A356铝合金的组织与性能研究(18页).doc
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1、-A356铝合金的组织与性能研究-第 14 页A356铝合金的组织与性能研究目 录摘要IXAbstractIX1 绪 论11.1 引言11.2 铝及其合金概述11.3 热处理工艺21.4 A356铝合金研究现状31.5 主要内容42 实验方法及过程42.1 合金成分42.2 试样制备和热处理方法42.2.1 试样切割42.2.2 热处理52.3 金相观察62.3.1 金相试样的制备62.3.2 金相观察72.4 力学性能的测试72.4.1 硬度测试72.4.2 拉伸性能测试73 实验结果及分析83.1 金相组织观察结果83.1.1 热处理前的微观组织83.1.2 热处理后的微观组织103.2
2、力学性能分析113.2.1 表面硬度113.2.2 拉伸性能144 结 论15致 谢16参考文献17百色学院本科毕业论文(设计)诚信保证书19摘 要:对A356铝合金分别进行金相观察和力学试验,研究其微观组织及性能,同时探讨热处理方式对A356铝合金组织与性能的影响,结果发现枝状晶比较粗大,分布松散,表面硬度、抗拉强度和屈服强度都较低,塑性较好。经一定热处理后,粗大共晶硅熔断形成分布均匀、趋于球化的细小颗粒,除了塑性有所降低外,其他力学性能都有了显著提高。最佳热处理工艺为(560+6h)固溶+(180+4h)人工时效。关键词:A356铝合金;固溶处理;时效处理;力学性能;微观组织Researc
3、h on Microstructure and Properties of A356 Aluminum AlloyAbstract:The microstructures and properties of A356 aluminum alloy were investigated by means of optical metallography and tensile test. Meanwhile, the effects of heat treatment on microstructure were analyzed. The results show that the more c
4、oarse dendrites are evenly distributed, the lower hardness, tensile strength, yield strength and the greater plastic are obtained. The coarse dendrites are broken off, uniform distribution and granular after heat treatment. The mechanical properties have significantly improved except for ductility.
5、The optimized solution treatment for 6 hours at 560 and aging treatment for 4 hours at 180 are recommended.Key words:A356 aluminum alloy; Solid solution treatment; Aging treatment; Mechanical properties; microstructure1 绪 论 引言材料是国民经济和社会发展的重要物质基础,是现代技术的三大支柱之一,其中,铸造铝合金在工程材料领域中又占有非常重要的地位。由于现代高科技材料的使用需要
6、更多的优良性能,力学研究也从宏观力学分析转移到微观组织结构和宏观力学性能之间的关系1。中国的汽车工业正处于快速发展时期,汽车行业正面临着节约能源、环境保护和驾驶安全三大问题,使得汽车工业发展向着更安全、高速、舒适和环保的方向发展,减轻汽车重量是解决问题的很好办法,这不可避免的导致铝硅合金的市场需求量增加。强度和韧性较低是铝硅合金铸件目前存在的重要问题,实际生产中很容易产生夹杂物、气孔等铸造缺陷。随着航空航天工业和汽车行业的快速发展,为顺应人类社会对节约能源和环境保护的要求,工业部门更迫切追求高强度的材料,新的高强度高韧性铸造铝-硅合金的研究与开发必将成为近年来研究的热点。上世纪70年代,美国研
7、制了A356系列铝合金,是一种被广泛应用的铸造铝-硅-镁系合金,流动性和气密性都较好,而且收缩率和热裂倾向比较小,经过一定变质和热处理后,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,用途广泛2-3。比如其在经过T6热处理后,被广泛应用于诸如汽车制造业的轮毂、发动机缸体和航空航天工业中一些大型薄壁结构的零件等重要部件,这样不仅有效减轻了零部件自身重量,而且价格适中,回收率高。然而,由于铝液在熔融状态时容易吸氢,同时,凝固过程中有一定程度的收缩,因此铸造出来的铝合金构件一般都存在一定数量的孔洞、氧化物和非金属夹杂物等缺陷,这些缺陷对构件的力学性能有较大影响。所以,通过研究其微观组
