AlSi7Mg合金热变形行为与组织性能演变规律研究

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AlSi7Mg合金具有铸造性能良好、无热裂倾向、线收缩小、气密性高、耐蚀性好的特点,可热处理强化,经过固溶和时效处理后,具有较高的强度和韧性,是一种典型的铸造铝合金。但是,AlSi7Mg具有易产生分散性缩孔、缩松和晶粒易粗大、组织结构不均匀的倾向,导致其铸件的力学性能达不到高性能要求,限制了其在汽车、航空、航天等领域的高强、高韧关键核心产品中的应用。本文采用理论分析和试验研究相结合的方法,探讨了消除单向压缩实验过程中摩擦影响的方法以及对AlSi7Mg合金热变形本构关系进行了研究。研究了变形温度、变形量对AlSi7Mg合金组织与性能的影响,分析了不同变形条件下材料性能的梯度变化规律。在此基础上,结合数值模拟分析方法,采用近净模锻复合工艺制备出了 AlSi7Mg合金铸锻复合制件(转向节),并对其各部位组织与性能进行了研究。对AlSi7Mg合金的热变形行为进行了研究,提出了一种消除单向压缩实验过程中摩擦影响的新方法。通过对压缩试样外观形状、关键尺寸的测量,结合理论分析,采用椭圆弧、圆弧以及抛物线弧线三种弧线拟合后,发现三者与实际压缩试样的外形均具有良好的一致性。当变形量为0.61时,摩擦力的影响约为20%,与大多数学者的预测值比较吻合。建立了 Arrhenius形式的AlSi7Mg合金热变形本构方程,奠定了 AlSi7Mg合金热变形研究基础。AlSi7Mg合金在较宽的应变速率和变形温度范围内,均具有良好的热变形性能,热变形量可达到50%。通过修正压缩过程中摩擦力对应力应变曲线的影响,建立了 Arrhenius形式的本构方程,平均相对误差为4.9%。运用该本构方程对AlSi7Mg合金热压缩变形过程进行了数值模拟分析。结果表明,AlSi7Mg合金热压缩变形的不均匀性使试样不同部位的损伤因子存在差异,但是,各部位损伤因子均远低于损伤萌生之前的损伤因子阈值,因此,AlSi7Mg合金具有良好的热压缩变形性能。在常温下变形时,变形量为10%以上的AlSi7Mg合金会产生明显开裂现象,而在300℃以上变形时会避免开裂。变形量在30%以下热变形时,会焊合铝合金中的铸造缺陷(缩孔、缩松等),使组织更加致密,从而提高合金强度,同时使组织中的Si颗粒间距增加、排布逐渐有序化,因而提高了AlSi7Mg合金的塑性。在变形量大于30%时,变形对合金强度的影响变得微弱,但是对Si颗粒排列影响明显提高,所以塑性升高显著。AlSi7Mg合金经过40%变形并热处理后,其性能达到屈服强度σ0.2=222 MPa、抗拉强度σb=313 MPa、伸长率 A=17.8%。揭示了 AlSi7Mg合金热变形后微观组织和性能的梯度变化规律。AlSi7Mg合金经过热变形+空冷后,变形组织得到回复。不同变形条件下,表层到心部的屈服强度没有明显的变化。但是,抗拉强度发生了显著的变化,心部到表层,AlSi7Mg合金试样的抗拉强度逐渐升高。同时,由于变形量较大时,变形对消除AlSi7Mg合金铸锻试样组织中的铸造缺陷具有明显的效果,因此,变形量越大,材料的伸长率较高。研究结果表明,相同变形量的AlSi7Mg合金试样,从表层到心部,伸长率的变化不显著。探究了热处理工艺对AlSi7Mg合金热变形后微观组织和性能的影响规律。变形量不同的AlSi7Mg合金试样经过热处理后,对力学性能的改变有明显的差异。当变形量未超过15%时,变形后的AlSi7Mg合金热处理后的力学性能与未经过热变形铸造试样热处理后的力学性能基本相同,原因是较低的变形量对AlSi7Mg合金的组织结构影响较弱。当变形量达到35%时,变形后的AlSi7Mg合金热处理后的力学性能得到了明显的提高,与铸态试样相比,屈服强度提升了约135%,抗拉强度提升约60%,原因是较高的变形量使铝合金组织细化,影响部分Al-Si金属间化合物的析出。研究还发现,取样位置由心部到表层,热处理后的AlSi7Mg合金试样的抗拉强度逐渐升高,而伸长率没有出现明显的变化。阐明了近净复合模锻对AlSi7Mg合金转向节不同部位组织的影响。近净复合模锻制造的AlSi7Mg合金转向节端部和中部的组织差异性大于铸造转向节。近净复合模锻AlSi7Mg合金转向节表面具有明显的择优取向,呈现出较强的Goss-R变形织构。近净复合模锻工艺优化了材料内部共晶Si颗粒的形态和分布状态,并提高了制件表面的硬度,使其表层强化,出现了类皮肤效应,这使近净复合模锻试样的力学性能明显高于铸态试样,抗拉强度和伸长率由290 MPa和11%分别提高到311 MPa和13%。上述研究成果,为提高AlSi7Mg合金力学性能并扩展其在汽车、航空和航天等领域的应用范围,提供相关的理论指导和技术支撑。
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