Mg含量对Al_20Si合金显微组织及力学性能的影响_王松海
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Mg含量对Al_20Si合金显微组织及力学性能的影响_王松海
DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2011.18.023
下半月出版Material&HeatTreatment材料热处理技术
Mg含量对Al-20Si合金显微组织及
力学性能的影响
王松海1,黄晓锋2,冯凯2
(1.中航工业集团兰州飞行控制有限责任公司,甘肃兰州730070;2.甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验
室,甘肃兰州730050)
摘
要:通过光学显微镜、力学万能试验机、X射线衍射仪和扫描电镜分析了Mg含量对Al-20Si铝合金显微组织
和力学性能的影响。结果表明:合金中主要有α-Al、共晶硅、初生硅和Mg2Si等相存在,随着Mg含量的增加初生硅数量逐渐减少,并且变得细小;抗拉强度逐渐增加,而伸长率呈先下降后上升的趋势,硬度与伸长率的变化趋势相反。
关键词:Mg;Al-20Si合金;显微组织;力学性能中图分类号:TG146.2+1
文献标识码:A
文章编号:1001-3814(2011)18-0033-03
EffectofMgContentonMicrostructureandMechanical
PropertiesofAl-20SiAlloy
WANGSonghai1,HUANGXiaofeng2,FENGKai2
(1.LanzhouFlightControlLimitedLiabilityCompany,ChinaAviationIndustryGroup,Lanzhou730070,China;2.StateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon-ferrousMetalMaterials,Lanzhou730050,China)
Abstract:ThemicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-20Sialloyswereinvestigatedbyopticalmicroscope(OM),mechanicalapparatus,X-Raydiffraction(XRD)andscanningelectronmicroscope(SEM).Theresultsindicatethatthemicrostructureofthealloymainlycontainsα-Al,eutecticsilicon,primarysiliconandMg2Si.WiththeincreaseofMgcontent,theprimarysilicongraduallydecreasesandrefines;thetensilestrengthgraduallyincreases;theelongationincreasesinitiallyandthendecreases,whilethehardnesshasthecontrarytrendoftheelongation.
Keywords:Mg;Al-20Sialloy;microstructure;mechanicalproperties
过共晶A1-Si合金具有密度小、热膨胀系数小、耐磨性能好、强度高、铸造成形性好、焊接性好和机械加工性能优良等一系列优点,被广泛应用到航空、航天、汽车及其他运载机械上[1-5],但目前国内外研制开发的过共晶铝硅合金的力学性能,在比强度和伸长率等方面尚不能与高强铸钢相匹敌,难以满足当前及今后汽车、飞机等运载机械零部件工业的发展要求,这主要是由于初生硅和共晶硅的尺寸较大,形貌复杂,严重影响过共晶铝合金的力学性能。因此,人们正从优化合金成分、净化处理、细化变质处理及热处理等方面对铸造铝硅合金进行研究,以期提高力学性能[5-10]。合金化是提高过共晶铝合金的一种重要手段,其中Mg元素可以改善过共晶铝合金中初生硅的形貌和尺寸[11-12],本实验试图通过添加Mg元
素来减少和细化初生硅,从而提高Mg-20Si合金的力学性能,研究了Mg元素在Mg-20Si合金中的作用,以及Mg含量对其显微组织及力学性能的影响。
1实验材料及方法
本实验共制备4种成分的合金,合金成分如表1
所示。原料采用工业纯铝、Al-30Si中间合金、纯镁。采用7.5kW井式电阻熔炼炉在铸铁坩埚中熔炼合金,在730℃精炼后缓慢降温,于710℃下静止
1~2min后在金属型模具中浇铸,在铸锭同一位置
取样进一步加工,测量其力学性能、硬度并观察显微组织。拉伸试样的取样部位和尺寸如图1所示。
表1合金名义成分(质量分数,%)
Tab.1Thecompositionofexperimentalloys(wt,%)
合金
Si20202020
Mg00.30.91.5
Al余量余量余量余量
Al-20Si
收稿日期:2010-12-28
作者简介:王松海(1970-),男,山东高密人,高工,主要研究方向为材料
加工工艺;电话:0931-7662918;Email:gslzwsh@http://wendang.chazidian.com
Al-20Si-0.3MgAl-20Si-0.9MgAl-20Si-1.5Mg
材料热处理技术Material&HeatTreatment
2011年9月
描范围为20°~100°,速度为5°/min)进行物相分析。
2
实验结果与分析
图2为添加了不同含量的镁元素后铸态下的显
2.1显微组织分析
微组织照片。从图2(a)可看出,没有加Mg时,合金中主要有粗大的α-Al和共晶硅以及粗大的初生硅。添加Mg元素后合金的组织得到了明显的细化,从图2(b)、(c)、(d)可看出,随着Mg含量的增加,合金中初生硅的数量逐步减少,Mg含量为1.5%时几乎看不到初生硅的存在。从Mg-20Si-1.5Mg的XRD
