鋁合金半固態鑄造微觀組織及力學性能的影響研究

Cu 含量對Al-7.0Si-xCu-0.5Mg鋁合金半固態鑄造微觀組織及力學性能的影響研究

摘要：

半固態鑄造通過改變合金的微觀組織可提高Al-Si-Cu-Mg鑄造合金的強度和韌性。以Al-7.0Si-xCu-0.5Mg（x=0、1、2）鑄造合金為研究對象，探討了Cu含量對合金微觀組織和力學性能的影響，比較了半固態鑄造和重力鑄造下合金的微觀組織及力學性能的差異。結果表明，半固態鑄造合金晶粒和晶界第二相得到細化，Cu元素的溶解擴散促進了時效過程中納米強化相的析出，提高了合金強度。Cu添加量的提高使時效過程中納米強化相數量增加，提高了合金的屈服強度和抗拉強度，但伸長率小幅下降。對于相同Cu含量的合金，半固態鑄造合金因縮孔較少，組織致密性較好，具有比重力鑄造合金更好的屈服強度、抗拉強度和伸長率。

主要結果：

組織細化： 半固態鑄造使α-Al晶粒呈球狀，晶界第二相細化；Cu含量增加（0→2%）促進晶粒球化，但過量Cu（2%）導致晶粒粗化。

固溶處理： 半固態合金經495°C×5h+525°C×4h固溶后，強化相充分回溶；重力鑄造合金殘留未溶θ-Al?Cu和Q相。

時效強化： 170°C時效下，Cu含量增加使峰值硬度從117.7HV升至154.9HV，但時效時間延長（12→22h）。

力學性能：

半固態鑄造合金優于重力鑄造：抗拉強度（379→421MPa）、屈服強度（299→317MPa）隨Cu增加而提升，伸長率從7.5%降至6.8%。

強化機制：Cu增加Q'（Al?Cu?Mg?Si?）和θ'（Al?Cu）相密度，尺寸細化至2.8nm，通過切過機制強化位錯運動。

結論節選：

半固態Al-7.0Si-xCu-0.5Mg鑄造合金微觀組織中初生α-Al晶粒呈球狀且分布均勻。隨著Cu含量的增加，晶粒尺寸和形貌影響不大，但是晶界第二相的種類和數量有所增加。

半固態Al-7.0Si-xCu-0.5Mg鑄造合金經固溶處理后，共晶Si發生了球化，強化相基本回溶到α-Al基體中，相比之下常規重力鑄造合金仍存在未回溶的含Cu相。

對半固態Al-7.0Si-xCu-0.5Mg鑄造合金進行170°C人工時效，試驗合金的強度隨著Cu含量的增加而增加，但伸長率則降低，隨著Cu含量的提高，合金的峰值硬度從117.73HV提高到154.92HV，但是峰值時效時間則從12h增加到22h；峰值時效態抗拉強度從379MPa提高到421MPa；屈服強度從299MPa提高到317MPa，但是伸長率從7.5%下降到6.8%。

0Cu合金的主要強化相為β''相，1.0Cu、2.0Cu合金的主要強化相為Q'相和θ'相，Cu含量的增加有利于增加切過機制下析出相的數量密度，增加析出相的體積分數，減小析出相的半徑，提高合金的力學性能。