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共晶Al-Si合金的硅相形貌控制及其对合金断裂韧性、疲劳裂纹扩展行为的影响

作　者: 张伟
导　师: 王明星
学　校: 郑州大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 共晶Al-Si合金硅相形貌断裂韧性疲劳裂纹扩展
分类号: TG136.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

Al-Si合金是一种被广泛使用的铸造合金，硅作为合金中主要的第二相粒子，其形貌对合金的力学性能有重要影响。本文作者以共晶Al-Si合金为对象，研究了微观组织中硅相形貌的控制方法，以及硅相形貌对合金的拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为的影响。研究了Na盐变质剂对Al-Si合金中硅相形貌的影响。结果表明：向合金中加入1％的Na盐变质剂就可以使合金铸态组织中的硅相从粗大的针条状转变为细小的纤维状，Na元素在硅相表面的吸附改变了硅相的生长方式是这种转变的主要原因。研究了模具温度对硅相形貌的影响。结果显示：在相同的变质条件下，模具温度较低时，浇铸合金的铸态组织中纤维状的硅相更加细小，因而在固溶处理时更容易球化，获得的硅相颗粒更细小、纵横比也更高。较低的模具温度提高了合金熔体凝固时的过冷度，增加了硅等相的形核率，使硅相的生长受到限制。研究了硅相在固溶处理过程中的变化规律。对于未进行变质处理的合金，在固溶处理时，随着固溶时间的延长，粗大的针、片状硅相将发生钝化和熔断，但完成球化过程则需要很长时间；而对于变质处理的合金，由于合金铸态组织中硅相的细小纤维状特征，经过1h固溶处理就可使硅相完全球化，形成细小、均匀的硅颗粒形貌，延长固溶时间，硅相将聚集长大。因此，对本试验合金而言，固溶保温1h是一个恰当的选择。对具有不同硅相尺寸试验合金的拉伸性能和断裂韧性进行了测试分析。结果表明：粗大的针、片状硅相严重损害了合金的延伸率、屈服强度和抗拉强度。含有细小球状硅相的合金表现出了较好的韧性和强度。随着硅相直径的增加，合金的断裂韧性逐渐降低。所以，为了获得具有良好拉伸性能和断裂韧性的共晶Al-Si合金，微观组织中的硅相以细小球状形貌为佳。研究了硅相形貌对共晶Al-Si合金的疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹扩展行为的影响，结果表明：随着硅相直径的增加，合金的疲劳裂纹萌生寿命降低。含有细小硅相的共晶Al-Si合金具有较高的疲劳裂纹扩展抗力。疲劳裂纹在扩展的过程中遇到尺寸较小的硅相时，硅相不易断裂，因而阻碍了裂纹的扩展，裂纹要继续向前扩展，只能采取绕过机制，这不仅增加了疲劳裂纹的有效长度，而且提高了疲劳断口的表面粗糙度，增加了疲劳裂纹的闭合，从而降低了合金的疲劳裂纹扩展速率。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章引言  9-16
  1.1 Al-Si系合金及应用  9-11
  1.2 Al-Si合金力学性能的影响因素  11-14
  1.3 Si相与Al-Si合金力学性能关系的研究现状  14-15
  1.4 本文研究的主要内容  15-16
第二章变质、热处理及模具温度对Si相形貌的影响  16-26
  2.1 前言  16
  2.2 试验方法  16-19
    2.2.1 样品的制备  16-17
    2.2.2 样品的热处理  17
    2.2.3 金相样品的制备及观察测量  17-19
  2.3 试验结果及分析讨论  19-25
    2.3.1 变质及热处理对Si相形貌的影响  19-22
    2.3.2 模具温度对Si相形貌的影响  22-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 Si相形貌对Al-Si共晶合金拉伸和断裂性能的影响  26-41
  3.1 前言  26
  3.2 Si相形貌对Al-Si共晶合金拉伸性能的影响  26-35
    3.2.1 试验方法  26-28
    3.2.2 试验结果与讨论  28-35
      3.2.2.1 变质及热处理对拉伸性能的影响  28-32
      3.2.2.2 模具温度对拉伸性能的影响  32-35
  3.3 Si相尺寸对Al-Si共晶合金断裂韧性的影响  35-39
    3.3.1 试验方法  35-38
    3.3.2 试验结果与讨论  38-39
  3.4 本章小结  39-41
第四章 Si相形貌对Al-Si共晶合金疲劳裂纹扩展性能的影响  41-54
  4.1 前言  41
  4.2 疲劳裂纹萌生试验  41-45
    4.2.1 试验方法  41-42
    4.2.2 试验结果与讨论  42-45
  4.3 疲劳裂纹扩展试验  45-52
    4.3.1 试验方法  45-48
    4.3.2 试验结果与讨论  48-52
  4.4 本章小结  52-54
第五章结论  54-55
参考文献  55-60
作者攻读硕士期间发表论文  60-61
致谢  61

共晶Al-Si合金的硅相形貌控制及其对合金断裂韧性、疲劳裂纹扩展行为的影响

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