晶粒尺寸對ZL101合金低溫拉伸性能的影響

李潤霞，宋麗英，劉昊昕，于寶義

（沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110870）

Al－Si合金具有良好的鑄造性能和優(yōu)良的力學性能，被廣泛應用于航空航天、汽車等領域[1]。對于鑄造Al－Si合金，α－Al晶粒大小是決定合金力學性能的重要因素[2]。目前，通?？梢酝ㄟ^加入形核劑、增大過冷度、振動和攪拌等方法細化合金晶粒[3,4]。向鋁合金熔液中添加細化劑仍是當前細化晶粒最簡單有效的方法，目前應用較為廣泛的鋁合金細化劑包括 Al－Ti－B、A1－Ti－C 等中間合金細化劑[5]。Al－Ti－B 的細化機理是 Al－Ti－B 加入到鋁合金熔液中，與鋁熔體中的鋁反應生成Al3Ti、TiB2、AlB2等粒子，它們分散到整個合金熔液中并形核，從而起到細化晶粒作用[6]。孫騰飛等人研究鑄件壁厚對ZLl01鋁合金組織和力學性能的影響時發(fā)現(xiàn)，可以通過減小壁厚，縮小二次枝晶臂間距，使針片狀共晶硅尺寸降低，即通過改變合金熔煉時金屬液的凝固速率提高合金性能[7]。隨冷卻速率增大，臨界形核半徑和形核激活能都下降，從而形核率增加，晶粒尺寸明顯變小[8～10]。

在拉伸過程中ZL101合金的微裂紋主要由Si相斷裂形成，隨著拉力的增加，裂紋擴展，使合金斷裂失效[11]。Si相的斷裂發(fā)生在塑性變形階段，并與鋁基體中的位錯運動有關[12]。在低溫下鋁基體內(nèi)部的位錯運動阻力發(fā)生改變，影響Al－Si合金中Si相的斷裂行為。早期對低溫下鋁基體中位錯運動的研究主要集中于純鋁和變形鋁合金的低溫塑性變化，在低溫下變形鋁合金的塑性變形均勻性隨強度的增加而明顯提高[13]。在低溫拉伸試驗中A319合金的屈服強度和抗拉強度升高，而伸長率卻下降[14]。本課題通過觀察低溫拉伸斷口形貌和顯微組織，研究晶粒尺寸對ZL101合金低溫力學性能的影響，分析利用不同的處理工藝來改變晶粒尺寸進而對合金低溫力學性能產(chǎn)生的作用，并進一步討論了ZL101合金抗拉強度隨溫度降低而增加和伸長率隨溫度降低而降低的原因。

1　試驗材料及方法

選用的試驗材料為ZL101，合金化學成分見表1。合金熔煉在電阻爐中進行，熔煉溫度控制在750°C 左右，加入六氯乙烷(C2Cl6，0.7%)除氣精煉，采用金屬型和砂型重力鑄造成坯錠。設置A、B、C三個對比組，具體試驗條件見表2。拉伸試驗在配有液氮冷卻低溫保溫箱的WDW－100H萬能試驗機上進行，試樣在拉伸溫度下保溫10～15min后進行拉伸試驗，試驗溫度為：20℃和-60℃，拉伸件尺寸見圖1。利用OLYMPUS-GX51光學顯微鏡觀察試樣金相顯微組織。將不同條件下的3組合金部分試樣進行T6熱處理，固溶處理參數(shù)：525℃×10h；時效處理參數(shù)：165℃×7h。利用S3400N型掃描電子顯微鏡，觀察在不同拉伸溫度下的合金拉伸斷口附近位錯滑移帶及裂紋擴展形貌。

