吳 玲，董國(guó)疆，沈艷芝，張亦杰,劉宏磊，

(1. 燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2. 中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011)

0 引 言

A356.2鋁合金是一個(gè)典型的Al-Si-Mg系三元合金，是一種具有優(yōu)秀的綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能(流動(dòng)性好、線(xiàn)收縮小、無(wú)熱裂傾向)，可鑄造薄壁和形狀復(fù)雜的鑄件，而且通過(guò)熱處理可達(dá)到較高的強(qiáng)度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合性能，因此成為了汽車(chē)鑄造鋁輪轂的首選材質(zhì)[1]。其中，屈服強(qiáng)度作為材料由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段的標(biāo)志，是材料性能評(píng)估的重要指標(biāo)之一。目前，材料的屈服強(qiáng)度是通過(guò)試樣的拉伸性能獲取的，其結(jié)果獲取周期較長(zhǎng)。如果研發(fā)一種屈服強(qiáng)度的快速檢測(cè)技術(shù)，將為企業(yè)產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量快速評(píng)估提供重要參考。

對(duì)于A356.2合金而言，硅在α-Al中的固溶度為0.5%～1.2%,由于硅的固溶產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度增加為2～3 MPa。關(guān)于Al-Mg-Si合金的強(qiáng)化機(jī)理, 合金的脫溶序列為過(guò)飽和α固溶體→GP區(qū)→β ″相→β′相→β相,當(dāng)形成GP區(qū)時(shí),GP區(qū)與基體在邊界附近產(chǎn)生彈性應(yīng)變, 阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提高了合金的強(qiáng)度;隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),GP區(qū)迅速長(zhǎng)大成針狀或棒狀即為β″相,其C軸方向的彈性共格結(jié)合引起的應(yīng)變場(chǎng)最大,它的彈性應(yīng)力也最高,當(dāng)β″相長(zhǎng)大到一定的尺寸,它的應(yīng)力場(chǎng)遍布整個(gè)基體,應(yīng)變區(qū)幾乎相連,此時(shí)合金的強(qiáng)度較高;在β″相的基礎(chǔ)上,Mg、 Si原子進(jìn)一步富集形成局部共格的β′過(guò)渡相,其周?chē)w的彈性應(yīng)變達(dá)到最大值,強(qiáng)度有所下降; 當(dāng)形成穩(wěn)定的β相時(shí),失去了與基體的共格關(guān)系,共格應(yīng)變消失,強(qiáng)度相應(yīng)有所下降。因此,合金強(qiáng)度的變化應(yīng)主要?dú)w因于其沉淀析出相之間的轉(zhuǎn)變[2]。目前，這一方法僅被許多學(xué)者應(yīng)用于新材料開(kāi)發(fā)時(shí)的熱處理工藝優(yōu)化。

熱處理后屈服強(qiáng)度提高的機(jī)理是Mg2Si相(β)的析出強(qiáng)化。其熱處理工藝主要包括固溶與時(shí)效兩個(gè)階段。固溶階段是將鋁合金在低于固相線(xiàn)以下的溫度進(jìn)行保溫，目的是將Mg2Si固態(tài)擴(kuò)散至α-Al中，通過(guò)快速淬火形成過(guò)飽和的α-Al固溶體；隨后的時(shí)效處理是在低溫下形成納米β″強(qiáng)化相，通過(guò)析出強(qiáng)化機(jī)制提高材料的強(qiáng)度。研究表明，納米β″強(qiáng)化相析出在提升鋁合金強(qiáng)度的同時(shí)，其硬度也隨之提高。因此，可以通過(guò)材料硬度的變化來(lái)定性判斷強(qiáng)度的高低。由于析出相的尺寸和數(shù)量與化學(xué)成份密切相關(guān)，很難形成統(tǒng)一的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模型。

本研究針對(duì)化學(xué)成份已定的A356.2鋁合金，在即定的固溶工藝前提下，研究不同時(shí)效處理工藝對(duì)材料硬度、屈服強(qiáng)度的影響。通過(guò)對(duì)其微觀組織與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立硬度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系模型，從而為基于硬度值的材料屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供參考。

1 A356.2鋁合金成份及組織特征

A356.2鋁合金成份如表1所示，主要的合金元素成份為Si和Mg。放大200倍下觀察金相組織，鑄造狀態(tài)下，Si以塊狀或短桿狀的共晶硅和Mg2Si的形態(tài)存在，Mg主要是形成粗大的Mg2Si相，如圖1(a)所示。熱處理后，共晶硅相被球化成點(diǎn)狀或蠕蟲(chóng)狀，如圖1(b)所示，粗大的Mg2Si相被固溶進(jìn)α-Al后再重新時(shí)效析出成納米β″(Mg5Si9)強(qiáng)化相。為了更微觀地觀察，放大400倍觀察金相組織，如圖2(a)， 2(b)所示。

表1 A356.2鋁合金的化學(xué)成份[3] 單位：wB/%

(a) 熱處理前

(b) 熱處理后

(a) 熱處理前

2 屈服強(qiáng)度和硬度分析

本研究針對(duì)A356.2鋁合金鑄態(tài)、T5和T6階段的熱處理工藝，測(cè)試不同熱處理階段樣品的拉伸強(qiáng)度與硬度，研究布氏硬度與屈服強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 屈服強(qiáng)度檢測(cè)

取樣后按圖3制備拉伸試樣，按國(guó)標(biāo)GB/T 23301—2009[3]和GB/T 228—2002[4]用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)材料屈服強(qiáng)度。

圖3 拉伸試樣

2.2 布氏硬度檢測(cè)

取樣后按圖4制備硬度樣，并按國(guó)標(biāo)GB/T 231.1—2009[5]用布氏硬度計(jì)檢測(cè)材料硬度。

圖4 硬度試樣

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)模型的建立

鑄態(tài)及不同熱處理工藝下的，A356.2鋁合金的硬度和屈服強(qiáng)度見(jiàn)表2。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分成兩個(gè)批次，第一個(gè)批次進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，第二個(gè)批次用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)第一個(gè)批次每個(gè)硬度點(diǎn)的屈服強(qiáng)度得到如圖5所示的回歸擬合曲線(xiàn)。將得到模型應(yīng)用于生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示。

表2 A356.2鋁合金硬度和屈服強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 硬度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系圖

表3 A356.2鋁合金硬度和屈服強(qiáng)度檢測(cè)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

A356.2鋁合金布氏硬度和屈服強(qiáng)度之間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.99；模型訓(xùn)練具有較高的可靠性， 預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度在96%以上。經(jīng)計(jì)算：硬度x和屈服強(qiáng)度y之間關(guān)系式為：y≈2.89x-62,數(shù)據(jù)方差R2≈0.99。用這個(gè)模型可以很好地基于硬度進(jìn)行屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。