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新型压铸铝合金!屈服强度231MPa,伸长率4.3%

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高压压铸(HPDC)具有许多优点,包括良好的表面光洁度,尺寸精度高和优良的机械性能,已被广泛地用于汽车部件的生产中。过去十年,压铸铝合金代替钢制零件的应用已经大大增加。研究者们在开发具有超强机械性能的压铸铝合金方面已经做出了巨大的努力,其中具有双峰/多峰微观结构的超细共晶和亚共晶多组分合金由于其超细共晶结构可改善塑性和韧性而备受关注。对于压铸铝合金,仍然存在将屈服强度和断后伸长率分别提升至200MPa和4%以上的挑战。

英国布鲁内尔大学开发出新型高强度Al-Si-Mg-Mn压铸铝合金,屈服强度达到200MPa以上,伸长率大于4%,探讨了共晶含量对组织和性能的影响。相关论文以题为“Microstructure evolution and mechanical properties of new die-cast Al-Si-Mg-Mn alloys”发表在Materials and Design。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127519308329

研究人员使用高压压铸方法通过控制不同的Mg、Si含量制备了不同共晶含量的铝合金。研究发现高压压铸的凝固过程分为两个阶段,一阶段是在套筒中以非常慢的冷却速率凝固,另一阶段是在模腔中以非常高的冷却速率凝固,所以会形成枝晶和超细晶两种类型的α-Al相。铝合金中添加更多的Si和Mg会增加共晶的体积分数,与此同时,更多的溶质在固/液界面处偏析,影响组织过冷并限制了枝晶的生长。因此,增加共晶体积分数可有助于减小α2-Al和α1-Al晶粒的尺寸。Mn的添加可以抑制高压压铸中有害相β-Fe相的形成。

新型压铸铝合金!屈服强度231MPa,伸长率4.3%

图1 不同共晶体积分数下的组织演变和晶粒取向

新型压铸铝合金!屈服强度231MPa,伸长率4.3%

图2 铝合金SEM显微组织图

新型压铸铝合金!屈服强度231MPa,伸长率4.3%

图3 超细共晶区域的明场TEM显微组织图

枝晶-超细共晶铝合金的机械性能在很大程度上取决于相的选择和强化相的体积分数。研究者可以通过优化从单相共晶结构到具有多组分相的多峰共晶结构的共晶微观结构来提高强度。铝合金共晶区内的超细Si和Mg2Si相以及含铁的多组分细相可以有效地抑制裂纹扩展,超细四元共晶相能够抑制位错的传播,在晶界处形成的α-AlFeMnSi颗粒可以进一步改善拉伸性能。超细共晶合金的塑性变形是由α-Al晶粒内部的位错滑移控制的,而优异的屈服强度是由于超细共晶和α-Al晶粒之间的位错相互作用导致更好的加工硬化效果。因此,本研究中的合金比其他一些压铸铝合金具有更高的强度。

新型压铸铝合金!屈服强度231MPa,伸长率4.3%

图4 拉伸断口的SEM照片

新型压铸铝合金!屈服强度231MPa,伸长率4.3%

图5 合金经3%拉伸应变后在二元共晶区(a)和超细四元共晶区(b)的位错

综上所述,作者基于多组分超细二级相强化机理的概念,已经开发出高强度压铸Al-Si-Mg-Mn铝合金,微观结构主要由初级α-Al相,α-AlFeMnSi,二元共晶(Al+Mg2Si)和超细四元Al+Mg2Si+Si+π-AlFeMnSiMg共晶组成。当共晶含量为30%时,合金的屈服强度达231MPa,伸长率为4.3%;当共晶含量为50%时,屈服强度达到281MPa,但是伸长率有所下降。该合金的开发还需进一步应用,有望扩展压铸铝合金的应用领域。(文:破风)

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