 的密排面 0 0 0 1 面与 s i 原子的 1 1 1 面存在如下晶体学位相关系 0 0 0 1 A l 政／／ 1 1 1 S i ； ／ 或 且A 1 B 0 0 0 1 面的面间距与S i 原子 1 1 1 面的面 间距分别为0 ．3 2 6 2n m 和0 ．3 1 4 4n l T l 【9 】，两者非常 接近，这就为S i 原子在A 1 B 。上形核创造了一定的 条件。因此，尽管两者不存在完全共格关系，但S i 原子发生晶格畸变，完全能够在A l 赐表面上形核。 A l B 2 虽不能作为口一A l 的核心，但它为S i 的析出提 供了形核衬底，液相中存在着析出的S i 相，随温度 万方数据 的F 降，a - A l 有可能在结晶s i 上形核，达到细化的 目的 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 围1不同B 添加量的A I T S i 台金显徽组织{ 4 0 0 x F i g ．1 T h em i c I m I r u c I ⋯o fA I7 S ia l l o yw i t hd i f f e r e n tBc o n t e n t { 4 0 0 表I不同B 添加量下的A I - T S i 台盒力学性能 T a b l e1T h em e c h a n i ∞lp 胂p 口t i e so fA I _ 7 S ia l l o ym o d i f i e db yB 万方数据 有色金属‘f 烁部分2 0 l i 年5 期 肌 少量B 元索 逃纠0o I2 “ 后 蜘料1 h 所 示．a 枝舳的形态与太小发生娃并变化．斜枝一编的j } l 大部分开赔熔断变褂细小- 转变为细小的 ￡状品．定 向排列．这使得托仲断裂时- 裂纹的扩展遘副的阻J J 蜚小，这就址B 奔毋为00 1 2 彤的金的抗托强废、 延伸率、断面收缩牢比来加褥时帕迁要低的抓W ，造 点从网z h 它们的捕伸断I I 彤貌也町得副鹾宴。。1 B 古显增加耋1 J00 2 8 ％时．性状鼎排州上方向性．导 致裂绽的扩艟较困难．尽管此时树技晶的分桂仍较 发选．但枝晶尺寸已大幅度硪小．撤枝品长度减 小．枝品数量埔多，裂纹扩展阻力增大．微裂纹也难 于聚集和长大；另一方呵．随肴桂品R 寸的减小．柱 品品界岍軎{ 的增加．位错运动阻力增加．加【．硬化能 力增加．变形m 蜓均匀的订式进行．佥的强度和甥 作时褂到摊岛。触B 漆加城进一步增加c 达到 oo ％“ - 牲状品形巷和佗向＆’ 鞍人改变- r A l 枝品进一步等轴化、彤卷蜓加密赏．同时桂舶托寸更 加细小 附l d ．挫茸已出趣好的捌韧性．延伸串和收 缩宰均达城人．弹性模毓最小- 埂懂强低．这充分显 1 出 l 一4 I ‘中阿台食强的枝胁细化教应．从附2 c 斯口形貌c | 『以看出，断I I 彳『鞍多的撕裂带和较大的 韧窝。而Ⅱ布一部分裂纹在铝基体穿过时绕过了共 品硅．使铡基体的螂性得以发挥；另外．球状扔生 r A 】棚比杖舳口A I 棚能承受软丈的应力．所以台盒 的强度、塑性{ } } 标垃理慰。 圈2 不同B 古■台金拉伸断口S E M 形貌 F i g , 2T h eS E Mm i c r 0 6 t r u c t u r eo rr r a c t u ms a r t a c ew i t hd i f f e r e n tBc o a t t m r 1B 含量逃到00 4 4 ％时．共晶硅发‘ 叫娃变 化．转变为细小颗粒状．井戚许多轻大R 寸的Ⅲ族， 丰H 互结合年紧密．拉仲时．断裂抗力明娃比0 ．0 3 6 ％ B 古鬣台金的要小 嘲1 e ．西此．台盘的越仲率和 断而收鳙牢降低，但硬度月高。随着B 台甘的进一 步增加．由下霸的细化作加在银太程度上细化了 r A l 枝品．而a - A I 技品可为弗鼎硅的形棱牛长挺供 形桩核心汁 l 枝胁细化后即在一定程度上政变丁 共 硅的形貌．使其品硅枘嬲粒进班绑化、圆整 图l f ．细小的。- A I 枝此、良好的硅鞭牲形貌小仉 可以阻止莓} 纹的鲔一k 和扩燧．而H - Ⅱ以增加台盒的 加J 硬化能力．并使台奇变形更加均匀．矾而使舟盒 具有业好的力学性能． 4 结论 1 细化韧期．细化作用使台会罄体中的斜枝品 的机大部分熔断．慢慢转变为桂状她．使合盒收现出 较差的蚺韧性．什金的抗札强度、延伸坼以及断面 收缩串郝节明最的F 降趋势 2 随着B 含量的进一步增加涫A l 相进一班 等轴化、形态蜓加辔蛮．尺寸蜓j l f 【细小．当B 古量 选到o0 3 6 “时m 残个分界点．遗时．组织最理 想，合金的抗托强度、筵忡串和收缩书均选虽大．堙 度最低．弹性模量最小．崖现出最理想的塑翩性； 3 当B 台艟达到00 4 4 “后．枝品星细小颗 粒状．{ } l 形成团族．抗拉强度．延伸牢和断面收缩牢 降低，弹性模惜和硬懂增加．继续器加B 赶后．各 顼性能指标X 开始往好的打向发艟- 世始终不会超 出B 盘由I 为00 3 6 ％时的时血恤． 誊孝文雌 [ 1 ] * ．扬女H ．i 建g片“A I 目盘熔悼n 目I 艺 R [ J ] * 碴2 0 0 s5 1 9 9 1 6 9 1 8 [ 2 3 } E i ．韩1 日i ，※* ．箨R * ■罅遗* ；t H H * 女m Ⅸ[ J ] 特 并m ＆有色．2 0 0 0 ．2 0 6 t { 5 一{ 7 【蚰牺目≈n ＆∞* *目 日音女r l “ ∞m 女 ∞t * [ J ] t * E e ■．