8、织对性能的影响,对优化微观组织获得具有良好综合性能的高强度铝合金及扩大使用领域,具有重要的理论意义和使用价值。 铝及其合金概述铝是一种人们既熟悉又常接触到的金属材料。铝是化学元素周期表中位于第三周期的主族元素,也是地壳中分布第三位的元素,仅次于氧和硅。据统计,地壳中其余有色金属含量的总额都没有铝含量多。铝之所以具有很高的塑性(:3240%,:3),抗腐蚀性能好,熔点低,因为其强度很低,纯铝不宜作结构材料,退火状态 b 值约为8kgf/mm2。除去部分用于冶炼和特殊用途外,原铝和再生铝90%以上要添加其他元素配成各种合金,通过铸造、轧制等一系列加工方式加工成不同用途和性能的铸件、板材和箔材等。铝
9、合金是当前工业中使用范围最广的结构材料之一,经过长期的科学实验和实际生产,通过往纯铝中加入一定量合金元素及运用一定的热处理方式对铝进行强化,得到了一系列型号的铝合金,不仅保持纯铝质轻等原有的良好性能,而且弥补其强度、硬度等力学性能上的不足。采用铝合金作为焊接材料,其重量比用钢材做焊接材料减轻50%以上。铝合金不仅密度低,强度与优质钢材不相上下,而且具有良好的塑性、导电、导热和抗蚀性,可通过不同加工方式加工成各种型材、板材和线材,在工业使用量上仅次于钢4。铝合金分两大类:一种是铸造铝合金,在铸态下使用;另一种是变形铝合金,能承受压力加工,可加工成各种形态、规格的铝合金。 热处理工艺铝合金铸件的热
10、处理是指把铸件放在一定的介质中,通过控制加热温度、保温时间和冷却速度,改变铸件微观组织结构,从而达到提高其力学性能、增强耐腐蚀性能、改善加工性能,获得尺寸的稳定性的目的。铝合金铸件的热处理工艺可以分为如下三类5:(1)退火处理:将铝合金铸件加热到约为 300上下的较高的温度,在此温度下保温一定的时间后,随炉冷却至室温,得到趋于或达到平衡状态的组织,以获得更好的工艺和使用性能的热处理工艺称为退火。在退火期间,固溶体破裂分解,可以很大程度上消除铸件在铸造和机械加工过程中残留的内应力,使铸件尺寸稳定,不易变形,增强铸件的塑性。(2)固溶处理:把铸件加热到不超过共晶体熔点的尽可能高的温度,保温一定的时
11、间,使强化相得到最大限度的溶解,然后快速冷却得到过饱和固溶体的热处理工艺称为固溶处理,也称淬火。对于Al-Si-Mg 类铸造铝合金,固溶处理后,能有效增强铝合金强度和耐蚀性。对于还需要人工时效的铝合金,固溶处理能较好的提高材料的塑性。固溶处理效果好坏主要由于下列三个因素决定:1)固溶处理的温度:在不超过共晶体熔点的情况下,温度越高,强化相溶解速度越快,快速冷却后强化效果就越明显。2)保温时间:剩余相的溶解速度决定保温时间,溶解速度又由铝合金的成分、组织、铸造方法决定。3)冷却速度:固溶处理后铸件的冷却速度越大,高温状态得到的过饱和固溶体也就越多,其铸件力学性能也就越好,同时铸件内残留的内应力也
12、就越大,使铸件的尺寸不稳定。(3)时效处理:为消除固溶处理后的铸件残余的内应力,稳定尺寸,把铸件重新加热(100-250),保温一定时间后,放在空气中让铸件缓慢冷却至常温的热处理工艺称为时效。 A356铝合金研究现状国内外对铝硅系铸造铝合金做了许多研究,比如宛农6等人研究分析了Al-Si-Mg系铝合金热处理工艺对合金的力学性能的影响,得出固溶和时效温度分别处在 525550和 150200的范围时,力学性能基本能满足使用需要。当材料处于非平衡条件下时,Mg2Si强化相会在含较多Si、Mg的 相枝状晶间优先形成,实际时效处理温度及保温时间应根据铝合金的 Mg 含量来做出相应的调整。王尚清7研究分
13、析了 A356.0 铝合金的热处理工艺,探讨了时效温度和保温时间与合金抗拉强度和延伸率之间的规律,当时效温度一定时,保温时间和抗拉强度趋于正比例关系,和延伸率呈反比例关系,保温时间一定时,时效温度与抗拉强度和延伸率的规律与时效温度一定时相似。余忠土8等人研究了 A356 铝合金半固态成形件在经T6 热处理后的原始强化相和析出的一部分强化相,起主要作用的是后者,还得出随着时效时间的延长,析出的强化相越多,硬度越高,但时效时间超过一定时间后,就会出现过时效,硬度反而下降。冉广9-10等人研究分析了 A356 铝合金的微观组织、拉伸性能及其断口形貌,得出铸A356铝合金在经T6热处理后,抗拉强度屈服
