铸造A356铝合金的微观组织及其拉伸性能研究

铸造A356铝合金的微观组织及其拉伸性能研究冉广，周敬恩，王永芳，席生岐（西安交通大学材料科学与工程学院金属材料强度国家重点实验室，陕西西安710049）摘要：采用T6工艺对消失模铸造的A356铝合金进行了热处理，并对其微观组织形貌、显微组织特征值、拉伸性能及其断口形貌进行了测试和。结果表明，铸造A356-T6铝合金基体中分布着约2!m长，100nm宽，小者只有几个纳米的针状Mg2Si粒子，并且发现经T6工艺热处理后在铸造A356铝合金中存在椭圆状AI8Si6Mg3Fe金属间化合物。定量金相分析表明，铸造A356铝合金的平均枝晶胞尺寸（DCS）、二次枝晶臂间距（SDAS）、共晶Si的长、宽值分别为55!m、63!m、20!m和10!m；热处理后A356合金的这些参数值分别变为50!m、75!m、30!m和13!m。铸造A356-T6铝合金试样的拉伸断口显示其断裂为韧性断裂与脆性断裂的混和模式。屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为240Mpa、254.8Mpa和1.16%。关键词：铸造A356铝合金；定量金相；拉伸性能；微观组织中图分类号：TG146.2；TG113.1；TG113.2文献标识码：A文章编号：0254-6051（2007）03-0013-06MicrostructureandTensilePropertiesofCastA356AluminumAlloyRANGuang，ZHOUJing-en，WANGYong-fang，XISheng-gi（StateKeyLaboratoryforMechanicaIBehaviorofMateriaIs，SchooIofMateriaIsScienceandEngineering，Xi*anJiaotongUniversity，Xi*anShaanxi710049，China）Abstract：ThecastA356aIuminumaIIoywaspreparedusingtheIostfoamprocess，andthenheattreatedbyT6technoIo-gy.Themicrostructure，microstructuraIparametervaIue，tensiIepropertiesandtensiIefracturesurfaceoftheaIIoywereobservedandanaIyzed.TheresuItsshowntheneedIe-shapedMg2SiparticIeswithIengthofabout2!mandwidthof100nmorseveraInanometers，andeIIipticaI-shapedAI8Si6Mg3FeintermetaIIicparticIeswereobservedinthecastA356-T6a-IuminumaIIoy.OuantitativemetaIIographicexaminationresuItsshowntheaveragevaIueofdendriteceIIsize（DCS），sec-ondarydendritearmspacing（SDAS），IengthandwidthoftheeutecticsiIiconparticIesoftheas-castA356aIuminumaI-Ioywere55!m，63!m，20!mand10!m，respectiveIy，corresponding，50!m，75!m，30!mand13!mforthecastA356-T6aIuminumaIIoy，respectiveIy.ThetensiIefracturemechanismofcastA356-T6aIuminumaIIoyreveaIedatran-granuIarmodeI（aIongtheceIIfracture）withguasi-cIeavagefeature.TheyieIdstrength（!0.2），uItimatetensiIestrength（!b）andeIongation（"）ofA356-T6aIIoywere240Mpa，254.8Mpaand1.16%，respectiveIy.Keywords：castA356aIuminumaIIoy；guantitativemetaIIographicexamination；tensiIeproperties；microstructure作者简介：冉广（1978—），男，四川遂宁人，博士研究生，主要从事材料的强度、断裂和疲劳性能的研究；机械合金与先进材料的开发研究。联系方式：ran_guang@maiIst.xjtu.edu.cn收稿日期：2006-07-30铸造铝合金由于具有优异的铸造性能，良好的耐腐蚀性，高的强重比和铸件制造成本低，能够近终成型等特点，在汽车和航空工业上得到了广泛应用［1-4］。