合金元素对Al-Si合金力学性能及组织的影响.pdf

2 0 1 1 年9 期有色金属 冶炼部分 h t t p l ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 4 7 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 9 ．0 1 3 合金元素对A 1 - S i 合金力学性能及组织的影响 司乃潮1 ，马得勇1 ，吴勤方2 ，孙少纯1 ，刘光磊1 ，华雄飞1 1 ．江苏大学材料科学与工程学院，镇江2 1 2 0 1 3 1 2 ．苏州明智科技有限公司，苏州2 1 5 2 1 7 摘要采用正交试验方法研究N i 、C r 及Z n 三种合金元素对A 1 - 7 ．5 S i - 3 ．5 C u - 0 ．3 5 M g 亚共晶铸造铝硅合 金力学性能影响，并用S E M 和E D X 对加入微量合金后的铸态组织进行观察与分析。结果表明，最优配 比为N i o 。C r 0 。Z n 0 ．2 ．在合金铸态组织中．N i 、C r 、Z n 元素形成复杂的灰白色短棒状或粒状∞相。中和 了F e 的有害作用，并且在合金拉伸变形时。可以阻碍位错的运动。对合金基体有一定的强化作用。 关键词正交试验；微合金化；显微组织I 力学性能 中圈分类号T G l 4 6 ．2 l文献标识码A文章编号1 1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 9 0 0 4 7 0 5 E f f e c to fA l l o y i n gE l e m e n t so nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e sa n d M i c r o s t r u c t u r eo fA I S iA l l o y S IN a i c h a 0 1 ，M AD e - y o n 9 1 ，W UQ i n g f a n 9 2 ，S U NS h a o - c h u n l ，L I UG u a n g l e i l ，H U AX i o n g f e i l 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 。J i a n g s uU n i v e r s i t y ．Z h e n j i a n g2 1 2 0 1 3 ．J i a n g s u ．C h i n a 2 ．S u z h o uM i n g z h iT e c h n o l o g yC o m p a n yL i m i t e d ．S u z h o u2 1 5 2 1 7 ．J i a n g s u ．C h i n a A b s t r a c t O r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o dw a su s e dt os t u d yN i 、C ra n dZ no nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA I 一 7 ．5 S i 一3 ．5 C u 一0 ．3 5 M gh y p o e u t e c t i cc a s tA I S ia l l o y ．T h ec a s ts t r u c t u r eo fa d d i n gm i c r o - a l l o y i n gw a so b s e r v e da n da n a l y z e dw i t hS E Ma n dE D X ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s tr a t i oo fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a li s N i o ．0 2C r o ．0 3Z n o ．2 ．I nt h ec a s ts t r u c t u r e ，N i ，C ra n dZ na l l o y i n ge l e m e n t sc o m ei n t oc o m p l i c a t e dw h i t es h o r t r o d l i k ea n dg r a n u l a rc op h a s e ，c o u n t e r a c t i n gt h eh a r m f u le f f e c to fF e ，a n di m p e d ed i s l o c a t i o nm o v e m e n ti n a l l o yt e n s i l ed e f o r m a t i o n ，a n dh a sac e r t a i ns t r e n g t h e n i n ge f f e c to nt h ea l l o ys u b s t r a t e ． K e yw o r d s O r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；M i c r o - a l l o y i n g ；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 i e s 铸造铝硅合金被广泛应用到航空、航天、汽车及 其他运载机械上。