Sr含量對(duì)A356合金微觀組織及力學(xué)性能的影響

趙后亮 ，周吉學(xué) ，唐守秋 ，王金偉 ，張琳琳 ，陳燕飛，李長龍，吳建華*

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014 ；3,山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；4.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

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【新材料】

Sr含量對(duì)A356合金微觀組織及力學(xué)性能的影響

趙后亮1，周吉學(xué)2,3，唐守秋4，王金偉2，張琳琳4，陳燕飛2,3，李長龍1，吳建華2,3*

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014 ；3,山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；4.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

通過在A356合金中添加Al-10Sr中間合金，分析Sr含量對(duì)A356合金微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著Sr含量的增加，其力學(xué)性能先升高后降低。當(dāng)Sr加入量質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.03%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為204 MPa、延伸率為10.4%，較未變質(zhì)的A356合金分別提升了18%、189%。通過微觀組織分析表明，Sr的添加能夠明顯改善A356合金中共晶硅相的形貌，由粗大的針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀或顆粒狀，從而改善合金的力學(xué)性能。

A356合金;Sr含量;微觀組織;力學(xué)性能

鑄造鋁硅合金A356作為傳統(tǒng)的金屬材料，由于其密度小、良好的鑄造性能和比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空以及航天等領(lǐng)域[1-4]。但是A356合金在鑄造過程中易形成粗大的初生相α-Al及粗針狀的共晶硅(Si)相和塊狀的富鐵相，嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能，其中Si相的形態(tài)和分布與合金力學(xué)性能密切相關(guān)[5-7]。因此，如何改變Si相在合金中的形態(tài)和分布成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。

A356合金中共晶Si相的處理方法有超聲細(xì)化、機(jī)械振動(dòng)和添加變質(zhì)劑等，其中添加變質(zhì)劑是最為方便、快捷、有效的處理方法[8-10]。目前，常用的變質(zhì)劑有Na、Sr、Sb、Re等，其中Sr變質(zhì)不僅能夠很好地改善共晶Si的形貌，而且其變質(zhì)時(shí)間較其他元素有著明顯的優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最廣泛的變質(zhì)劑[11-14]。本文通過在A356合金中添加不同含量的Al-10Sr中間合金，對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)處理,研究不同Sr含量對(duì)A356合金微觀組織形貌及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所采用的材料有A356合金、Al-10Sr中間合金，A356合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 A356合金化學(xué)成分Table 1 Chemical components of A356 alloy

首先，將放有A356合金的石墨坩堝置于井式電阻爐中，升溫至750 ℃，待合金熔化后靜置10 min，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4 %的精煉劑除渣除氣，保溫10 min后扒渣；加入Al-10Sr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理，實(shí)現(xiàn)A356合金中Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到0、0.01%、0.03 %、0.05%、0.07 %、0.1 %、0.15 %，變質(zhì)時(shí)間15 min；通入Ar氣除氣處理，Ar氣流量為10 mL/min，通氣時(shí)間為8 min；將熔體溫度降至720 ℃，澆入預(yù)熱到200 ℃的金屬型中，獲得制備樣品。

單位：mm圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

所得樣品經(jīng)過砂紙打磨，機(jī)械拋光，然后利用體積分?jǐn)?shù)0.5%HF水溶液腐蝕，進(jìn)行微觀組織觀察。采用JSM-6460型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行合金微觀組織、拉伸斷口形貌觀察，結(jié)合Oxford的EDX-500型能譜儀(EDS)對(duì)合金進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析。采用DW-200E電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸樣品尺寸如圖1所示。利用HB-3000B型布氏硬度計(jì)測(cè)試合金的布氏硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織分析

圖2為不同Sr含量A356合金的微觀組織形貌。可以觀察到，A356合金中沒有明顯的氣孔、疏松等缺陷，不同Sr含量A356合金中共晶Si相的形貌有明顯區(qū)別。圖2a、2e為未變質(zhì)的A356合金的微觀組織形貌，其中共晶Si相呈粗大的針片狀分布，長度約為20 μm ～50 μm，寬度約為3 μm ～8 μm，這種粗的針片狀共晶Si相將嚴(yán)重割裂基體，影響合金的力學(xué)性能。圖2b、2f為Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，A356合金的微觀組織形貌，共晶Si相呈纖維狀或顆粒狀分布?？梢奡r的添加能夠明顯改善共晶Si相的形貌，其變質(zhì)效果明顯。關(guān)于共晶Si相Sr的變質(zhì)機(jī)理，Li等[15]通過實(shí)驗(yàn)觀察到，在共晶Si相的生長過程中，變質(zhì)元素Sr將會(huì)吸附在<112>Si生長方向或多個(gè)Si孿晶的交界處，阻礙Si相生長或改變生長方式，從而改變共晶Si相的生長形態(tài)。Barrirero等[16]提出納米尺寸的SrAl2Si2團(tuán)簇將會(huì)在Si相和液相的界面處形成，阻礙Si相的生長，從而改變了共晶Si相的生長形態(tài)。

a 未變質(zhì)；b Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%；c Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%；d Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%；e 未變質(zhì)高倍觀察；f Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%高倍觀察圖2 不同Sr含量A356合金微觀組織Fig.2 Microstructures of A356 alloys with various Sr content

2.2 合金力學(xué)性能分析

圖3為不同Sr含量A356合金的力學(xué)性能。可以觀察到，添加變質(zhì)元素Sr的A356合金力學(xué)性能明顯優(yōu)于未變質(zhì)合金的力學(xué)性能，同時(shí)A356合金的力學(xué)性能隨著Sr含量的增加先升高后降低。

a 拉伸性能b 布氏硬度圖3 不同Sr含量A356合金的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of A356 alloys with various Sr content

