A356铝合金的组织与性能研究.docx
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A356铝合金的组织与性能研究
A356铝合金的组织与性能研究
目录
摘要IX
AbstractIX
1绪论1
1.1引言1
1.2铝及其合金概述1
1.3热处理工艺2
1.4A356铝合金研究现状3
1.5主要内容4
2实验方法及过程4
2.1合金成分4
2.2试样制备和热处理方法4
2.2.1试样切割4
2.2.2热处理5
2.3金相观察6
2.3.1金相试样的制备6
2.3.2金相观察7
2.4力学性能的测试7
2.4.1硬度测试7
2.4.2拉伸性能测试7
3实验结果及分析8
3.1金相组织观察结果8
3.1.1热处理前的微观组织8
3.1.2热处理后的微观组织10
3.2力学性能分析11
3.2.1表面硬度11
3.2.2拉伸性能14
4结论15
致谢16
参考文献17
百色学院本科毕业论文（设计）诚信保证书19
摘要：
对A356铝合金分别进行金相观察和力学试验，研究其微观组织及性能，同时探讨热处理方式对A356铝合金组织与性能的影响，结果发现枝状晶比较粗大，分布松散，表面硬度、抗拉强度和屈服强度都较低，塑性较好。
经一定热处理后，粗大共晶硅熔断形成分布均匀、趋于球化的细小颗粒，除了塑性有所降低外，其他力学性能都有了显著提高。
最佳热处理工艺为（560℃+6h）固溶+（180℃+4h）人工时效。
关键词：
A356铝合金；固溶处理；时效处理；力学性能；微观组织
ResearchonMicrostructureandPropertiesofA356AluminumAlloy
Abstract：
ThemicrostructuresandpropertiesofA356aluminumalloywereinvestigatedbymeansofopticalmetallographyandtensiletest.Meanwhile,theeffectsofheattreatmentonmicrostructurewereanalyzed.Theresultsshowthatthemorecoarsedendritesareevenlydistributed,thelowerhardness,tensilestrength,yieldstrengthandthegreaterplasticareobtained.Thecoarsedendritesarebrokenoff,uniformdistributionandgranularafterheattreatment.Themechanicalpropertieshavesignificantlyimprovedexceptforductility.Theoptimizedsolutiontreatmentfor6hoursat560℃andagingtreatmentfor4hoursat180℃arerecommended.
Keywords：
A356aluminumalloy;Solidsolutiontreatment;Agingtreatment;Mechanicalproperties;microstructure
1绪论
1.1引言
材料是国民经济和社会发展的重要物质基础，是现代技术的三大支柱之一，其中，铸造铝合金在工程材料领域中又占有非常重要的地位。
由于现代高科技材料的使用需要更多的优良性能，力学研究也从宏观力学分析转移到微观组织结构和宏观力学性能之间的关系[1]。
中国的汽车工业正处于快速发展时期，汽车行业正面临着节约能源、环境保护和驾驶安全三大问题，使得汽车工业发展向着更安全、高速、舒适和环保的方向发展，减轻汽车重量是解决问题的很好办法，这不可避免的导致铝硅合金的市场需求量增加。