它具有容重小、强度高、铸造性能 好和加工性能优良等一系列优点，已成为制造行业 中最受重视的结构材料之一【l _ ] 。铝合金以其良好 的力学性能 较高的比强度、比刚度 ，在工业中被广 泛应用[ s 】。随着科学技术的发展，对合金的性能提 出了更高的要求。为了改善铝及其合金的性能，一 方面在熔炼及其加工工艺上进行改进，另一方而在 铝及其合金中添加其他元素[ 6 ] 。添加微量元素细化 合金的铸锭组织，能够显著提高合金的强度、断裂韧 性，改善合金的加工成型性能⋯州。某些元素的少 量甚至微量存在会显著影响铝合金的组织和性能。 为控制和改善铝合金的组织与性能，研究者常常定 量加人不同合金元素，或以不同方法限制一些元素 在合金中的含量[ 1 。镍是常用的一种合金元素。一 般认为它能消除铝合金中杂质元素铁的有害影响， 提高合金耐热性，降低热膨胀系数，但目前关于镍的 添加对铝合金影响的报道很少【12 1 。C r 元素为典型 的弥散相形成元素。在合金中形成尺寸为0 ．0 1 ～ 0 ．1p m 的弥散相。抑制合金的再结晶和晶粒长 大【l 。C r 能改善合金韧性、降低应力腐蚀的敏感 性，但增加合金淬火敏感性[ I 引。Z n 在A I - Z n - M g 合 基金项目科技部科技型中小企业技术创新基金项目 0 9 C 2 6 2 1 3 2 0 1 0 4 4 - 江苏省科技囊中小企业技术创新资金项目 B C 2 0 0 7 1 4 4 作者简介司乃潮 1 9 5 5 - ．男．浙江坑州人．教授．博士生导师． 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 1 年9 期 金中能同时溶入a 固溶体和p 相 M g A I 。 中，形成 强化相M 9 2 A 1 3 和T 相 A 1 2 Z n 。M 9 3 ，减弱M g 原 子的扩散能力，抑制了它的扩散，阻滞8 相的析出并 使其呈不连续分布，从而提高了合金强度和抗应力 腐蚀能力[ 1 引。本文采用正交试验方法对加入的几 种合金元素的配比做了优化实验。 1 正交试验与结果 以A l 一7 。5 S i 一3 。5 C u 一0 ．3 5 M g 亚共晶铸造铝硅合 金为基体。利用N i 、C r 及Z n 三种元素对基体进行 微合金化‘1 5 ] ，按照L 9 3 3 设计并进行正交试验，试 验水平和因素为A N i 0 ．0 2 0 ％、0 ．0 2 5 ％、 0 ．0 3 0 ％ ；B C r O ．0 3 0 ％、0 ．0 3 5 ％、0 ．0 4 5 ％ ；C Z n O ．1 5 ％、0 ．2 0 ％、0 ．3 0 ％ 。 1 ．1 正交试验结果分析 正交试验结果见表1 。 表1 正交试验结果 T a b l e1 O r t h o g o n a lt e s tr e s u l t 因素A N i B C r C Z n a b ／M P a S ／％ Y ’ 1 ．1 ．1 极差分析 从表1 可知，c r 对试验合金拉伸强度的影响最 大，其次为N i ，Z n 影响最小，所以就拉伸强度而言， A 。B lC 2 配合比是拉伸强度的最优配比。同样，对于 延伸率，N i 对试验合金延伸率的影响最大，依次是 Z n 和C r ，而A 。B 。C 3 是延伸率的最优配比。由于硬 度在我们的综合评价值中所占比例最小．不做主要 考虑，略去极差分析。 对加权综合评价值Y 。进行极差分析，由表l 可 知，C r 对试验合金的综合力学性能影响最大，其次 是N i ，Z n 影响最小。综合评价的最优配比即本试 验的最优配比为A 。B lC z ，即N i o ．0 2 C r o ．。3 Z n o ．2 ． 1 ．1 ．2 显著性检验 对合金力学性能的各因素进行分析，计算各因 素的自由度，“、艿、H B 三种情况的自由度是一样 的，故 k n m l 一9 3 一l 2 6 “- - - - - f B f c f m l 一1 3 1 - - - - - 2 f E f l t a a 量一2 6 2 3 2 0 计算以、6 、H B 和Y ‘的F 比，结果列于表2 。 表2 T a b l e2 F 比 Fr a t i o 在试验水乎e r 0 ．0 5 或0 ．0 1 的情况下，分别 检验各因素的显著性，查表可得 F o ．o l f A ，f a 5 ．5 3 ，F o ．0 5 f ，气 3 ．3 7 可以得出 1 抗拉强度d b 的F 比均比F 。．。。 f ，f | 大，即 N i 、C r 、Z n 三种元素影响均显著； ． 2 延伸率6 中，F B 和F c 均小于F o ．。s f ．f 且 ，即 C r 和Z n 对延伸率影响均不显著，而F o ．。