共晶硅形貌对ZL114A合金拉伸断裂机制的影响

性能的影响。从曲线中可 知, 当 Sr 加入量< 0. 03%
时, ZL 114A T 6 合金的抗 拉强度和 伸长率 均有 明显
的提高, 当 Sr 加入量达到 0. 03% 时, 强化效果最佳,
超过此范围, 强化作用趋于平缓的下降, 米国发等人 的研 究 也 得 到 类 似 的 结 果[ 9] 。 从 图 2 中 可 看 出,
亚共晶铝硅合金由于具有优异的铸造性能, 良好 的耐腐蚀性和延长性, 高强重比等特点, 广泛应用于汽 车和航空工业[ 1] 。其中 A l Si7 M g ( ZL114A ) 作为高 强度亚共晶铸造铝合金, 通常应用于航空航天等高性 能结构件中[ 2] 。Sr 元素对 该系列铝合金进行熔体变 质处理, 改善合金组织、提高合金力学性能的方法已有 相关报道[ 3~ 6] , 通常认为铝硅合金的力学性能和断裂 行为严重依赖于应力状态, 以及合金的微观结构特征。 研究表明, 裂纹萌生于共晶硅相附近, 并沿共晶硅与基
Effect of Eutectic Silicon Morphology on Tensile Fracture Mechanism of ZL114A Alloy
LIU Bin1 , JIANG Ye hua1 , PAN Liang xing2 , JIN Qing lin1 , ZHOU Rong1 ( 1. School of Materials Science and Engineering, Kunming Universi ty of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. Kunming Yunnei Power Co. , Ltd. , Kunming 650224, China)
图 1 Sr 变质对铸态 ZL114A 合金共晶硅形貌的影响
F ig . 1 Influence of Sr mo dificatio n o n the mo rpho lo gy of eutect ic Si
2. 2 Sr 变质对合金力学性能的影响
图 2 为不同 Sr 加入 量对 ZL 114A T 6 合金 力学
ZL114A T 6 合金经 Sr 变 质后能 提高 合金 的抗拉 强
度和伸长率。
ZL114A 合金中的硅相属脆性相, 在外加载荷的
图 2 不同 Sr 含量对 Z L114A T 6 合金力 学性能的影响
作用下, 容易发生断裂或与基体分离而形成微裂纹, 使 裂纹扩展变得容易。研究表明[ 10] , 假设硅相为球形,
61 4
F OU N DRY T ECH NO LO GY
M ay 2010
其中 s 为单位面积的表面自由能, !为泊松比, R 为 硅颗粒半径。从公式中可以看出, 硅颗粒半径越小, 使其 断裂所需要的的应力越大。经 Sr 变质后的 ZL114A T 6 合金, 共晶硅颗粒的半径比未变质处理前小, 其发生断裂 所需要的应力也越大, 从而更不容易发生断裂, 因此断裂 前可承受更大的形变量, 即伸长率增大了。
拉伸试样断口 SEM 形貌见图 3。可以看出, 不同
硅相形貌的 ZL114A T 6 合金的断口形貌是完全不同 的。含有粗大杆状共晶硅的试样表现出脆性断口, 但 是在断口表面也能看到少量的韧窝, 见图 3a; 而含有 细小珊瑚状共晶硅颗粒的试样断面为典型的韧窝状, 断口上出现大量深而细小的韧窝, 韧窝分布均匀, 密度 较大, 见图 3b。说明拉伸试样在此局部区域内发生过 剧烈的剪切变形。
Abstract: The effect of Al 10% Sr modification agent on the morphology of the eutectic Si in ZL114A alloy was investigated by using SEM. The cast ZL114A aluminum alloy was prepared using the metal mould casting, and then heat treatde by T6 procedure. The tensile properties, tensile fracture surface and tensile fracture surfaces along longitudinal direction of tested alloy samples were observed and analyzed. The results shown modification element Sr can significantly improve ZL114A T6 aluminum alloy tensile strength and elongation. Using the 0. 03% Sr, ultimate tensile strength and elongation of ZL114A T6 can be improved from 230 MPa and 1% to the maximum value of 310Mpa and 8% respectively. Observation on tensile fracture surfaces along longitudinal direction of ZL114A T6 alloy tensile test sampler it was revealed a transgranular fracture mode without Sr modification, but after Sr modification, tensile fracture presented along grain boundary fracture mode. Key words: ZL114A alloy; Stronlium modification; Tensile properties; Fracture mechanism
