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高性能Al-Si-Cu-Mg合金的优化设计研究

作　者: 向前
导　师: 周志敏
学　校: 东北大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: Al-Si-Cu-Mg合金半固态合金设计半连续铸造多尺度模拟
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文以设计高性能半固态Al-Si-Cu-Mg系合金作为研究目标,根据半固态合金的性能要求,参考合金元素和晶粒尺寸对合金凝固组织的影响,确定高强度高韧性合金的成分配比：Si含量小于12.6%,Cu的含量小于5.65%,Mg含量在1%以内。对于不同Si、Cu和Mg含量的铝合金,采用多尺度数值模拟方法,研究了近液相线半连续铸造过程中的微观组织演变,为半固态Al-Si-Cu-Mg合金的优化设计提供理论依据。利用Thermo-Calc软件计算了合金的热力学参数,根据Al-Si-Cu-Mg合金近液相线半连续铸造的特点,建立了描述半连续铸造过程的温度场模型、浓度场模型以及形核与长大模型,通过宏观和微观尺度上的耦合计算,实现了宏观传热、传质与微观晶粒形核、生长及组织演变的模拟。本文模拟了Al-Si-Cu-Mg合金在不同的合金成分、浇注温度和浇铸速度下,对合金微观组织的影响,得到了组织演变与合金成分及工艺条件之间的关系,进而获得适合半固态加工的最佳合金成分和最优工艺条件。模拟研究发现：相对于常规铸造,液相线半连续铸造得到的铸态组织晶粒均匀细小,浇铸温度越低,组织越理想；铸造速度对合金的微观组织影响也较大,铸造速度大,晶粒比较粗大,降低铸造速度有利于均匀细小球形晶粒的形成,并且在0.002m／s左右时,微观组织最为理想；在针对不同合金成分下的微观组织的研究中,Si含量在7%左右时,Cu含量在3%～4%左右时,Mg含量在0.4%-0.8%时,得到的凝固组织均匀细小,晶粒圆度最高,平均尺寸最小,合金力学性能也最为理想,这与实验结果吻合。设计的Al-7%Si-4%Cu-0.6%Mg合金与ZL107工业合金相近,因此其性能优于常规铸造的ZL107工业合金,预测其抗拉强度在320-450MPa以上,伸长率在3%～4.5%左右,硬度HBS值在105HB以上。通过本文对Al-Si-Cu-Mg合金的研究可以发现,多尺度数值模拟是进行合金设计和工艺优化的一个有效方法,这为半固态铝合金设计开辟了一个新的思路。

全文目录

中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-33
  1.1 半固态成形技术  11-14
    1.1.1 半固态成形技术简介  11-12
    1.1.2 半固态浆料制备技术  12-13
    1.1.3 近液相线半连续铸造技术  13-14
  1.2 半固态成形铝合金  14-20
    1.2.1 铝合金概况  14-17
    1.2.2 铝合金强化途径  17-19
    1.2.3 铝合金半固态成形特点及现状  19-20
  1.3 半固态铝合金凝固组织的多尺度模拟  20-31
    1.3.1 凝固过程宏观模拟  20-22
      1.3.1.1 温度场模拟  20-22
    1.3.2 凝固过程微观模拟  22-31
      1.3.2.1 模拟方法  22-23
      1.3.2.2 形核模型  23-27
      1.3.2.3 生长模型  27-31
  1.4 本文研究的内容及意义  31-33
    1.4.1 本文的研究内容  31-32
    1.4.2 本文的研究意义  32-33
第2章 Al-Si-Cu-Mg半固态合金设计  33-47
  2.1 Al-Si-Cu-Mg合金的组织性能  33-36
    2.1.1 铸造Al-Si-Cu-Mg系合金  33-35
    2.1.2 变形Al-Si-Cu-Mg系合金  35-36
  2.2 Al-Si-Cu-Mg合金设计方法  36-44
    2.2.1 主要合金元素对Al-Si-Cu-Mg合金的影响  36-42
      2.2.1.1 Si含量与合金性能  36-38
      2.2.1.2 Cu、Mg含量与合金性能  38-41
      2.2.1.3 Si、Cu、Mg含量对合金性能影响的比较  41-42
    2.2.2 晶粒尺寸对合金性能的影响  42-43
    2.2.3 Al-Si-Cu-Mg半固态合金设计原则  43-44
  2.3 Al-Si-Cu-Mg半固态合金设计方案  44-45
  2.4 高性能Al-Si-Cu-Mg合金成分设计  45-47
    2.4.1 高强高韧Al-Si-Cu-Mg合金成分  45-46
    2.4.2 高耐磨耐蚀Al-Si-Cu-Mg合金成分  46
    2.4.3 高综合性能Al-Si-Cu-Mg合金成分  46-47
第3章凝固组织模拟的理论模型  47-59
  3.1 温度场模型  47-52
    3.1.1 传热方程  48-49
    3.1.2 边界条件  49-52
  3.2 浓度场模型  52-54
    3.2.1 扩散方程  52-53
    3.2.2 扩散系数  53
    3.2.3 边界条件  53-54
  3.3 形核模型  54-55
  3.4 生长模型  55-56
    3.4.1 界面生长速率  56
    3.4.2 固相率的增量  56
  3.5 元胞模型的转换规则  56-59
第4章 Al-Si-Cu-Mg合金组织模拟及其成分和工艺优化  59-85
  4.1 多尺度模拟成分点的选取  59
  4.2 Al-Si-Cu-Mg合金的半固态设计要求  59-64
    4.2.1 Al-Si-Cu-Mg合金的凝固区间  61-62
    4.2.2 Al-Si-Cu-Mg合金固相率对温度的灵敏度  62-63
    4.2.3 Al-Si-Cu-Mg合金生成相的比例  63-64
  4.3 Al-Si-Cu-Mg合金凝固组织模拟  64-82
    4.3.1 温度场模拟  65-66
    4.3.2 晶粒形核模拟  66-67
    4.3.3 晶粒生长模拟  67-69
    4.3.4 模拟、实验结果对比  69-70
    4.3.5 浇铸温度对凝固组织的影响  70-71
    4.3.6 浇铸速度对凝固组织的影响  71-73
    4.3.7 Si含量对凝固组织的影响  73-76
    4.3.8 Cu含量对凝固组织的影响  76-79
    4.3.9 Mg含量对凝固组织的影响  79-82
  4.4 Al-Si-Cu-Mg半固态合金的性能预测  82-85
第5章结论  85-87
参考文献  87-93
致谢  93

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