然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等［4-6］。这些缺陷对构件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳寿命降低50%，疲劳极限降低20%［7-8］。所以研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的影响具有重要意义。AI-Si7-Mg（A356）铸造铝合金通常用来制备汽车气缸盖及发动机滑块构件［9］。目前关于热等静压、Sr改性等工艺处理后的铸造A356合金的力学性能已有相关报道［10-18］，一致认为铸造A356合金的力学性能强烈依赖于应力状态和合金的微观结构特征，比如缺陷和晶相的尺寸、形态及其分布。没有经过Sr改性和热等静压处理的铸造A356铝合金，其具有优异的加工性能和制备成本低等特点，因此，对该类合金的研究在工业生产上具有重要意义。但目前关于该合金的微观组织及其力学性能研究较少。本文主要研究热处理前后铸造A356铝合金的微观组织特征及其拉伸性能。1试验材料及方法试验用铸造A356铝合金通过消失模浇注成型，浇注温度为700C；铸造前，在680C对熔化金属液脱气30min。铸造A356铝合金的化学成分如表1所示。对铸造后的A356铝合金进行T6热处理（538C固溶处理5h，70C热水淬火+自然时效1h+160C人工时效4h）。31《金属热处理》2007年第32卷第3期表1铸造A356铝合金的化学成分（质量分数，%）Table1ChemicalcompositionofthecastA356aluminumalloy（wt%）SiMgFeTiSr其他合金元素AI7.200.390.090.l3<50Xl0-6<0.05BaIance从铸造A356和铸造A356-T6合金板中切取金相试样，先在不同粗细的金相砂纸上磨制，然后用0.5!m的金相液进行抛光。将制备好的试样置于MeF3型光学显微镜下观察合金的金相组织，并利用SISC-IASV6.0图像分析软件定量测试其显微组织特征值，比如：枝晶胞尺寸（DendriteCeIISize，DCS）、二次枝晶臂间距（SecondaryDendriteArmSpacing，SDAS）和共晶硅粒子长、宽值。根据定量金相原理的截线法近似计算DCS：DCS=!"#（l）式中，!为图像中任意截线的长度，#为截线所截胞界的总数或截线与共晶区域交点的总数。同样根据等式（l）来测定SDAS的特征值，但此时!为穿过二次枝晶臂任意截线总长，#为截线所截二次枝晶臂的总间隔数或二次枝晶臂个数。其它特征参数值由图像分析系统自动测得。采用线切割在铸造A356和A356-T6合金板中切割出lmm厚的薄片，先在不同粗细的金相砂纸上磨制使试样两面制成镜面，待薄片厚度减薄到60!m左右后，利用甲醇溶液进行双喷，制备出透射电子显微镜试样。将双喷后的薄片置于JEM-200CX型透射电子显微镜下观察A356-T6合金的微观组织特征。按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》将A356-T6合金板制成拉伸试样。在室温条件下进行拉伸试验，其加载速率为0.008s-l。利用引伸计测定拉伸试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率。将拉伸试样的断口置于S-2700扫描电子显微镜下，观察断口的形貌，研究A356-T6合金的断裂机制。2试验结果及讨论2.1微观组织分析图l和图2分别为铸态A356和铸造A356-T6铝合金的金相显微组织。根据AI-Si二元合金相图，A356铝合金属于亚共晶合金，其凝固过程先析出初级AI枝晶，然后AI-Si共晶体在枝晶臂之间形成，铸态合金冷却过程析出Mg2Si和Si粒子。铸态A356合金的相包括：!-AI基体、Si、Mg2Si、铁基化合物粒子以及各种缺陷，如：疏松、夹杂、缩孔和氧化膜等［l9］。图la和图2a中!-AI基体为树枝状，为典型的亚共晶组织形态。铸态中含Fe相金属间化合物主要是由于杂质Fe而形成，其形态呈骨骼状或“中国字符”状，如图lc和图2b所示。文献［l9］指出铸造A356铝合金中，铁基化合物粒子主要为"相（AI5FeSi），也含有少量的#相（AI9FeMg3Si5）。铸造A356合金的金相组织呈中灰色棒状或片状的相是共晶体Si，其杂乱无章地分布在!-AI基体上，如图lb和2b所示。在538C对AI-Si-Mg合金进行固溶处理的目的是为了改善共晶硅粒子的形态以及使铸造过程中形成的金属间化合物粒子能够充分固溶到!-AI基体中。