由圖3a知，在Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，A356合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值204 MPa，相應(yīng)延伸率為10.4%；在Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)，合金的延伸率達(dá)到最高值13.5%，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為192 Mpa。由圖3b可知，在Sr加入量質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.03%時(shí)，合金的布氏硬度達(dá)到最高值62.4 HB。

以上結(jié)果表明，在Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，A356合金的力學(xué)性能最佳，比未變質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度173 MPa、延伸率3.6%、布氏硬度60.4 HB，分別提高了約18%、189%、3%。以上結(jié)果表明，共晶Si相形貌的轉(zhuǎn)變可以大大改善合金的力學(xué)性能，特別是提高了合金的塑性。

圖4為不同Sr含量A356合金拉伸斷口形貌?？梢杂^察到，不同Sr含量合金的斷裂方式不同。未變質(zhì)的A356合金，拉伸斷口韌窩數(shù)量少，有大量的解理面及臺(tái)階，斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。加入Sr變質(zhì)后，合金斷口處韌窩增多，斷裂方式向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。由此可見，A356合金Sr變質(zhì)之后，其塑性變形能力明顯提升。當(dāng)Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.15%時(shí)，斷口處又出現(xiàn)明顯的解理面，降低了合金的力學(xué)性能。

a 未變質(zhì)；b Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03；c Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%；d Sr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%圖4 不同Sr含量A356合金拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology of A356 alloys with various Sr content

A356合金Sr變質(zhì)后力學(xué)性能的改善，是由于未變質(zhì)A356合金中共晶Si相呈粗大的針片狀，這將嚴(yán)重割裂基體，同時(shí)共晶Si相為脆性相，粗大的針片狀共晶Si在受力過程易斷裂，如圖5a中A位置及圖5b能譜所示；同時(shí)在合金受力過程中，易在粗針狀共晶Si相的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在共晶Si相和基體Al相的交界處產(chǎn)生裂紋，使合金提前斷裂，如圖5a中的B位置及圖5c能譜所示，從而降低合金的力學(xué)性能及塑性變形能力。加入Sr變質(zhì)之后，大部分共晶Si由粗大的針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀或顆粒狀，從而降低了對(duì)基體的割裂作用；同時(shí)在合金受力過程中，變質(zhì)后顆粒狀的共晶Si應(yīng)力集中大大降低，因此提高了變質(zhì)合金所承受的最大應(yīng)力，從而提高合金的抗拉強(qiáng)度；顆粒狀的共晶Si相可以提高合金的變形協(xié)調(diào)能力，一部分裂紋在穿過Al基體后可以繞過顆粒狀的共晶Si相，使Al基體的塑性變形能力得以發(fā)揮，從而提高合金的塑性變形能力。

a 斷口照片；b A點(diǎn)能譜分析；c B點(diǎn)能譜分析圖5 未變質(zhì)A356合金拉伸斷口能譜分析Fig.5 EDS spectra of tensile fracture of unmodified A356 alloy

但是，變質(zhì)元素Sr 易吸氣，過多Sr的添加將提高A356合金的吸氣傾向，增加合金中氣孔、疏松等缺陷[17-18]；同時(shí)，Sr的添加易在合金中形成脆性相Al4Sr，過多Sr的添加會(huì)導(dǎo)致大量脆性相的產(chǎn)生，從而降低合金的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)變質(zhì)元素Sr的添加能夠明顯改善A356合金共晶Si相的形貌，共晶Si相形貌的轉(zhuǎn)變可以大大改善合金的塑性。

(2)隨著Sr含量的增加，A356合金的力學(xué)性能先升高后降低。當(dāng)Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，A356合金具有最佳的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度為204 MPa、延伸率為10.4%、布氏硬度為62.4 HB，比未變質(zhì)合金分別提高了約18%、189%、3%。

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Impact of Sr content on microstructure and mechanical properties of A356 alloy

ZHAO Hou-liang1, ZHOU Ji-xue2,3, TANG Shou-qiu4, WANG Jin-wei2,ZHANG Lin-lin4, CHEN Yan-fei2,3, LI Chang-long1, WU Jian-hua2,3*

(1. Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China ;2. Shandong Provincial Key Laboratory of High Strength LightweightMetallic Materials (in preparation),Advanced Materials Institute,Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 3. Shandong Engineering Research Center of Lightweight Automobiles Magnesium Alloys, Advanced Materials Institute,Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 4. Advanced Materials Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶We analyzed the impact of Sr content on microstructure and mechanical properties of A356 alloy through Al-10Sr master alloy addition. Results show that mechanical properties of A356 alloy first increase and then decrease with the increase of Sr content. It has tensile strength of 204 MPa and elongation rate of 10.4% for Sr content of 0.03%. The two parameters are improved by 18% and 189%, as compared with unmodified A356 alloy. Microstructure analysis indicates that Sr addition can significantly change the morphology of eutectic silicon, from coarse plate form to fine fibrous or particle form, so its mechanical properties are improved.

∶A356 alloy; Sr content; microstructure; mechanical properties

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.011

2016-04-18

山東省博士基金(BS2015CL016)；山東省科學(xué)院青年基金(2014QN026)

趙后亮(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛猩饘偌昂辖痂T造。

*通信作者，吳建華，男，助理研究員。Tel:0531-88728307，Email:jianhw@sdas.org

TG146.21

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