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高强韧压铸Al-Mg-Si-Mn合金的疲劳行为及腐蚀性能研究

胡祖麒  
【摘要】:压力铸造作为一种高效的近净成形方法,可以用于制造大型薄壁复杂结构件。然而,压铸过程中金属液的高速填充导致铸件内部存在大量气孔缺陷,直接降低铸件的塑性及抗疲劳性能,因此,压铸件通常无法用作高性能受力结构件。为了提高铸件力学性能,高真空压铸技术和高强韧压铸铝合金得以开发。目前国内外对于压铸铝合金的研究主要集中在流动性较好的Al-Si, Al-Si-Mg和Al-Si-Cu合金,而对可以用于制造高受力结构件的压铸Al-Mg-Si合金的研究则相对匮乏。AlMg5Si2Mn合金具有良好的塑性和耐腐蚀性,便于回收利用,且适用于大型零件的压铸生产,孔隙率低,具有良好的应用前景。针对上述情况,本文对压铸AlMg5Si2Mn合金的微观组织、静态力学性能、疲劳性能和耐腐蚀性能进行了系统研究和深入探索。 较详细研究了压力铸造AlMg5Si2Mn合金的微观组织和力学性能,重点研究了镁含量、时效处理以及真空压铸工艺对合金力学性能的影响,深入探讨了该合金的断裂机理。研究表明压力铸造AlMg5Si2Mn合金的微观组织主要包括a-A1晶粒,[Al+Mg2Si]共晶区以及Al15(Fe,Mn)3Si2相。压铸试样的力学性能明显高于重力金属型试样的力学性能,合金拉伸断口上存在大量解理台阶。随着合金中镁含量从5.5%提高到7.2%,合金的抗拉强度在320MPa附近波动,屈服强度从189MPa上升到202MPa,伸长率则从8.31%下降到4.5%。合金在250℃下进行时效处理后,屈服强度和布氏硬度有所提高,而伸长率则随着时效时间的延长逐渐降低。真空辅助压铸工艺略微提高了合金的力学性能。 首次探索压铸AlMg5Si2Mn合金的疲劳寿命和裂纹扩展行为,系统研究了镁含量、载荷比、时效处理和盐液腐蚀环境(3.5%NaCl溶液)对于合金的疲劳寿命的影响规律,阐明了合金在不同试验条件下疲劳裂纹的萌生和扩展机理,通过裂纹扩展速率试验得出合金的裂纹扩展速率的基本参数。疲劳寿命试验结果表明,当合金的镁含量的从4.5%提高到7.2%,疲劳极限从54MPa提高至75MPa,时效处理对合金的疲劳强度影响比较小,载荷比r=-1的疲劳寿命明显高于r=0试样,盐液腐蚀环境(3.5%NaCl溶液)对于合金的疲劳寿命有明显的不利影响,导致疲劳极限从75MPa降低到45MPa。压铸试样的疲劳裂纹多半起源于表面和近表面的孔洞缺陷、氧化夹杂物以及宏观塑性变形区,在裂纹扩展区域出现明显的塑性疲劳辉纹和撕裂棱。压铸试样的疲劳寿命明显高于重力金属型试样。合金腐蚀疲劳断裂主要是由应力腐蚀开裂作用所致,阳极滑移溶解以及表面塑性变形是疲劳裂纹萌生的主要机理。裂纹扩展速率试验结果表明,压铸AlMg5Si2Mn合金裂纹扩展速率曲线中的稳步扩展直线段斜率及y轴截距分别为m和lgC,其中裂纹扩展速率指数m=5.756~5.874,裂纹扩展速率系数C=2.421x10-10-4.285x10-9,表明该合金裂纹扩展速率低于常用的压铸Al-Si-Mg合金。真空压铸工艺略微降低裂纹扩展速率,但是对整体疲劳寿命的影响不明显。 深入研究了AlMg5Si2Mn合金的压力铸造和重力金属型试样的耐腐蚀性,对比两组试样的晶间腐蚀倾向和电化学腐蚀试验结果,探讨了微观组织对于AlMg5Si2Mn合金耐腐蚀性能的影响以及合金的腐蚀机理。电化学腐蚀试验结果表明,压铸试样和金属型试样的自腐蚀电位和点蚀电位分别约为-1220mV,-690mV和-1250mV,-760mV,最大腐蚀深度以及重量损失分别为130μm、62mg/cm3和365μm、220mg/cm3,表明合金具有明显的晶间腐蚀倾向,且压铸试样的耐腐蚀性优于金属型试样,腐蚀表面上的晶界位置观察到大量的点蚀坑以及富硅区。 利用AlMg5Si2Mn合金压铸生产的后副车架零件的结构疲劳试验表明,零件的关键位置在相应试验载荷下可以承受超过20万次循环而不发生疲劳失效,该零件在各个试验位置均能够满足相关性能要求。后副车架的本体力学性能达到260MPa,150MPa和6.2%,满足性能要求(Rm≥240MPa. Ro.2≥145MPa、伸长率≥6%)。因此,压铸AlMg5Si2Mn合金可以用于制造大尺寸高性能汽车结构件。


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