Ba對亞共晶鋁硅合金微觀組織與力學(xué)性能的影響

摘 要：通過光學(xué)顯微鏡、拉伸試驗(yàn)等分析測試方法，研究了Ba對Al-7Si合金微觀組織、力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，Ba可以使共晶硅形貌由粗大的片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻罨蛘呒?xì)小的顆粒狀，當(dāng)Ba含量為0.15wt.%時(shí)，變質(zhì)效果最好，共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或者細(xì)小的顆粒狀，Ba含量繼續(xù)增加，Si顆粒粗化并且變成短棒狀。合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著Ba含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當(dāng)Ba含量為0.15wt.%，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)到峰值， 分別為184.4 MPa和15.1%。

關(guān)鍵詞：Al-7Si合金；硅顆粒；力學(xué)性能；微觀組織

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.268

近年來，汽車的迅速普及在推動(dòng)社會發(fā)展的同時(shí)也帶來了一系列資源與環(huán)境問題，汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要手段，所以汽車輕量化開始成為汽車行業(yè)研究的重要方向。其中鋁合金憑借其密度小、比強(qiáng)度高、易回收成為汽車輕量化中代替鋼鐵的主要材料，給汽車減重帶來了新的機(jī)遇[1]。鑄造工藝具有生產(chǎn)效率高，可以生產(chǎn)復(fù)雜的形狀部件，成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以，目前超過70%的汽車部件為鑄造鋁合金[2]。 Al-Si系合金由于其優(yōu)良的鑄造性能，較好的力學(xué)性能和耐腐蝕性成為廣泛應(yīng)用的鑄造鋁合金。隨著汽車業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，對性能和安全的要求越來越高，對材料的要求也越來越高，需要Al-Si合金的延伸率大于15%，屈服強(qiáng)度大于150MPa[3]。新型鑄造鋁合金已經(jīng)被開發(fā)出來，例如Aural-2，Silafont 36[4]，但這些合金是由Sr變質(zhì)的Al-Si合金，其部分共晶硅形貌呈現(xiàn)短棒狀，還需要通過熱處理來球化共晶硅，從而提高合金的力學(xué)性能，增加了生產(chǎn)成本。有研究者[5，6]發(fā)現(xiàn)Ba可以使共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或者細(xì)小的顆粒狀，但是對于Ba對Al-Si合金微觀組織及力學(xué)性能缺少系統(tǒng)的研究。本文主要討論Ba對Al-7Si的微觀組織以及力學(xué)性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)主要通過加入Ba對Al-7Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，討論Ba對Al-7Si合金微觀組織以及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所用原材料為純Al（99.99wt.%）、Al-18wt.%Si中間合金、純Ba等。純Al以及Al-18wt.%Si中間合金在電阻爐中熔煉，在720 °C條件下保溫30 min，使純Al以及Al-18wt.%Si中間合金全部熔化，進(jìn)行扒渣，在720 °C加入純Ba（用鋁箔包裹），大約保溫5 min后通入氬氣，在720 °C保溫10 min，對液體進(jìn)行2次扒渣，繼續(xù)在720 °C下保溫10 min，然后將合金澆注到金屬模具中（模具溫度250 °C），冷卻后取出鑄件，用于研究Ba對Al-Si合金微觀組織以及力學(xué)性能的影響，利用ICP（Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer） 電感耦合等離子光譜測定Al-7Si合金中的化學(xué)成分，如表1所示。

實(shí)驗(yàn)過程中金相組織使用Keller（0.5 mLHF+1.5 mLHCL+2.5 mLHNO3+95.5 mLH2O）試劑腐蝕12 s。然后在CarlZeiss Axivovert 40 MAT型號光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織，用SHIMADZV AG-X50KN型號的拉伸機(jī)拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示，厚度為5 mm。拉伸速度為1 mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ba對微觀組織的影響