14、强度与离浇道口平面距离成反比例关系,延伸率则变化不是很明显,研究分析了其拉伸断口发现其断裂是韧性断裂和脆性断裂两种不同模式的混合。Jacques Stolarz11等人研究分析了Al-Si系铸造铝合金低周疲劳断裂存在的微观影响因素后指出 Al-Si 系铝合金的断裂纹穿过其表面形核并在共晶铝层中扩展。上官晓峰12等人研究分析了 A356 铝合金拉伸性能,发现其裂纹都是出现在材料的铸造缺陷处。李建国13等人研究分析得出铸造铝合金材料中最薄弱的区域是-Al 的二次枝晶臂之间的枝状共晶体,裂纹源是Si 颗粒中尺寸最粗大的首先发生断裂形成的。Buffiere J Y14等人研究分析了铸造时产生疏松与 A
15、1-Si7-Mg0.3 铝合金的疲劳机理的关系。 主要内容关于铝硅系铸造铝合金的研究主要集中优化合金成分和热处理工艺及对熔炼和铸造工艺的改进等方面,但系统的研究其微观组织、 缺陷以及合金在室温环境下的力学性能的研究相对较少。未经热处理的A356铝合金,其树枝状共晶硅比较粗大,分布不均匀,很大程度上降低了力学性能,但也是其具有较好的塑性,本文在室温下对A356铝合金分别进行金相观察,硬度和拉伸实验,研究其微观组织及性能,同时探讨热处理方式对A356铝合金组织与性能的影响,优化A356热处理工艺。2 实验方法及过程 合金成分实验的研究材料为某工厂生产提供的A356合金锭,其主要化学成分如表2.1所
16、示: A356合金锭的化学成分(Wt.%)元素SiCuMnMgFeZnPbTiSnAl含量余量 试样制备和热处理方法.1 试样切割采用型号为DK7745的电火花数控线切割机床,把块状A356合金锭切割成尺寸为51020(mm)的小块试样和6块尺寸为图2.1 的非比例拉伸试样。图2.1 拉伸试样尺寸(mm).2 热处理(1) 固溶处理:将切割好的小块合金试样,分九组,放于型号为SK-5-13的箱式电阻炉中加热,保温一定时间后,拿出电阻炉,于温度为90的水中快速冷却。固溶温度和保温时间如表2.2所示:表2.2 固溶温度及保温时间1#2#3#4#5#6#7#8#9#固溶温度/500500500530
17、530530560560560保温时间/h468468468(2) 时效处理:把固溶后的小块合金试样标记好,每组拿出一个组成新的一组,一共九组,时效处理为单级时效,合金试样在固溶处理后,放置在空气中静置12h,再放于型号为SK-5-13的箱式电阻炉中加热到一定的时效温度,保温一定时间后,拿出放在空气中自然冷却。时效温度和保温时间如表2.3所示:表2.3 时效温度及保温时间1#2#3#4#5#6#7#8#9#时效温度/140140140160160160180180180保温时间/h246246246(3) 通过对固溶、时效处理的试样进行金相组织观察与硬度测试,选出硬度最好的热处理工艺,得出最佳
18、的热处理工艺为(560/6h)固溶+(180/4h)人工时效。拉伸试样在该工艺下热处理后再进行拉伸实验。 金相观察.1 金相试样的制备金属材料在经过特殊处理(粗加工、镶嵌、磨光、抛光和浸蚀)后,通过金相显微镜观察研究其微观组织和缺陷的方法,叫显微分析法15。金相显微分析是一种非常重要的研究分析金属材料微观组织的方法。在实际生产和科研实验中,通过金相显微镜来观察研究金属材料的微观组织是一种不可缺少的手段,它能解决金属材料微观组织方面的诸如晶粒的形状和大小、裂纹以及热处理工艺是否合理等问题。金相试样的制取是十分关键的一步,如果制取不当,就可能观察不到金属材料的真实组织,从而得出错误的结论。显微试样
19、的制备过程包括:取样、粗加工(磨平)、镶嵌、磨光、抛光和浸蚀。(1) 取样、粗加工及镶嵌(镶样)金相试样取样时,根据研究的目的选择取样位置及观察面截取部位,同时要保证试样观察面的微观组织在切割时不发生变化,试样必须能够描述测试材料的性质。本实验的试样使用电火花数控线切割机床切割,经砂纸打磨后,表面较平整。(2) 磨光试样因切割时面较平整,可直接用砂纸进行细磨。磨样时,所用砂纸的沙粒要由粗到细。将砂纸先用水冲洗一下置于水平桌面上。一手轻压砂纸,一手握住试样,将待磨面轻压在砂纸上向前推进,压力要尽可能适当均匀,以保证磨面平整,切忌来回磨削。如此反复磨削,直至上一道磨痕完全消失。每次更换砂纸时,试样
20、均需旋转90,便于把上一道划痕磨去,且操作者的手、试样及桌面要清洗干净,以免残留沙粒影响细磨效果,一般要用四五种不同规格的砂纸。(3) 抛光抛光的目的是去除细磨时残留的细微磨痕得到更为光亮的磨面。实验用机械抛光,抛光盘转速一般为600转/分,把细帆布、呢绒等织物平铺在抛光盘面上。抛光时先在抛光盘抹上含有金刚石微粒的抛光膏进行粗抛,然后再用含有粒度更细的Al2O3或Cr2O3等的抛光膏进行细抛。抛光时手要握紧试样,把试样磨面轻压在旋转的抛光盘上并与之均匀接触。(4) 浸蚀金相试样在经过浸蚀后,微观组织可以更加清晰呈现出来,便于观察。实验所用的浸蚀液为0.5%的氢氟酸水溶液,浸蚀时间为10-15s
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