F ig. 2 Influence of Sr content s on mechanical propert ies of ZL 114A aluminum allo y
在平面应变条件下, 球形硅颗粒发生断裂的临界应力 可表示为:
Si=
Es 2( 1- v2 ) R
V ol. 31 N o. 5
摘要: 利用扫描电镜金相观察, 研究 Al 10% Sr 变质剂对 ZL 114A 合金 中共晶 Si 形貌 的影响。对金 属型铸造 的 ZL 114A 合金 进行 T 6 处理, 并对其拉伸性能、断口形貌及拉伸断口 纵剖面 进行测 试与分 析。结果表 明, Sr 变 质能够 明显提 高 ZL 114A T 6 合金的抗拉强度和伸长 率, 当添加 0. 03% Sr 时, 抗拉强度和伸长率分别从 230 M Pa 和 1% 上升到最大值 310 M Pa 和 8% 。未变 质时 ZL114A T 6 合金拉伸断裂模式为穿晶断裂; 经 Sr 元素变质处理后, 合金拉伸断裂模式为沿晶断裂。 关键词: ZL114A 合金; Sr 变质; 拉 伸性能; 断裂机制 中图分类号: TG 292 文献标识码: A 文章编号: 1000 8365( 2010) 05 0612 04
图 3 Sr 变质对 ZL 114A T 6 合金断口形貌的影响
Fig . 3 Influence of Sr modification on the fr actur e mor pho log y o f ZL114A aluminum alloy
2. 3 Sr 变质对合金拉伸断裂机制的影响
中白色箭头所指, 并且沿着共晶硅与基体结合面进行
收稿日期: 2010 02 09; 修订日期: 2010 03 22 作者简介: 刘 斌( 1984 ) , 江西赣 州人, 硕士 生. 研究方 向: 铝合金 晶
粒子细化. Email : kmlb1984@ 163. com
体的结合处扩展[ 6] 。但是, 目前对断裂机制的研究还 不够深入, 特别是对于共晶硅形貌与断裂行为的内在 联系, 相关研究还不够清晰、具体。
拉伸试验样品 取自铸件中心, 并按照 GB/ T 228 2002 标准将其加工成拉伸试样。将拉伸试样进行 T 6 处理, 具体工艺参数为 535 固熔处理 8 h, 随后 80 水温淬火, 再 165 时 效处 理 6 h, 空 冷至室 温。在 AG IS10KN 力学实验机上进行 拉伸性能 测试, 使用 拉伸软件控制拉伸过程, 并进行数据的采集和处理, 拉 伸 速 率 为 1 mm/ m in。在 XL 3 0 ESEM T M P 扫 描
铸造技术
V ol. 31 N o. 5
61 2
F OU N DRY T ECH NO LO GY
M ay 2010
共晶硅形貌对 ZL114A 合金拉伸断裂机制的影响
刘 斌1 , 蒋业华1 , 潘亮星2, 金青林1, 周 荣1
( 1. 昆明理工大学材料科学与工程学院, 云南 昆明 650093; 2. 云内动力股份有限公司, 云察变质处理前后样品的断口形貌和纵
剖面。 2 试验结果及分析 2. 1 Sr 变质对共晶硅形貌的影响
图 1 为经 Sr 变质处理前后的铸态 Z L114A 合金 SEM 图片。从图 1a 可见, 未加 Sr 变质 时, 共晶硅成 粗大 的针 状 或 者 杆 状; 图 1b 为 Sr 元 素 的加 入 量 0. 03% 时共晶硅的形貌, 在图中可以看到共晶硅呈细 小的珊瑚状, 组织不均匀性得到改善, 共晶硅的尺寸明 显减小。由图 1 可知, Sr 能细化共晶硅, 使其从粗大 的针片状转变为细小的珊瑚状, 改善了合金 的组织。 对于 Sr 的变质机理, 目前普遍接受的理论是杂质诱导 孪晶理论[ 7] 。该理论认为: 变质元素吸附在共晶硅的 生长台阶上, 阻碍了共晶硅以台阶生长机制长成层片 状; 并且变质元素的吸附改变了共晶硅原子的堆积次 序, 从而在硅晶体中造成大量孪晶的产生, 共晶硅相转 而以孪晶凹谷机制生长。Sr 抑制了片状硅相的生长, 使硅相呈珊瑚状分布, 减小共晶硅相的尺寸, 使共晶组 织细化[ 8] 。
表 1 实验用 ZL 114A 铝合金成分 w( % ) T ab. 1 Composition of tested Z L114A a luminum allo y
元素
Si
Mg
Fe
Ti
Mn
Al
含量 7. 2 0. 54 0. 11 0. 12 < 0. 1 余量
显微组织观察样品取自铸件底部, 经 60# 、200# 、 600# 、1 200# 金相砂纸打磨和抛光后用 1% H F 水溶 液腐蚀, 采用 XL 30 ESEM T MP 扫描电镜对样品显微 组织进行观察与分析。
! 铸造技术∀05/ 2010
刘 斌等: 共晶硅形貌对 ZL 114A 合金拉伸断裂机制的影响
61 3
0. 1% 、0. 2% 、0. 3% 、0. 4% 、0. 5% 、0. 6% ) 进行变质处 理。合金液在 730 保温 30 m in 后, 浇入金属型模具 中( 预热温度为 300 ) , 最终获得 100 mm # 20 mm # 90 mm 的矩形铸件。
本文利用 Sr 元素对 ZL 114A 合金进行变质处理, 考察共晶硅形貌对拉伸性能的影响。并且借助扫描电
镜, 对 Sr 变质对合金拉伸性能、断口及断裂机制的影 响进行研究。 1 试验材料和方法
试验所用 ZL 114A 合金成分见表 1, 熔炼在 SG2 5 12 型坩埚电阻炉中进行, 选用石墨坩埚 熔化, 每炉 合金重约 800 g 。将温度升至 750 待合金完全熔化 后, 用石墨钟罩将 C2Cl6( 用量为合金重量的 1% ) 压入 合金液底部精炼除气, 静止 5 min 后扒渣, 在 740 时 加入 Al 10% Sr 中间合 金( 用 量分别 为合 金重 量的