l f ，f a F F o 朋 f ，k ，所以N i 影响比较显著； 3 硬度H B 的F 比均大于F o ．。． f ，f I ，所以影 响均显著； 4 对于加权综合评价值y ’，F ．和F n 均大于 F o - o l f ，f 簟 ．即C r 、N i 影响特别显著，而F o 朋 f A ， f a F c F o ．0 5 “，f 4 ．即Z n 影响显著。 1 ．1 ．3 建立拟合曲线 6 2 8 O l 4 2 5 4 6 7 7 5 7 3 l 4 7 6 6 5 8 2 1 8 5 2 宕盯n鸺加叽鹅∞ 1 1 Z 2 1 2 3 2 2 2 4 O 2 4 7 6 4 8 2 9 6 O 9 O 7 3 8扎孤弧扎h眠孤m亿 2 2 2 2 Z 2 2 2 2 l 2 3 2 3 1 3 l 2 l 2 3 l 2 3 l 2 3 1 l 1 2 2 2 3 3 3 l 2 3 I 5 6 7 8 9 万方数据 2 0 1 1 年9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p l ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 9 1 N i 对合金力学性能的影响 图1 为N i 含量与合金拉伸强度和延伸率的拟 合曲线，由图1 可以看出，在试验范围内，随N i 含量 的变化，合金拉伸强度有先下降后回升的趋势，当 N i 含量在0 ．0 2 5 ％左右时拉伸强度相对较小。所以 从抗拉强度的拟合曲线的趋势来看，N i 含量在 0 ．0 2 ％左右时的拉伸强度是比较理想的，而随N i 含量的增加延伸率上升。 圈1N i 含量对拉伸强度和延伸率的影响 F i g ．1 E f f e c to fN ic o n t e n to nt e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fa l l o y 2 C r 对合金力学性能的影响 图2 为C r 含量与合金拉伸强度和延伸率的拟 合曲线．随着c r 含量的增加，合金的拉伸强度呈比 较明显的下降趋势，所以C r 含量在0 ．0 3o A 左右时 的抗拉强度是比较理想的；延伸率随C r 含量的变化 先下降．后稍有回升，变化较小。 圈2C r 含量对抗拉强度和延伸率的影响 F i g ．2 E f f e c to fC rc o n t e n to nt e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fa l l o y 3 Z n 对合金力学性能的影响 图3 为Z n 含量与合金的拉伸强度和延伸率的 拟合曲线，Z n 在0 。1 5 ％～0 ．2 ％时，合金的拉伸强 度有比较明显的上升趋势。在0 ．0 2 ％左右达到最大 值，之后则随着含量的增加开始下落，即拉伸强度降 低。所以Z n 含量取0 ．2 ％左右是比较合理的。从延 伸率拟合曲线可以看出Z n 对延伸率的影响不明 显。 图3Z n 含量对抗拉强度和延伸率的影响 F i g ．3 E f f e c to fZ nc o n t e n to nt e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fa l l o y 根据以上分析，我们可以得出N i 、C r 、Z n3 种 元素含量对试样综合力学性能Y 。的影响．图4 为 N i 、C r 、Z n 三种元素含量与合金综合力学性能Y 。的 拟合曲线。 9 0 7 0 5 0 ‘k 3 0 1 0 00 ．0 50 ．1 00 ．1 50 ．2 【 0 ．2 50 ．3 ‘ 0 ．3 5 ∞0 ％ 圈4 元素含量对Y 。的影响 F i g ．4 E f f e c to fe l e m e n tc o n t e n to nY 。 从图4 的3 条曲线我们可以看出，C r 含量对综 合性能Y 。的影响最显著，依次为N i 、Z n ，这和我们 用极差分析计算的结果是相一致的。由图4 的3 条 曲线我们可以建立如下二次拟合方程。 y 赢 6 9 08 0 0 ∞M2 3 54 9 2 0 j M 4 9 7 ．4 4 0 ．0 2 ％≤∞N i ≤O ．0 3 ％ 1 y 占 2 5 96 0 0 a D c ，2 2 24 7 0 0 J c ， 5 1 8 ．1 0 ．0 3 ％≤‘l c ，≤O ．0 4 5 ％ 2 y 矗 一23 0 9 ．3 3 3 w z I l 2 11 0 9 ．4 6 7 ％一6 9 ．5 9 0 ．1 5 ％≤忱。≤0 ．3 ％ 3 董 o | d 罨 o 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y lb g r i m mc n 2 0 1 1 年9 朗 当c t ，N ．、∽，和m 。。在各自的取值范围内变化时， 对于综合力学性能Y ’的影响，C r 元素曲线波动最 大。由式 1 可得N i 含量为0 ．0 2 ％时，综合力学性 能Y ‘达到最大值6 3 ．9 2 ，敞N i 含量的范围可定为 0 ．0 1 8 ％t O ．0 2 2 ％；由式 2 可知C r 含量为0 ．