挤压铸造Al-Mg-Si-Zn合金微观组织与力学性能的研究

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铝合金因具有较高的比强度成为汽车应用最主要的轻量化材料之一,也是目前在汽车上应用最多的轻金属材料。铸造是汽车铝合金构件成形的主要方法之一,为了提高铸造铝合金性能,Al-Mg-Si铸造铝合金得到了研究者高度关注。Al-Mg-Si合金不仅在铸态下表现出较好的强韧性,还可以通过添加其他合金元素(如Zn元素),利用热处理工艺进一步提高其力学性能。但是对Al-Mg-Si-(Zn)合金挤压铸造的研究仍然未见报道,本文拟对挤压铸造Al-Mg-Si-(Zn)合金开展微观组织、力学性能和热处理的研究。首先使用Thermo-Calc相图计算软件计算Al-Mg-Si(-Zn)合金的多元相图和相变过程曲线,预测了Si和Zn元素对合金微观组织的影响。随后以相图计算结果为指导,设计了多种不同成分的合金,并进行了挤压铸造制备。对合金的微观组织、力学性能、断口特征进行观察、测试和分析,揭示了不同含量的Si和Zn元素对Al-Mg-Si(-Zn)合金微观组织(包括纳米析出相)、力学性能和断口特征的影响。并探索了该合金的热处理工艺,对合金热处理后的组织、性能和断口进行了分析和讨论。Si元素对挤压铸造Al-5Mg-xSi合金组织性能影响的研究结果表明:当不含Si时,合金的组织为初生α-Al+Al3Mg2相;当Si含量在0.11.4 wt%成分区间时,合金的组织为初生α-Al+(Al-Mg2Si共晶)+Al3Mg2相;当Si含量在1.52.3 wt%成分区间时,合金的组织为初生α-Al+(Al-Mg2Si共晶);当Si含量超过2.4 wt%时,合金的组织中出现针状的Si粒子。随着Si元素含量的增加,合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率逐渐降低,断裂形式由韧性断裂逐渐转变为混合型断裂。固溶处理后,合金中的Al-Mg2Si共晶和Al3Mg2相溶解于基体中,屈服强度和伸长率明显增加,而抗拉强度增加不明显。时效处理后,在基体当中析出β’’(Mg5Si6)沉淀相,沉淀相的数量随着Si含量的增加而增加,抗拉强度明显增加。Zn元素对挤压铸造Al-5Mg-Si-xZn合金组织性能影响的研究结果表明:在Zn含量在0.50.8 wt%的时候,合金的组织中出现Al、Mg2Si、Al3Mg2、AlMgZn四种相。当Zn含量超过0.9 wt%以后,合金的组织中只有Al、Mg2Si、AlMgZn三种相,Al3Mg2相消失。且随着Zn含量的增加,AlMgZn相的含量逐渐增加。在铸态下,随着Zn元素含量的增加,合金的抗拉强度逐渐增加。Al-5Mg-Si-xZn合金为韧性和脆性兼具的混合型断裂,随着Zn含量增加,解理台阶的面积增加、韧窝减少。固溶处理后,合金中的Al-Mg2Si共晶和AlMgZn相溶入基体当中,合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率都有一定的增加。时效处理后,基体中析出针状或纤维状的β’’(Mg5Si6)沉淀相和颗粒状的AlMgZn沉淀相,且AlMgZn沉淀相的数量随着Zn元素的增多而增加。合金的抗拉强度显著增强,伸长率明显下降。T6热处理后,合金的断裂机理为韧性断裂,Zn含量越多,时效后的韧窝越小。
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