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Al-Si-Cu-Ni-Mg系活塞合金高温强化相的研究

作　者: 李云国
导　师: 刘相法
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al-Si-Cu-Ni-Mg 合金设计高温强度金属间化合物复合变质
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文利用扫描电镜(SEM)、光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、差式扫描量热仪(DSC)等手段,结合多元相图分析方法、相提取技术,探讨了多元Al-Si-Cu-Ni-Mg活塞合金的组织演变规律与室高温强化机制,并对合金成分和组织结构进行了设计优化,取得了一定进展。研究了三种富镍相在增强Al-Si活塞合金高温性能上的差异。发现在Al-Si活塞合金中,ε-Al3Ni相易成块状,δ-Al3CuNi相常呈现条带状形貌,而γ-Al7Cu4Ni相倾向形成骨骼状形貌。设计制备了四种Al-Si合金并测试了高温强度,计算了ε-Al3Ni,δ-Al3CuNi和γ-Al7Cu4Ni (?)目的体积分数和形貌特征参数。分析了三种富镍相在高温强度贡献上出现差异的原因：6-Al3CuNi相的条带状形貌使其具有最高的体积利用率,进而具有最高的高温强度贡献率,是主要高温强化相；条带状的分布在晶界处的金属间化合物相对于提高Al-Si活塞合金高温性能最为有效,其次是具有骨骼状形貌和块状形貌的化合物。在优化了主要高温强化相的Al-Si多元活塞合金中加入0.5wt.%Cr和0.8wt.%Fe后,生成了α-Al(Fe,Cr)Si相,作为辅助强化相,与作为主要强化相的富镍相有机地结合,使得耐热的金属间化合物网包住了a-Al晶粒,从而形成了封闭和半封闭的网状共晶团,可以在高温时很好地阻止晶界的滑移,使得合金350℃时的拉伸强度提高了26%。探索了α-Al基体相形貌对第二相以及活塞合金力学性能的影响。未细化的α-Al枝晶呈长轴状,其二次枝晶臂对金属间化合物有分散作用；细化了的a-Al呈近等轴状,使金属间化合物分散性降低,有粗化现象。细化了α-Al后,合金室温强度升高,高温强度降低。α-Al细化产生的不同影响源于高温室温下合金断裂机制的不同。温度升高使α-Al强度降低塑性升高,导致合金从室温到高温存在一个由脆性断裂到韧性断裂(由穿晶断裂到沿晶断裂)的转变。这个转变前后影响强度的主导因素发生了变化,室温时为脆性断裂(穿晶断裂),α-Al仍承担载荷,发达的长轴状形貌有利于裂纹扩展,降低室温强度,α-Al形貌比金属间化合物的形貌分布对室温抗拉强度的影响大；高温时为韧性断裂和沿晶断裂,载荷几乎全为耐热的增强相承担,金属间化合物的形貌和分布比α-Al形貌对抗拉强度的影响大。基于对合金化以及组织结构和断裂机制相关性的研究,认识到组织的微细化是继续利用合金化同步提高Al-Si多元活塞基体材料强度的途径。综合合金体积稳定性的考虑,需保证存在变质良好的初晶Si,因此复合变质成为继续细化组织提高力学性能合适的重要途径。开发的双熔体P、Sr复合变质工艺可以非常好地解决P、Sr相互“毒化”的现象,得到非常好的复合变质效果,α-Al、初晶Si、共晶Si均得到良好细化,合金组织布满珊瑚状的共晶Si,以及形貌规则细小的初晶Si,α-Al亦非常细小,这种组织分布同样有利于金属间化合物的分散,将提高合金的综合力学性能。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-24
  1.1 研究背景及国内外研究现状  10-15
    1.1.1 活塞材料的发展简介  11-13
    1.1.2 Al-Si多元活塞合金的研究  13-15
  1.2 铝合金的高温强化机制  15-17
  1.3 提高活塞合金高温强度的主要途径  17-19
  1.4 本文主要研究内容  19
  1.5 研究的应用价值  19-21
  参考文献  21-24
第二章试验方法  24-27
  2.1 试验用原材料  24
  2.2 试验设备及检测仪器  24
  2.3 抗拉强度性能测试  24-25
  2.4 合金磨损试验  25
  2.5 金相试样的制备与分析  25
  2.6 热分析  25
  2.7 合金组织定量计算方法  25-27
第三章多元Al-Si活塞合金富镍相的优化  27-39
  3.1 引言  27-28
  3.2 合金制备及测试  28-29
  3.3 合金组织分析  29-34
    3.3.1 高温拉伸强度  29
    3.3.2 组织分析和相鉴别  29-31
    3.3.3 合金凝固过程分析  31-32
    3.3.4 富镍相体积分数计算和形貌表征  32-34
  3.4 多元Al-Si活塞合金富镍相对高温强度的贡献  34-36
  3.5 本章小结  36-38
  参考文献  38-39
第四章多元Al-Si活塞合金富铬辅助增强相的设计  39-50
  4.1 多元Al-Si活塞合金的第二相强化  39-40
  4.2 合金制备及测试  40-41
  4.3 含富铬辅助增强相的合金高温性能及微观组织  41-45
    4.3.1 高温拉伸强度  41
    4.3.2 微观组织分析  41-45
  4.4 富铬辅助增强相的作用及高温强化机理  45-47
  4.5 本章小结  47-48
  参考文献  48-50
第五章 α-Al形貌对多元Al-Si活塞合金组织与性能的影响  50-67
  5.1 Al-Si合金中α-Al相形貌及其细化  50-51
  5.2 合金制备及检测  51-52
  5.3 合金α-Al细化前后的拉伸强度及组织分析  52-56
    5.3.1 合金α-Al细化前后的拉伸强度  52
    5.3.2 合金α-Al细化前后的组织分析  52-56
  5.4 α-Al形貌对第二相及合金性能的影响  56-58
  5.5 α-Al与活塞合金机械性能小结  58
  5.6 Al-Si活塞合金组织的微细化  58-64
    5.6.1 组织微细化与机械性能  58-60
    5.6.2 P、Sr复合变质毒化机理  60-61
    5.6.3 双熔体复合变质(P、Sr)试验过程  61
    5.6.4 双熔体复合变质(P、Sr)效果  61-63
    5.6.5 双熔体复合变质工艺设备设计  63-64
  5.7 Al-Si活塞合金组织的微细化小结  64-65
  参考文献  65-67
第六章结论  67-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间的学术成果及所获奖励  70-72
学位论文评阅及答辩情况表  72

Al-Si-Cu-Ni-Mg系活塞合金高温强化相的研究

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