0 3 ％ 时综合力学性能Y ’达到最大值7 7 ．6 4 ，故c r 含量 的范围取为0 ．0 2 8 ％～0 ．0 3 2 ％；由式 3 可得Z n 含 量为0 ．2 ％时，综合力学性能Y ‘达到最大值5 9 ．9 3 ， 所以Z n 的范嗣取为0 ．1 8 ％～0 ．2 2 ％。 1 ．2 验证试验 按照实验分析出的最优比N i 。C r 。。Z n 。配 料，N i 含量控制在0 ．0 1 8 ％～0 ．0 2 2 ％，C r 含量为 0 ．0 2 8 ％～0 ．0 3 2 ％，Z n 为0 ．1 8 ％～0 ．2 2 ％，进行多 组试验．平均的拉伸强度d 。达到2 3 3 ．5 1M P a ，平均 延伸率6 为2 ．4 6 ％，达到优化的目标。 2 合金元素交互作用对合金微观组织 的影响 l 鼍| 5 为优化后合金的丝微组g { 金属型铸造，未 变质，未热处理 。 图5优化后合金的铸态显微组织 F i g ．5 M i c r o s t r u c t u r e so ft h ea s - c a s to p t i m i z a t i o na l l o y 图6 为优化后合金的S E M 组纵及能谱分析。 合金脆性相s i 和 a S i 呈连续网状分布在塑性a 相的晶界上，从『| 1 i 脆性相在空间上把塑性a 相分割 开．在拉伸时使其变形性能无从发挥。由图6 a 、6 c 町见．“A ”点亮h 色短棒或粒状组织为A I 。C u 相。圆 整的A l C u 相使合金硬化，嗣溶处理时能溶入a 同 溶体中．时效过程中析出．使合金强化。图巾“B ”点 为合金加人N 、C r 、Z n 元素后形成的复杂的灰白色 短棒状或粒状组织m 相，为A I M n C u F e S i 五元化 合物，m 相中还有微量的N i 、C r 、Z n 。m 相是多种元 素一起中和了F e 的有害作用后得到的复杂柑，从 而减少了针状或者是片状含F e 的割裂相，微合金 化后形成的多数为短棒状和粒状的c t ，相，在合金拉 伸变形时，可以阻碍位错的运动，对合金基体有一定 的钉扎强化作用。由于z n 的弥散强化作J l j ，m 相比 较均匀地分布在组织中。此外。m 相还能提高合金 的高温性。部分灰白色的m 相外部还包裹着亮白 色的A I 。C u 相，可能是加入N i 、c r 和Z n 元素形成 的c t ，相可以诱发A I C u 相在其周围形核，使较大的 颗粒状或块状析出相u 相边缘分布着一些小颗粒 状的A l 。C u 相．这可以减少拉伸时m 相产生的应力 集中而使自身先破裂．并加速裂纹的扩展，问接地降 低了F e 的有害作用，提高了合金的强度。 3 结论 1 C r 对台金的综合力学性能影响最大，依次是 N i 和Z n ，得出的最优配比是N h C r 。，Z n 一。3 种 元素最优取值分别为N i0 ．0 1 8 ％～0 ．0 2 2 ％．C r 0 ．0 2 8 ％～0 ．0 3 2 ％．Z n0 ．1 8 ％～0 ．2 2 ％。在最优配 比下，验证试验平均拉伸强度“达到2 3 3 ．5 1M P a ， 平均延伸率8 为2 ．4 6 ％，达到优化的目标。 2 在优化后合金中，在A 1 M n C u F e S i 五元化 合物上还有微量N i 、C r 、Z n 的短棒状或粒状的复杂 灰白色m 牛[ | ，可以中和F e 的有害作用，减少针状或 片状含F e 的割裂相．从而提高合金的强度。 参考文献 [ 1 ] 熊艳才．刘伯操．铸造铝台会现状及其展望[ J ] ．特种铸 造及有色冶金．1 9 9 8 4 1 ． [ 2 ] 李元元．郭国文，罗容增．等．高强韧铸造铝合金材料的 研究进展C J ] ．特种铸造及有色合金．2 0 0 0 6 4 5 ． [ 3 - 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s t e p a g i n g t r e a t m e n ta t1 0 0 * Ca n d1 5 0 “ C [ J ] ．M a t e rS e iE n gA ．1 9 9 9 ， A 2 7 0 5 5 6 3 ． [ 1 1 ] 蒋大鸣，张雨平．微量元素在铝合金中的作用[ J ] ．轻 合金加工技术，2 0 0 1 ，2 9 3 1 5 ． [ 12 ] 别士强，姚二九．陈武．镍对A I Z nM g C u R E 超高强 铝合金组织和硬度的影响[ J ] ．材料热处理，2 0 0 6 ，3 5 2 4 3 1 [ 1 3 ] 贺永东，张新明．微量C r ，M n ．T i ，Z r 细化7 A 5 5 铝合金 铸锭组织的效果与机理[ J ] ．中国有色金属学报．2 0 0 5 ， 1 5 1 0 1 5 9 4 1 5 9 5 ． [ 1 4 ] 罗启全．铝合金熔炼与铸造[ M ] ．广州广东科技出版 社，2 0 0 2 ． [ 15 ] 张大华，陈体军，郝远，等．s n 微合金化对M gZ n R E - Z r 合金组织及性能的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 9 ，5 8 1 0 1 0 0 5 ． 万方数据