比较图lb和图2b，可以看出热处理后板条共晶Si粒子的边角更加圆润，但其形态变化不大。在光学显微镜照片上可以看到铸造过程形成的各种缺陷，如铸造缩孔（图l和图2黑色箭头所指）、铸造气孔（图l和图2白色箭头所指）和氧化膜（图lb中方框所示）。Mg2Si是固溶强化相，铸态合金中由于Mg2Si相数量少，且较细，不容易被发现；固溶处理时它溶入!-AI中，淬火形成过饱和固溶体，文献［20］指出铸造A356铝合金采用T6工艺热处理（在538C固溶lh后），电子探针分析表明铸造过程形成的Mg2Si粒子完全固溶于铝基体中。时效过程中Mg2Si以针状形式析出（如图4所示），起强化作用，以提高铸造铝合金的力学性能。图l铸造A356铝合金热处理前的光学显微镜组织（a）低倍形貌（b）共晶硅与缩孔形貌（c）铁基化合物粒子形貌Fig.lTheopticaImicrographsshowingmicrostructureofas-castA356aIuminumaIIoy（a）Iowpowermicrographs（b）eutecticsiIiconandshrinkagecavity（c）iron-bearingcompoundparticIes4l《金属热处理》2007年第32卷第3期默然高亮Mg2Si的形态！！！默然高亮透射用甲醇进行双喷图2热处理后铸造A356-T6铝合金的光学显微镜形貌（a）低倍形貌（b）共晶硅、铁基化合物粒子及缺陷形貌fig.2TheopticalmicrographsmicrostructureoftheA356-T6aluminumalloy（a）lowpowermicrographs（b）eutecticsilicon，ironbearingcompoundparticlesanddefects在光学显微镜下定量测试铸造前后A356合金的枝晶胞尺寸（DCS）、二次枝晶臂间距（SDAS）和共晶Si粒子的长、宽值以及其长径比值，并进行了正态统计分析，定量测试结果列于表2中，统计分析结果如图3所示。在测试过程中，硅粒子尺寸和长径比值的自动测量精确度依赖于仪器所设置的灰度情况，由于铝枝晶胞和硅粒子之间的对比度很高，测试水平定在铝枝晶胞灰度的60%即可获得较精确的结果。通过定量分析可以知道热处理前后枝晶胞尺寸的平均值分别为55!m和50!m，二次枝晶臂间距的平均值分别为63!m和75!m。热处理前后共晶Si的平均长度分别为20!m和30!m，平均宽度分别为10!m和13!m，其分布情况如图1b和图2b所示。表2铸造A356/A356-T6铝合金的微观组织特征参量值Table2ThemicrostructureparametersofcastA356/A356-T6aluminumalloy微观组织参量平均值195%C.l.铸态A356热处理态A356-T6长度/!m2014.53016共晶硅粒子宽度/!m1012.71312.4长径比2.12.6枝晶胞尺寸（DCS）/!m5515.15014二次枝晶臂间距（SDAS）/!m63167517.5图3铸造A356铝合金热处理前后的微观组织特征值统计分析（a）枝晶胞尺寸（b）二次枝晶臂间距（c）硅粒子长度（d）硅粒子宽度fig.3Thestatisticanalysisresultsofmicrostructureparametersofas-castA356alloyandA356-T6aluminumalloy（a）dendritecellsize（b）secondarydendritearmspacing（c）lengthofSiparticle（d）widthofSiparticle图4为铸造A356-T6铝合金的透射电子显微镜照片，其基体中分布着针状和椭圆状的金属间化合物，针状长度大约为2!m，宽度大者为100nm，小者只有几个纳米。图4a为针状体的明场形貌，从图中可以看出51《金属热处理》2007年第32卷第3期针状物质均匀地分布在基体上。在图4a中A位置处的衍射花样如图4b所示，经分析标定表明该针状物质为Mg2Si。图4c为椭圆体的明场形貌，在图4c中B处的衍射花样如图4d所示，经分析标定表明该椭圆状物质为Al8Si6Mg3fe。2.2A356-T6铝合金的拉伸性能及其断口分析铸造A356-T6铝合金的拉伸试验结果列于表3中，表3中试验数据为5根试样拉伸性能的平均值。铸造A356-T6铝合金拉伸断口形貌如图5所示，其断裂为韧性断裂与脆性断裂的混和模式。可以从图5扫描电镜照片上明显看出断裂的韧窝（如图5a箭头所指）和犁沟以及准解理断，如图5b。在断口表面存在夹杂物，如图5c所示；同时可明显观察到孔洞，如图5d中箭头所指。