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为得到一种综合力学性能优良的新型高强韧铝合金,以满足高功率柴油发动机气缸体对材料的要求,本文通过在铸造Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金中加入变质剂和晶粒细化剂,研究了该合金的组织和力学性能,并与ZL702A合金进行了比较;采用热曝露的方法研究了不同热曝露温度下热曝露时间对Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金和ZL702A合金的力学性能和显微组织影响;利用自制热疲劳试验机测定了热疲劳裂纹长度和扩展速率,分析了Ti含量、Cu含量、Mg含量和变质剂对热疲劳性能的影响;通过疲劳强度试验机测出了Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金疲劳极限和S-N曲线,并对疲劳寿命和疲劳强度的关系进行了计算。结果表明:
Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金加入A-5Ti-B进行晶粒细化后,合金的力学性能明显提高,当Ti含量为0.2%时其力学性能最高。合金采用RE变质后的力学性能优于Sr变质。Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金采用0.4%RE变质后再经0.2% Ti细化处理力学性能较ZL702A合金有显著提高。
Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金在热曝露过程中,富铜相经过θ"→θ→θ的转变过程。使得合金中的相结构发生变化,致使合金的强度下降。随着热曝露时间的增加,Al-7Si-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金的Cu含量高于ZL702A合金,它具有更好的耐热性和高温稳定性。
通过变动元素Cu、Mg的成分以及加入晶粒细化剂和变质剂,合金的力学性能发生变化,热疲劳性能也发生变化。由于合金塑性的提高,热疲劳裂纹难以形成,裂纹扩展速率减小。Ti含量为0.2%时该合金的热疲劳抗力达到最大值;变质后合金的热疲劳抗力明显提高,与0.03%Sr变质效果相比,合金经0.4%RE变质后热疲劳抗力高;随着Cu、Mg含量的升高,Al-7Si-Cu-Mg0.3Mn-0.2Zn合金热疲劳抗力降低。
Al-7S1-2.5Cu-0.3Mg-0.3Mn-0.2Zn合金的拉压疲劳过程是经过高周循环后损伤逐渐累积的过程。疲劳裂纹主要萌生于合金的缺陷处,在反复载荷的作用下,位错移动形成的滑移带致使疲劳裂纹萌生,随着疲劳裂纹的扩展、长大,合金发生断裂失效。通过绘制S-N曲线得到了疲劳极限为61.35MPa,并由Woehler-Miner公式推导出了该合金室温下的理论疲劳寿命公式。