圖2為Al-7Si-xBa合金的金相，可以觀察到Ba元素的加入對α（Al）的二次枝晶間距影響不明顯，但是共晶硅的形貌發(fā)生了較大的改變。從圖2（b）中可以看出未變質(zhì)合金共晶硅呈現(xiàn)片狀；當(dāng)Ba含量為0.05wt.%時(shí)，如圖2（d）所示，片狀的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻詈皖w粒狀的共晶硅，有部分的共晶硅呈現(xiàn)短棒狀，變質(zhì)沒有完全。Ba含量為0.15wt.%時(shí)，如圖2（f）所示，片狀的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或細(xì)小顆粒狀。當(dāng)Ba含量增至0.50wt.%和1.00wt.%時(shí)，如圖2（h）（j）所示，有一些區(qū)域重新又出現(xiàn)短棒狀的共晶硅相，出現(xiàn)了過變質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 Ba對力學(xué)性能的影響

如圖3所示，未變質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度為164.5 MPa，隨著Ba含量的增加，Al-7Si-xBa合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率先增加后降低。當(dāng)Ba含量為0.15wt.%時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，為184.4 MPa，比未變質(zhì)合金抗拉強(qiáng)度提高了12.1 %；當(dāng)Ba含量繼續(xù)增加，合金的抗拉強(qiáng)度開始下降，當(dāng)Ba含量為1.00wt.%時(shí)，Al-7Si合金的抗拉強(qiáng)度下降到107.9 MPa。未變質(zhì)的合金的延伸率為10.3%；當(dāng)Ba含量為0.15wt.%時(shí)，延伸率最好，達(dá)到15.1 %，相比未變質(zhì)合金延伸率提高了46.6 %，Ba含量繼續(xù)增加，延伸率開始下降，當(dāng)Ba含量增加到1.0wt.%時(shí)，合金的延伸率下降到2.8%。未變質(zhì)Al-7Si合金的屈服強(qiáng)度為92 MPa。加入Ba元素后，合金的屈服強(qiáng)度均有所下降，當(dāng)Ba含量為1.00wt.%時(shí)，下降至57 MPa。

研究表明[7]，共晶硅的形貌和大小將對Al-7Si的性能產(chǎn)生影響，共晶硅形貌呈現(xiàn)出片狀時(shí)，在拉伸過程中容易在輪廓尖銳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成微裂紋，加速試樣的失效過程，降低合金的力學(xué)性能；共晶硅顆粒的球化和細(xì)化程度越高，越有利于合金的力學(xué)性能。

當(dāng)Ba含量為0.05wt.%時(shí)，共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻罨蛘哳w粒狀，減少了共晶硅對基體的割裂作用，當(dāng)Ba含量為0.15wt.%時(shí)，共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或者細(xì)小的顆粒狀，共晶硅變質(zhì)效果更好，抗拉強(qiáng)度和延伸率繼續(xù)增大；Ba含量繼續(xù)增加到0.50wt.%和1.00wt.%時(shí)，部分共晶硅形貌重新變成短棒狀，Si相形貌變得粗大，增大了對基體的割裂作用，增大了在輪廓尖銳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，抗拉強(qiáng)度和延伸率開始下降。endprint

3 結(jié)論

（1）Al-7Si合金加入Ba后，共晶硅形貌由粗大的片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻罨蛘呒?xì)小的顆粒狀。當(dāng)Ba含量為0.15wt.%時(shí)，變質(zhì)效果最好，較難發(fā)現(xiàn)短棒狀共晶硅存在。隨著Ba含量的繼續(xù)增加，Si顆粒粗化變?yōu)槎贪魻?，出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。

（2）Al-7Si-xBa合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著Ba含量的增大呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，當(dāng)Ba含量為0.15wt.%時(shí)，抗拉強(qiáng)度以及延伸率達(dá)到峰值，分別為184.4 MPa和15.1%，抗拉強(qiáng)度和延伸率相比未變質(zhì)狀態(tài)下分別提高了12.1 %和 46.6 %。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張進(jìn)（1991-），男，安徽蕪湖人，碩士，研究方向：鑄造鋁合金合金化處理。endprint