强度和韧性较低是铝硅合金铸件目前存在的重要问题，实际生产中很容易产生夹杂物、气孔等铸造缺陷。
随着航空航天工业和汽车行业的快速发展，为顺应人类社会对节约能源和环境保护的要求，工业部门更迫切追求高强度的材料，新的高强度高韧性铸造铝-硅合金的研究与开发必将成为近年来研究的热点。
上世纪70年代，美国研制了A356系列铝合金，是一种被广泛应用的铸造铝-硅-镁系合金，流动性和气密性都较好，而且收缩率和热裂倾向比较小，经过一定变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能，用途广泛[2-3]。
比如其在经过T6热处理后，被广泛应用于诸如汽车制造业的轮毂、发动机缸体和航空航天工业中一些大型薄壁结构的零件等重要部件，这样不仅有效减轻了零部件自身重量，而且价格适中，回收率高。
然而，由于铝液在熔融状态时容易吸氢，同时，凝固过程中有一定程度的收缩，因此铸造出来的铝合金构件一般都存在一定数量的孔洞、氧化物和非金属夹杂物等缺陷，这些缺陷对构件的力学性能有较大影响。
所以，通过研究其微观组织对性能的影响，对优化微观组织获得具有良好综合性能的高强度铝合金及扩大使用领域，具有重要的理论意义和使用价值。
1.2铝及其合金概述
铝是一种人们既熟悉又常接触到的金属材料。
铝是化学元素周期表中位于第三周期的主族元素，也是地壳中分布第三位的元素，仅次于氧和硅。
据统计，地壳中其余有色金属含量的总额都没有铝含量多。
铝之所以具有很高的塑性（δ：
32~40%，ψ：
70~90%），那是因为它的微观机构是面心立方结构。
纯铝的密度大约是铁的1/3（铝ρ=2.7g/cm3），抗腐蚀性能好，熔点低，因为其强度很低，纯铝不宜作结构材料，退火状态σb值约为8kgf/mm2。
除去部分用于冶炼和特殊用途外，原铝和再生铝90%以上要添加其他元素配成各种合金，通过铸造、轧制等一系列加工方式加工成不同用途和性能的铸件、板材和箔材等。
铝合金是当前工业中使用范围最广的结构材料之一，经过长期的科学实验和实际生产，通过往纯铝中加入一定量合金元素及运用一定的热处理方式对铝进行强化，得到了一系列型号的铝合金，不仅保持纯铝质轻等原有的良好性能，而且弥补其强度、硬度等力学性能上的不足。
采用铝合金作为焊接材料，其重量比用钢材做焊接材料减轻50%以上。
铝合金不仅密度低，强度与优质钢材不相上下，而且具有良好的塑性、导电、导热和抗蚀性，可通过不同加工方式加工成各种型材、板材和线材，在工业使用量上仅次于钢[4]。
铝合金分两大类：
一种是铸造铝合金，在铸态下使用；另一种是变形铝合金，能承受压力加工，可加工成各种形态、规格的铝合金。
1.3热处理工艺
铝合金铸件的热处理是指把铸件放在一定的介质中，通过控制加热温度、保温时间和冷却速度，改变铸件微观组织结构，从而达到提高其力学性能、增强耐腐蚀性能、改善加工性能，获得尺寸的稳定性的目的。
铝合金铸件的热处理工艺可以分为如下三类[5]：
（1）退火处理：
将铝合金铸件加热到约为300℃上下的较高的温度，在此温度下保温一定的时间后，随炉冷却至室温，得到趋于或达到平衡状态的组织，以获得更好的工艺和使用性能的热处理工艺称为退火。
在退火期间，固溶体破裂分解，可以很大程度上消除铸件在铸造和机械加工过程中残留的内应力，使铸件尺寸稳定，不易变形，增强铸件的塑性。
（2）固溶处理：
把铸件加热到不超过共晶体熔点的尽可能高的温度，保温一定的时间，使强化相得到最大限度的溶解，然后快速冷却得到过饱和固溶体的热处理工艺称为固溶处理，也称淬火。
对于Al-Si-Mg类铸造铝合金，固溶处理后，能有效增强铝合金强度和耐蚀性。
对于还需要人工时效的铝合金，固溶处理能较好的提高材料的塑性。
固溶处理效果好坏主要由于下列三个因素决定：
1）固溶处理的温度：