图4铸造A356-T6铝合金的透射电子显微镜形貌（a、c）明场相（b）图a中A颗粒的衍射花样（d）图c中B颗粒的衍射花样fig.4TEMimagesandcorrespondingselectedareaelectrondiffraction（SED）patternofcastA356-T6aluminumalloy（a，c）brightfield（b）SEDpatternofparticleA（d）SEDpatternofparticleB图5铸造A356-T6铝合金的拉伸断口形貌（a）低倍（b）高倍（c）夹杂物形貌（d）孔洞形貌fig.5TensilefractographsimagesofthecastA356-T6aluminumalloy（a）lowpowerfracturemorphology（b）microscopicfracturemorphology（c）inclusion（d）pore61《金属热处理》2007年第32卷第3期默然线条默然线条默然线条默然椭圆形π-fe的投射电竞表3不同方式铸造的A356合金的拉伸性能Table3TensilepropertiesofthecastA356aluminumalloypreparedbydifferentmethod屈服强度!0.2/Mpa断裂强度!b/Mpa伸长率"（%）失蜡铸造A356-T6240254.81.16金属模铸造A356-T6［21］1862625砂模铸造A356-T6［21］2072786.0从表3中可知，本试验中合金的屈服强度大约为金属模铸A356-T6合金的1.3倍；但伸长率却低，"=1.16%，为金属模铸A356-T6合金伸长率的23%［21］。由于试样的伸长率和断面收缩率都很低，因此即使试验的屈服强度很高，抗拉强度也会较低，试验测定的抗拉强度为屈服强度的1.06倍，低于其它试验结果，比如金属模铸A356-T6合金的为1.41，砂模铸造A356-T6合金的为1.34。因此，熔炼、浇注和热处理工艺对铸件微观组织影响很大，进而影响其力学性能。不同的浇注工艺带来不同的缺陷特征（包括其性质、数量、尺寸及其分布等）和不同的微观组织特性，所以力学性能会有差异。一般来说，铸造缺陷对构件的静强度影响较小，但较显著影响构件的断裂伸长率［6］。研究发现Al-Si-Mg铸造铝合金的延伸性依赖于枝晶胞、硅粒子尺寸，时效条件，缺陷情况以及镁含量等因素［22］。McLellan对大量数据进行统计分析，得出铸造A356铝合金的延伸性由枝晶胞尺寸和硅粒子的长径比所决定。对于未改性的A356铸造铝合金，当合金具有大尺度枝晶胞时，断裂模式为穿晶断裂，具有小尺度枝晶胞为晶间断裂。因为在具有小DAS值的试样中，硅粒子的开裂优先出现的晶界上，开裂路径主要由沿晶断控制。然而，在大尺寸DAS值试样中，硅粒子开裂主要集中在胞晶界上，断裂方式为穿晶断，且开裂路径主要沿枝晶胞界。因为在大尺度DAS材料中，枝晶胞界上分布着密集的Si粒子，因此提供了裂纹容易扩展的通道，导致沿胞（即穿晶）方式断裂。相反，在具有小尺度DAS材料中，因为缺少连续的胞界，这将使穿晶断裂变得困难。文献［22］指出对于未改性的铸造A356铝合金其断裂方式从穿晶断裂向沿晶断裂转变的DAS值大约为30!m，根据3.1节的定量分析结果，铸造A356-T6铝合金的枝晶胞尺寸分散较大，从20到140!m，平均为50!m，大者超过130!m。而在本试验中，断口方式为不明显的沿晶断裂。3结论通过T6热处理工艺对失蜡铸造成型的A356铝合金进行热处理。采用光学显微镜和透射电子显微镜分析了其微观组织形貌，并定量测试了其显微组织特征值；同时测定了A356-T6合金的拉伸性能，并采用扫描电子显微镜观察其断口形貌，其结论如下：（1）铸造A356铝合金中分布着铸造缩孔、氧化膜和气孔等缺陷。共晶Si呈灰色针状和片状，杂乱无章地分布在#-Al基体上，其形态在热处理前后变化不大，只是热处理后边角更加圆润。（2）铸造A356-T6铝合金基体中分布着长度大约为2!m，宽度大者为100nm，小者只有几个纳米的针状Mg2Si粒子，并且发现经T6热处理后在铸造A356铝合金中存在椭圆状Al8Si6Mg3Fe金属间化合物。（3）铸造A356铝合金的枝晶胞尺寸、枝晶臂间距、共晶Si粒子的长、宽值分别为55!m、63!m、20!m和10!m；热处理后A356-T6铝合金相应的值分别为50!m、75!m、30!m和13!m。（4）铸造A356-T6铝合金的拉伸断口为韧性断裂与脆性断裂的混和模式，开裂方式为准解理断裂，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为240Mpa、254.8Mpa和1.16%。参考文献：［1］ZhaoHong.Applicationofaluminumfortheautomotivein-dustry［J］.AutomotiveTechnologyandMaterials，1997（1）：19-24.