1 9 9 1 - 1 8 3 z 9 9 I o s n ] C i 6 u l aAT h eR n l ⋯f 一c n t d I u m l n ，m i o yc “ l “E 56 ya d d i l i m so f ⋯a n I u ma n d 岫ⅫJ J { n s tM m 1 9 5 l1 9 5 38 0 - I 一1 6 下转第4 l 页 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 冶金工业出版社，1 9 9 4 1 6 ～1 8 ． E 6 3A K E FA 。D R I V E RJH ．O r i e n t a t i o ns p l i t t i n go fc u b eo r i e n t a t i o nf a c e - c e n t r e dc u b ec r y s t a l si np l a i ns t r a i nc o m p r e s s i o n [ J ] ．J ．M a t e rS c iE n g ，1 9 9 1 ，A 1 3 2 2 2 4 5 2 5 5 ． [ 7 3V a l i e vRZ ，G e r s t m a nVY 。K a i b y s h e vOA ．G r a i n b o u n d a r ys t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e su n d e re x t e r n a li n f l u e n c e s [ J ] ．P h y s i c aS t a t u sS o l i d i A A p p l i e dR e s e a r c h ， 1 9 8 6 A 9 7 1 l 一5 6 ． [ 8 1 刘东华．紫铜冷凝管铸轧过程组织演变及冷凝铜管耐 上接第3 7 页 [ 5 3S i g w o r t hGK ，G u z o w s k iMM ．G r a i nr e i n i n go fh y p o - e u t e c t i cA I S ia l l o y s [ J ] ．A F ST r a n s ，19 8 5 ，9 3 9 0 7 9 1 2 ． [ 6 ] M o h a n t yPS ，G r u z l e s k iJEG r a i nr e f i n e m e n tm e c h a n i s m so fh y p o e u t e c t i cA I S ia l l o y s E J ] ．A e t aM a t e r i a l i a ， 1 9 9 6 ，4 4 3 7 4 9 3 7 6 0 ． [ 7 ] L UHT ，W A N GL C ，K U N GS K ．G r a i nR e f i n i n gi n A 3 5 6a l l o y s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n e s eF o u n d r yM a n sA s s o c i a t i o n ，1 9 8 1 ，2 9 1 0 1 8 ． 腐蚀性能研究[ D ] ．长沙中南大学。2 0 0 6 ． [ 9 ] 陈明安，李慧中，李学谦，等．紫铜棒材轴向加压精密塑 性剪切变形区的金相组织和断面特征[ J ] ．中国有色金 属学报，2 0 0 5 ，1 5 4 5 1 3 5 1 8 ． [ 10 ] B r a n i s l a vH a d z i m a ，M i l o sJ a n e c e k 。R a l p hJ o r gH e l l m i g ．e ta 1 ． M i c r o s t r u c t u r ea n dc o r r o s i o nb e h a v i o u ro f u l t r a f i n e - g r a i n e dc o p p e r [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c eF o r u m ， 2 0 0 6 ，5 0 3 5 0 4 8 8 3 8 8 8 ． [ 1 1 ] V a l i e vR 乙N a n o m a t e r i a l sb ys e v e r ep l a s t i cd e f o r m a - t i o n [ C ] ．P r o c ．N a n o S P D 2c o n f ，2 0 0 4 1 0 9 ． [ 8 3 王丽，孙益明，边秀房，等．亚共晶A l S i 合金的细化处 理[ J ] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 8 。9 5 1 8 2 0 ． [ 9 ] 王丽，边秀房，孙益明．硼对亚共晶A l s i 合金的细化作 用[ J ] ．中国有色金属学报。1 9 9 9 ，9 4 7 1 4 7 1 8 ． [ 1 0 3N O G I T AK ，D A H L EAK ．E f f e c t so fb o r o no ne u t e c t i cm o d i f i c a t i o no fh y p o e u t e c t i cA 1 一S ia l l o y s [ J ] ．S c r i p t a M a t e r i a l i a ，2 0 0 3 。4 8 3 0 7 3 1 3 ． [ 1 1 ] 耿慧远，李言祥。陈祥。等．B 对亚共晶A 1 - 7 ％S i 合金 共晶凝固过程的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 5 ， 2 5 5 2 5 7 2 5 9 ． 万方数据
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