表1　ZL101合金的化學成分　ωB/%

表2　合金分組及試驗條件

圖1　拉伸試樣形狀及尺寸

2　結果與討論

圖2　晶粒尺寸對ZL101合金低溫力學性能的影響

2.1　合金低溫拉伸性能

圖2為晶粒尺寸對ZL101合金低溫力學性能的影響。與A組相比，B、C兩組合金抗拉強度、屈服強度和伸長率均得到提高。在20℃拉伸時，A組合金抗拉強度為132MPa，B組合金抗拉強度為159MPa，C 組合金抗拉強度為 148MPa，B、C 組合金抗拉強度分別提高了20.45%、12.12%；A組合金屈服強度為80MPa，B組合金屈服強度為102MPa，C組合金屈服強度為 96MPa，B、C組合金屈服強度分別提高了27.50%、20.00%；A組合金伸長率為2.95%，B組合金伸長率為4.05%，C組合金伸長率為3.50%，B、C組合金伸長率分別提高了37.29%、18.64%。在-60℃拉伸溫度下，A組合金抗拉強度為140MPa，B組合金抗拉強度為171MPa，C 組合金抗拉強度為 155MPa，B、C 組合金抗拉強度分別提高了22.14%、10.71%；A組合金屈服強度為 85MPa，B組合金屈服強度為111MPa，C 組合金屈服強度為 105MPa，B、C 組合金屈服強度分別提高了30.59%、23.53%；A組合金伸長率為2.40%，B組合金伸長率為3.70%，C組合金伸長率為3.15%，B、C組合金伸長率分別提高了54.17%、31.25%。

同時，無論合金是否經(jīng)過細化處理，合金抗拉強度和屈服強度在-60℃拉伸溫度下時高于20℃，伸長率則相反。與20℃相比，A組合金抗拉強度、屈服強度分別提高了6.06%、6.25%，伸長率降低了18.64%；B組合金抗拉強度、屈服強度分別提高了7.55%、8.82%，伸長率降低了8.64%；C組合金抗拉強度、屈服強度分別提高了4.73%、9.38%，伸長率降低了10.00%。

圖3為晶粒尺寸對ZL101合金低溫拉伸斷口形貌的影響。合金拉伸斷口沿著共晶區(qū)擴展并未撕裂初生α-Al枝晶。可以看出，合金斷口形貌主要是由韌窩和撕裂嶺、解理平臺組成，A組合金拉伸斷口主要由大面積的解理平臺和尺寸較小的韌窩組成；B、C組合金拉伸斷口主要由大量韌窩、較小面積的解理平臺和撕裂嶺組成。與B組相比，C組合金韌窩比例降低、解理平臺面積較大。與20℃、同一處理方式下相比，-60℃拉伸溫度下合金拉伸斷口中解理平臺面積增大和撕裂嶺數(shù)目增多。可以看出，通過進行細化變質處理和提高合金熔煉時熔液凝固速率可以減小晶粒尺寸，進而提高ZL101合金低溫拉伸性能。

圖3　晶粒尺寸對ZL101合金低溫拉伸斷口形貌的影響（鑄態(tài)）

2.2　合金顯微組織

圖4為鑄態(tài)時晶粒尺寸對ZL101合金顯微組織的影響。

A、B組合金的區(qū)別在于是否添加細化劑，B、C組合金的區(qū)別在于凝固速率?？梢钥闯?，未添加細化劑金屬型凝固的A組合金晶粒尺寸最大，晶粒平均尺寸約為65μm；添加細化劑金屬型凝固的B組合金晶粒尺寸最小，晶粒平均尺寸約為20μm；添加細化劑砂型凝固的C組合金晶粒尺寸大于B組且小于A組，晶粒平均尺寸約為40μm。

