热机械固结制备Al-Si-Mg/Fe铝合金的显微组织与力学性能

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轻量化生产理念的广泛应用,使得铝合金被不断地应用于航空航天、汽车制造等各个领域,随之而来的便是大量的铝合金废屑的产生。A356铝合金则由于其良好的成型性、中等强度、良好的耐蚀性等,被广泛地应用于汽车轮毂制造中。本次研究基于绿色制造的环保理念,结合传统的大塑性变形的理论基础,分别运用热挤压锻固态再生、高能球磨与热挤压相结合等方式,利用A356铝合金车削屑制备Al-Si-Mg/Fe铝合金块体材料,旨在对材料的组织与性能的关系进行研究,为提高铝合金回收屑的再生价值提供有效的参考。研究不同的形变量对直接热机械固结(挤压锻)Al-7Si-0.3Mg铝合金的显微组织影响,发现:大量塑性变形使得材料中Al(Si,Mg)晶粒发生动态再结晶,Si(和Al3FeSi)颗粒被破碎,尺寸减小并均匀分布在材料的组织结构中。同时也使得颗粒界面处的α-Al2O3薄膜的破裂细化,使得材料达到良好的界面冶金结合效果。T6热处理之后,热压态与挤压锻态的样品中的Al(Si,Mg)晶粒部分等轴晶粒转变为拉长的变形晶粒,同时出现不同程度地粗化,分析是由于α-Al2O3细小颗粒的存在,使得颗粒界面的迁移受限制。挤压锻态样品在T6热处理前后均表现出良好的性能,尤其T6热处理之后的屈服强度228 MPa,抗拉强度达到275 MPa,其延伸率可达到8.4%,展现出优于传统铸造A356铝合金的力学性能。热压-T6态样品在发生屈服之后很快断裂,产生很小的应变。这是因为拉伸过程中,硅颗粒的断裂形成的微孔,借助弱结合力的颗粒界面迅速地扩展直至断裂。因此减小颗粒界面处的α-Al2O3颗粒的尺寸以及含量,可以提供材料的界面结合效果,增强材料的塑性。挤压锻态材料在热处理前后均表现出良好的塑性,表明额外的塑性变形使得颗粒界面氧化膜破裂的更加细小,使得暴露出来的新鲜原子表面建立了更有效地界面结合。以A356铝合金车削屑和灰铸铁屑作为原料,通过高能球磨制备纳米结构制备Al-7.2Si-2Fe和Al-7Si-5Fe粉末。以此粉末为原料,通过冷压压坯(CP)-热挤压(HE)和放电等离子烧结(SPS)-热挤压(HE)两种超细结构Al-7.2Si-2Fe和Al-7Si-5Fe铝合金样品,研究其显微组织与力学性能。发现:CP+HE制备的Al-7.2Si-2Fe和Al-7Si-5Fe铝合金的Al(Si,Mg)平均晶粒尺寸则分别为1.8 μm和 1.3 μm。SPS+HE 制备的 Al-7.2Si-2Fe 和 Al-7Si-5Fe 铝合金样品的 Al(Si,Mg)平均晶粒尺寸分别为2.6 μm和1.5 μm;可见SPS并没有引起晶粒的异常粗化。而Fe含量增加使得热挤压过程中动态再结晶形核率增加,导致Al-7Si-5Fe铝合金的平均晶粒尺寸较小。CP+HE制备的Al-7.2Si-2Fe和Al-7Si-5Fe样品的屈服强度(YS)为 357.5 MPa 和 477.9 MPa,抗拉强度(UTS)为 372.7 MPa 和489.0 MPa,断裂前的延伸率分别为0.2%和0.1%。SPS+HE制备的铝Al-7.2Si-2Fe 和 Al-7Si-5Fe 样品的 YS 分别为 397.4 MPa 和 489.4 MPa,UTS 分别为416.2 MPa和507.8 MPa,断裂前的延伸率分别为0.9%和0.3%。所制备的Al-7.2Si-2Fe和Al-7Si-5Fe样品的强度均比用类似方法制备的Al-7Si-0.3Mg铝合金棒材要高一些,但材料的拉伸塑性较差,其断裂总体属于脆性断裂,以沿晶断裂为主,有些兼有准解理断裂特质。拉伸塑性差的原因是Si颗粒在屈服前断裂,萌生微裂纹,同时纳米结构的塑性有限,导致材料在很小的塑性变形后便失效断裂。
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