Fig.1Thesizeoftensilesample
采用MTS810拉力试验机进行拉伸试验,测定合金的抗拉强度和伸长率,拉伸速率为1mm/min,拉伸试样三个为一组,结果取其平均值。拉伸后的试样用JSM-6700扫描电镜观察其断口形貌。硬度试样在万能硬度机上测定合金的布氏硬度。金相试样在金相抛光机上抛光,经0.5%HF溶液腐蚀,最后在金相显微镜上观察合金的显微组织。显微组织中的元素组成通过扫描电镜自带的EDS分析测定,采用
(图3)和EDS分析(图4)以及(表2)结果中也可看出,
合金中主要有黑色的汉字状形态Mg2Si相(图4中A点)和针状的共晶硅(图4中B点)。该合金得到明显的细化主要是由于镁元素加入后,在凝固过程中分
内容需要下载文档才能查看(c)Al-20Si-0.9Mg
(d)Al-20Si-1.5Mg
RigakuD/max-2400型X射线衍射分析仪(Cu靶,扫
(a)Al-20Si
(b)Al-20Si-0.3Mg
100μm100μm100μm100μm
图2Al-20Si-xMg合金显微组织照片
Fig.2ThemicrostructureofAl-20Si-xMgalloy
Al3.21Si0.47AlMg2SiSi
表2EDS分析结果
Tab.2EDSanalysisresultsinFig.4
点
CPS→
Al(at%)62.7286.5197.91
Si(at%)11.9512.811.11
Mg(at%)25.330.690.99
ABC
20
40
602θ/(°)
80
100
布在固液界面前沿,抑制了初生硅的生长,从而改变了初生硅的尺寸和形貌,使得初晶硅细化,在固液界面前沿形成的Mg2Si相导致溶质的再分配与偏析,使得界面处的过冷区增大,从而加快了形核率,使得枝晶间距减小,晶粒得到了细化;而且合金中添加
图3Al-20Si-1.5Mg合金的X衍射结果
Fig.3XRDpatternofAl-20Si-1.5Mgalloy
A
Mg元素后,Mg与Si生成了Mg2Si相,从而消耗了
合金中的Si,使得显微组织中的初生硅与共晶硅的
C
20μm
B
数量都显著减少。
2.2力学性能分析
从图5可看出,随着Mg含量的增加,合金的抗拉强度逐渐升高。未加Mg的抗拉强度为128MPa,
图4Al-20Si-1.5Mg合金的扫描照片
Fig.4SEMphotoofAl-20Si-1.5Mgalloy
1098765432
Material&HeatTreatment材料热处理技术
160抗拉强度/MPa
Si表现的是脆性相,随着Mg含量的增加,合金中
的初生硅和共晶硅的尺寸减小,并且棱角钝化,合金
伸长率(%)
150140130
伸长率
的变形由大量硅存在时的脆性变形逐渐转变为
α-Al的塑性变形,所以合金的伸长率最后是逐渐增
加的。
从图6可看出,硬度的变化规律与伸长率的相反,在0.3%Mg时最高,随着Mg含量的增加,合金的硬度有小幅度的降低,但是仍然高于未加Mg的基体合金。这是由于Mg元素添加之后消耗掉了部分硅原子,而硅原子作为硬脆相是合金硬度的主要来源,所以导致合金硬度降低。
8075硬度(HB)
抗拉强度
120
0.0
0.60.91.21.5Mg元素含量(%)
图5Al-20Si-xMg合金拉伸结果
0.3
Fig.5ThetensileresultsofAl-20Si-xMgalloy
加入1.5%Mg后增加到162MPa,提高了26.52%。合金的伸长率也得到了明显的提高,随Mg含量的增加,呈先下降后上升的趋势。
合金的抗拉强度升高主要是由于镁元素固溶到
α-Al基体中,引起了晶格畸变,在拉伸过程中固溶
原子可以起到阻碍位错迁移钉扎位错的作用,从而提高合金的抗拉强度;合金中添加镁元素后生成了
7065605550
0.0
0.30.60.91.2
元素含量Mg(%)
图6Al-20Si-xMg合金硬度
1.5
Mg2Si相消耗掉部分硅原子,合金中的初生硅和共
晶硅相的数量都明显减少,组织中容易产生裂纹源的尖角也随之减少,降低了产生应力集中的可能性,同时在组织中均匀分布的初晶相作为脆性相,由于晶粒变细小也可以起到细晶强化的作用,从而提高了合金的力学性能。合金的伸长率最后随着
Fig.6ThehardnessofAl-20Si-xMgalloy
2.3拉伸断口分析
图7是Al-20Si-xMg合金拉伸断口形貌。可以看出,随着Mg含量的增加,合金的断口形貌发生
(c)Al-20Si-0.9Mg
(d)Al-20Si-1.5Mg
Mg含量的增加而增加,主要是由于在拉伸过程中
(a)Al-20Si
(b)Al-20Si-0.3Mg
图7Al-20Si-xMg合金拉伸断口形貌
Fig.7ThemicrographsoffractureofAl-20Si-xMgalloy
明显变化。没加Mg元素的拉伸断口主要表现为解理断裂的特征,有较大的解理面是沿着初生硅的棱角处断裂的;加入Mg后,合金的断裂方式由解理断裂逐渐转变为混合断裂,合金的解理面逐渐变小,并且有大量的韧窝产生。这主要是由于初生硅和共晶硅的数量和尺寸减小,合金中的脆性相减少而引起的,这与合金的拉伸性能和显微组织的变化是对应的。
3结论
(1)在Al-20Si合金中加入Mg元素后,初生硅
和共晶硅得到了明显的细化,随着Mg含量的增加,细化的效果越好,当Mg含量达到1.5%时,几乎看不到初生硅。
(2)随着Mg含量的增加,合金的抗拉强度逐
渐升高,加入1.5%Mg后增加到(下转第39页)
定性以及耐腐蚀性能。
[8]
Material&HeatTreatment材料热处理技术
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(上接第35页)162MPa,提高了26.52%,合金的伸长
率也得到了明显的改善,呈先下降后上升的趋势,硬度的变化规律与伸长率的相反。参考文献:
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