［2］JamborA，BeyerM.Newcars-newmaterials［J］.MaterialsandDesign，1997，18（4/6）：203-209.［3］MillerWS，etal.Recentdevelopmentinaluminumalloysfortheautomotiveindustry［J］.MatSciEngA，2000，208：37-49.［4］MayerH，etal.Influenceofporosityonthefatiguelimitofdiecastmagnesiumandaluminumalloys［J］.IntJFatigue，2003，25：245-256.［5］WangOG，ApelianD，LadosDA.FatiguebehaviorofA356-T6aluminumcastalloys.partIEffectofcastingdefects［J］.JournalofLightMetals，2001（1）：73-84.［6］AvalleM，etal.Castingdefectsandfatiguestrengthofadiecastaluminumalloy：acomparisonbetweenstandardspeci-mensandproductioncomponents［J］.IntJFatigue，2002，24：1-9［7］CatonMJ.predictingfatiguepropertiesofcastaluminumbycharacteringsmall-crackpropagationbehavior［D］.Universi-tyofMichigan.AmArbor，MI，2001.［8］Buffie~reJY，SavellibS，JouneaupH.ExperimentalstudyofporosityanditsrelationtofatiguemechanismsofmodelAl-Si7-Mg0.3castAlalloys［J］.MaterialsScienceandEngi-neeringA，2001，316：115-126.［9］KwaiSChan，peggyJones，WangOigui.FatiguecrackgrowthandfracturepathsinsandcastB319andA356aluminumal-loys［J］.MaterialsScienceandEngineeringA，2003，341：18-34.71《金属热处理》2007年第32卷第3期铸造A356铝合金的微观组织及其拉伸性能研究作者：冉广，周敬恩，王永芳，席生岐，RANGuang，ZHOUJing-en，WANGYong-fang，XISheng-qi作者单位：西安交通大学,材料科学与工程学院,金属材料强度国家重点实验室,陕西,西安,710049刊名：金属热处理英文刊名：HEATTREATMENTOFMETALS年，卷(期)：2007,32(3)被引用次数：14次参考文献(22条)1.ZhaoHongApplicationofaluminumfortheautomotiveindustry1997(01)2.JamborA;BeyerMNewcars-newmaterials1997(4-6)3.MillerWSRecentdevelopmentinaluminumalloysfortheautomotiveindustry[外文期刊]20004.MayerHInfluenceofporosityonthefatiguelimitofdiecastmagnesiumandaluminumalloys[外文期刊]2003(3)5.WangQG;ApelianD;LadosDAFatiguebehaviorofA356-T6aluminumcastalloys.PartIEffectofcastingdefects2001(01)6.AvalleMCastingdefectsandfatiguestrengthofadiecastaluminumalloy:acomparisonbetweenstandardspecimensandproductioncomponents[外文期刊]2002(1)7.CatonMJPredictingfatiguepropertiesofcastaluminumbycharacteringsmall-crackpropagationbehavior20018.Buffie`reJY;SavellibS;JouneauPHExperimentalstudyofporosityanditsrelationtofatiguemechanismsofmodelAl-Si7-Mg0.3castAlalloys[外文期刊]2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