圖4　ZL101合金的顯微組織（鑄態(tài)）

圖5　合金經(jīng)T6處理不同溫度下拉伸斷口附近顯微組織

2.3　低溫條件下合金裂紋擴展

圖5為A、B、C三組合金進行T6熱處理后進行低溫拉伸的斷口附近顯微組織形貌，在不同溫度下的拉伸斷口附近分布著較多位錯滑移帶和斷裂Si相。在塑性變形過程中鋁基體內(nèi)發(fā)生位錯滑移，大量位錯塞積在Si相邊界產(chǎn)生應力使Si相發(fā)生斷裂。A組合金在20℃溫度下拉伸斷口附近滑移帶數(shù)目較少且形態(tài)較淺，斷口附近存在少量斷裂Si相，在-60℃溫度下拉伸斷口附近滑移帶數(shù)目更少且形態(tài)加深，斷口附近存在斷裂Si相數(shù)目增加，見圖 5（a）、（b）；B 組合金在 20℃溫度下拉伸斷口附近滑移帶數(shù)目最多且形態(tài)較淺，斷口附近存在大量斷裂Si相，在-60℃溫度下拉伸斷口附近滑移帶數(shù)目減少且形態(tài)加深，斷口附近的斷裂 Si相數(shù)目增加，見圖 5（c）、（d）；與 B 組相比，C組合金在20℃和-60℃溫度下拉伸斷口附近滑移帶數(shù)目較少且形態(tài)較淺，斷口附近存在的斷裂Si相數(shù)目減少，見圖 5（e）、（f）。

圖6為經(jīng)過細化處理、金屬型凝固的B組合金在在20℃和-60℃溫度下的裂紋擴展形貌。觀察ZL101合金斷裂路徑形貌，可以發(fā)現(xiàn)，在20℃下，裂紋擴展路徑沿著最大剪切應力方向，即斷裂面與載荷應力方向約呈45°角；而在-60℃時，在低溫拉伸環(huán)境的作用下，裂紋擴展路徑比較曲折，見圖 6（a）、（b）。

根據(jù)Hall-Petch公式，合金的屈服強度σ與晶粒尺寸存在如下關系[15]：

式（1）中，σ0為不考慮晶界效應的屈服強度，k為位錯釘扎常數(shù)，d為晶粒尺寸?？梢钥闯鼍Я３叽缭叫。辖饛姸仍礁?。通過添加細化劑以及增加凝固速率可以細化合金晶粒，晶界數(shù)目增多，晶界對位錯運動具有阻礙作用，所以晶粒尺寸減小合金力學性能提高。

對于具有面心結構的鋁合金而言，屈服應力σ（T）可用位錯受到的短程阻力σth和長程阻力σi之和來表示，即：

隨溫度降低，材料晶格熱振動能降低，位錯運動跨越勢壘的阻力(點缺陷、割階形成過程中產(chǎn)生)增大，而由位錯的應力場以及相互交截所產(chǎn)生的長程阻力基本維持不變[16]。因此，溫度降低則鋁合金材料的屈服強度得以提高，冷處理后位錯之間互相纏繞，且有細小的第二相析出，彌散的分布在晶體內(nèi)部，位錯的快速增殖是其強度增加的主要原因。

圖6　不同溫度下B組合金裂紋擴展形貌（細化、金屬型凝固、T6熱處理）

3　結論

（1）通過加入Al-Ti-B細化劑和提高合金熔煉時的熔體凝固速率，使得合金晶粒尺寸減小，晶界數(shù)目增加，位錯運動受到的阻力增加，宏觀上表現(xiàn)為ZL101合金綜合力學性能得到提高。

（2）合金在-60℃拉伸溫度下的抗拉強度和屈服強度高于20℃，伸長率則相反。-60℃拉伸溫度下，合金拉伸斷口中撕裂嶺數(shù)目增多，出現(xiàn)了準解理斷裂特征。低溫環(huán)境下，位錯運動的短程阻力增加，所以ZL101合金強度得到提高。

（3）在合金中，微裂紋大部分以Si相斷裂的方式形成，合金承受拉應力時，拉伸產(chǎn)生的斷裂面沿著α-Al晶粒的邊緣，貫穿共晶區(qū)，在-60℃時裂紋擴展路徑比較曲折。與室溫下相比，在低溫環(huán)境下合金斷口附近的斷裂Si相數(shù)目增多，斷口附近位錯滑移帶數(shù)目減少且形態(tài)加深，合金塑性降低。

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