高强度铸造A1-Si-Cu-Mg合金固态相变研究

【摘要】：高强度Al-Si-Cu-Mg合金的铸造性能优良，通过热处理可以大幅度提高材料的力学性能。本文研究了该类合金的热处理强化特性，通过考察热处理工艺参数、主要合金元素和微量元素对热处理过程的影响，分析了合金的强化机理。 本文研究了铸造Al-Si-Cu-Mg合金的时效行为，发现在一定温度以上时效处理时，Al-Si-Cu-Mg合金的硬化曲线上出现了“双峰”现象，两个硬度峰值之间存在明显的“谷”。175℃时效，合金分别在6h和12h出现了第一个和第二个硬度峰。 DSC和TEM观察发现，铸造Al-Si-Cu-Mg合金的主要时效析出相为θ相和Q相。θ′相在合金基体上非均匀形核，在位错、晶界等能量高的位置优先形核和长大。而Q′相在合金基体中均匀分布，不受位错、晶界等缺陷的影响。在时效处理过程中，Q相的分布和形貌变化不大，稳定性很好，而θ序列析出相的结构变化较大，因此合金时效的“双峰”现象主要来源于θ相结构的变化。 时效硬化的单、双峰现象与合金的时效析出序列密切相关，GPⅡ区/θ″和亚稳相θ′都能有效强化Al-Si-Cu-Mg合金，但高密度的GP区(主要是GPⅡ区)的溶解将这一时效强化过程分为两个阶段。GP区向亚稳相转变的明显间隔是造成Al-Si-Cu-Mg合金时效双峰现象的主要原因。而在Al-Si-Mg合金的析出过程中，GPⅡ区和亚稳相的形成重叠交叉进行，造成了时效曲线上的硬度平台；在Al-Si-Cu合金的时效过程中，由于大量位错抑制了GP区的形成而促进了θ′相的非均匀形核，造成了时效曲线上的单硬度峰。 在固溶处理过程中，共晶硅相形貌发生了显著的变化，并对合金的性能产生了很大的影响；通过定量金相分析，共晶硅相形貌的演变及其对合金力学性能的影响可划分为三个阶段：固溶初期硅相的熔断和钝化使合金的塑性得到显著的提高；固溶中期以粒化为主，合金的力学性能达到了峰值；固溶后期硅相的粗化符合LSW粗化模型，硅相形貌呈现棱角小面特性，合金性能降低。 实验发现，淬火后共晶硅在合金基体中引入了大量的位错，从而抑制了GP的形成，促进了亚稳定θ′相的析出，降低了合金的时效硬化能力，且使得合金的时效过程难以控制。另一方面，固溶处理后过饱和的Si原子以纯硅质点方式析出，为强化相的均匀形核提供了良好的环境，从而加快了合金的时效强化过程。 在时效过程中，Ti与其它元素形成了弥散分布的Al_3Ti相和Al-Si-Cu-Ti四元化合物相，对合金基体起弥散强化作用。在含Mn合金的时效组织中，存在α-Al_(15)(MnFe)_3Si_2 沈阳工业大学博士学位论文 弥散质点，均匀、弥散分布在合金的基体上，强烈地钉扎位错，阻碍位错的运动，其本 身对合金也有一定的弥散强化作用。 在铸造Al一Si一Cu.Mg合金中分别添加微量元素Cd、sn、Ag，以考察它们对固态相 变过程的影响。实验发现:Cd和Sn抑制GP区的形成且促进亚稳相的析出，从而促进 了合金的时效过程，提高了合金的峰时效硬度，加快了合金的硬化速度。由于Cd和Sn 对GPn区的抑制和亚稳相的促进，也使得GPll区向亚稳相的转变间隔变小甚至消失。 在合金的峰时效组织中，GPn区和亚稳相同时存在，且尺寸细小，分布弥散，从而提 高了其硬化速度，引起了合金时效峰的显著增高，有效地促进了合金的时效析出过程， 也使合金的时效“双峰”现象消失。 元素Ag和Ni也对合金时效过程中的e相析出序列产生显著的影响，Ag和Ni的 加入促进了合金时效过程中GPll区/e’‘的形成，而且抑制了合金中亚稳相e’的形成与 分解，并强烈阻碍了稳定相e的形成。因此，Ag和Ni的添加提高了合金的时效硬化速 度，并阻碍了合金过时效的发生。