在不超过共晶体熔点的情况下，温度越高，强化相溶解速度越快，快速冷却后强化效果就越明显。
2）保温时间：
剩余相的溶解速度决定保温时间，溶解速度又由铝合金的成分、组织、铸造方法决定。
3）冷却速度：
固溶处理后铸件的冷却速度越大，高温状态得到的过饱和固溶体也就越多，其铸件力学性能也就越好，同时铸件内残留的内应力也就越大，使铸件的尺寸不稳定。
（3）时效处理：
为消除固溶处理后的铸件残余的内应力，稳定尺寸，把铸件重新加热（100-250℃），保温一定时间后，放在空气中让铸件缓慢冷却至常温的热处理工艺称为时效。
1.4A356铝合金研究现状
国内外对铝硅系铸造铝合金做了许多研究，比如宛农[6]等人研究分析了Al-Si-Mg系铝合金热处理工艺对合金的力学性能的影响，得出固溶和时效温度分别处在525～550℃和150～200℃的范围时，力学性能基本能满足使用需要。
当材料处于非平衡条件下时，Mg2Si强化相会在含较多Si、Mg的α相枝状晶间优先形成，实际时效处理温度及保温时间应根据铝合金的Mg含量来做出相应的调整。
王尚清[7]研究分析了A356.0铝合金的热处理工艺，探讨了时效温度和保温时间与合金抗拉强度和延伸率之间的规律，当时效温度一定时，保温时间和抗拉强度趋于正比例关系，和延伸率呈反比例关系，保温时间一定时，时效温度与抗拉强度和延伸率的规律与时效温度一定时相似。
余忠土[8]等人研究了A356铝合金半固态成形件在经T6热处理后的原始强化相和析出的一部分强化相，起主要作用的是后者，还得出随着时效时间的延长，析出的强化相越多，硬度越高，但时效时间超过一定时间后，就会出现过时效，硬度反而下降。
冉广[9-10]等人研究分析了A356铝合金的微观组织、拉伸性能及其断口形貌，得出铸A356铝合金在经T6热处理后，抗拉强度屈服强度与离浇道口平面距离成反比例关系，延伸率则变化不是很明显，研究分析了其拉伸断口发现其断裂是韧性断裂和脆性断裂两种不同模式的混合。
JacquesStolarz[11]等人研究分析了Al-Si系铸造铝合金低周疲劳断裂存在的微观影响因素后指出Al-Si系铝合金的断裂纹穿过其表面形核并在共晶铝层中扩展。
上官晓峰[12]等人研究分析了A356铝合金拉伸性能，发现其裂纹都是出现在材料的铸造缺陷处。
李建国[13]等人研究分析得出铸造铝合金材料中最薄弱的区域是α-Al的二次枝晶臂之间的枝状共晶体，裂纹源是Si颗粒中尺寸最粗大的首先发生断裂形成的。
BuffiereJY[14]等人研究分析了铸造时产生疏松与A1-Si7-Mg0.3铝合金的疲劳机理的关系。
1.5主要内容
关于铝硅系铸造铝合金的研究主要集中优化合金成分和热处理工艺及对熔炼和铸造工艺的改进等方面，但系统的研究其微观组织、缺陷以及合金在室温环境下的力学性能的研究相对较少。
未经热处理的A356铝合金，其树枝状共晶硅比较粗大，分布不均匀，很大程度上降低了力学性能，但也是其具有较好的塑性，本文在室温下对A356铝合金分别进行金相观察，硬度和拉伸实验，研究其微观组织及性能，同时探讨热处理方式对A356铝合金组织与性能的影响，优化A356热处理工艺。
2实验方法及过程
2.1合金成分
实验的研究材料为某工厂生产提供的A356合金锭，其主要化学成分如表2.1所示：
表2.1A356合金锭的化学成分（Wt.%）
元素
Si
Cu
Mn
Mg
Fe
Zn
Pb
Ti
Sn
Al
含量
6.8-7.5
≤0.1
≤0.05
0.30-0.45
≤0.16
≤0.05
≤0.05
0.15-0.20
≤0.05
余量
2.2试样制备和热处理方法
2.2.1试样切割
采用型号为DK7745的电火花数控线切割机床，把块状A356合金锭切割成尺寸为5
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