SiC對(duì)ML174鋁合金組織及力學(xué)性能的影響

吳永杰，武玉英，胡家琨，李文博，劉相法

SiC對(duì)ML174鋁合金組織及力學(xué)性能的影響

吳永杰1，武玉英1，胡家琨2，李文博1，劉相法1

（1. 山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061； 2. 青島市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督研究院，山東 青島 266101）

改善ML174鋁合金組織，提高其力學(xué)性能。通過向ML174鋁合金中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiC，研究其對(duì)合金組織和性能的影響。SiC在ML174鋁合金中為形貌不規(guī)則的多邊形，多存在于Si相附近，且有少量團(tuán)聚現(xiàn)象。SiC粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，ML174鋁合金組織得到細(xì)化的效果最佳，共晶硅由較寬的條帶狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀，分布更為均勻彌散，初晶硅的數(shù)量增多，尺寸減小，力學(xué)性能也有較大的提高，未添加SiC的合金室溫抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為370 MPa和0.6%，與添加后結(jié)果（405 MPa，1.0%）相比，其室溫抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了9.5%和66.7%。SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)可以改善ML174鋁合金組織并有效提高其力學(xué)性能。

ML174鋁合金；SiC；組織；力學(xué)性能

近共晶成分鋁硅合金因其鑄造性能優(yōu)良、密度低、比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、耐磨性好等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于交通運(yùn)輸、航空航天、汽車制造等行業(yè)。ML174鋁合金是近共晶成分的典型代表，常被用作生產(chǎn)汽車或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞、缸蓋等材料[1—8]。合金組織中往往會(huì)出現(xiàn)Si相粗大的現(xiàn)象，使材料的性能降低，使用壽命下降。SiC作為一種陶瓷相，其密度低、抗蝕性和耐磨性好、強(qiáng)度高、與鋁的界面結(jié)合性好，在鋁基復(fù)合材料中作為增強(qiáng)體，來改善材料的組織和性能[9—15]。

目前SiC用于增強(qiáng)鋁合金材料的研究在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注，Yong Yang等[16]利用超聲波制造方法實(shí)現(xiàn)了納米碳化硅顆粒在A356鋁合金中均勻分布，得到了具有可再現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)良的大塊輕質(zhì)金屬復(fù)合材料；S. Nourouzi等[17]研究了溫度、時(shí)間和攪拌速率對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的SiC/A390鋁合金微觀組織、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響，在溫度為610 ℃、轉(zhuǎn)速為550 r/min和攪拌時(shí)間為20 min的條件下所得到的合金顆粒均勻性和力學(xué)性能最佳。韓夢(mèng)霞等[18]認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al-30Si-5SiC晶種合金對(duì)Al-18Si合金具有良好的細(xì)化效果，并且可提高初晶Si的形核率。文中以ML174鋁合金為基礎(chǔ)，通過加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiC（以Al-11Si-20SiC晶種合金為載體），研究SiC對(duì)該合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

所用原料為高純鋁錠（純度為99.99%，除特殊說明外，以下成分均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、高純硅（純度為99.99%）、高純銅（純度為99.99%）、工業(yè)純鎂（純度為99.97%）以及高純鎳（純度為99.98%）、SiC粒子（以Al-11SiC-20SiC晶種合金為載體）、Al-5P合金。使用5 kW的井式電阻爐中熔煉制備了ML174鋁合金。文中所用材料均由山東呂美熔體技術(shù)有限公司提供。ML174鋁合金成分見表1。

表1 ML174鋁合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Composition of ML174 aluminum alloy (mass fraction) %

先將純鋁放入電阻爐內(nèi)的坩堝中加熱，待純鋁熔化后依次加入Si，Cu，Ni，最后加Mg。所有合金元素完全熔化后，使用手持K型熱電偶對(duì)熔體進(jìn)行測(cè)溫，控制試驗(yàn)溫度。在熔體溫度為800 ℃時(shí)，對(duì)其進(jìn)行精煉處理。向熔體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的C2Cl6，除氣除渣，減少氣孔、縮松等缺陷。精煉過程完成后，再將其放入電阻爐中保溫，控制溫度在750 ℃，隨后添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的Al-5P合金，在爐中保溫30 min進(jìn)行變質(zhì)處理，最后添加SiC粒子保溫5 min后在拉伸試棒的鐵模具（澆鑄前模具預(yù)熱到270 ℃）中進(jìn)行澆鑄，得到拉伸試棒坯樣。設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)組，一組為ML174鋁合金原樣品，一組為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的SiC，一組為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的SiC，另一組為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的SiC。根據(jù)國標(biāo)要求，將毛坯件加工成如圖1所示的狗骨型拉伸試棒，余料用來觀察組織。使用KH2200型金相顯微鏡HSVM和SU-70熱場發(fā)射掃描電鏡對(duì)SiC和ML174鋁合金組織進(jìn)行觀察表征，用Rigaku D/max-R型X射線衍射儀對(duì)SiC進(jìn)行物相分析。對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試前需進(jìn)行T6熱處理，具體工藝為：520 ℃′2 h固溶+180 ℃′8 h時(shí)效，之后在WDW-100D型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試。

圖1 拉伸試棒示意

2 結(jié)果與分析

2.1 Al-11Si-20SiC相組成及顯微組織

圖2a表示了Al-11Si-20SiC晶種合金的X射線衍射圖譜，結(jié)合圖2d能譜分析可知該晶種合金由-Al基體、Si相以及SiC相組成。從低倍SEM照片圖2b中觀察可知，黑色的Si相與較為細(xì)小的SiC相在Al基體上相間分布，且SiC相的分布彌散均勻，在高倍的圖2c中觀察到SiC粒子在Si相附近聚集，其密集程度較無Si相區(qū)域高，SiC粒子尺寸為0.2～4 μm，大小不一，小顆粒較多，形狀呈不規(guī)則的多面體，棱角分明。

當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ右约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用[19]。Al-11Si-20SiC合金中SiC顆粒細(xì)小，彌散程度較高，當(dāng)其加入到ML174鋁合金中時(shí)，與位錯(cuò)間的交互作用對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙較大，使合金的變形抗力提高。

2.2 SiC對(duì)ML174鋁合金組織和性能的影響

圖3為ML174的金相組織照片。從圖3a觀察到，ML174鋁合金的顯微組織主要由深灰色塊狀的初晶硅相、灰色短棒狀的共晶硅相、亮白色的AlCuNi相以及白色的-Al基體等物相組成。從圖3a和b可以很明顯觀察到，未添加SiC和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的ML174鋁合金組織較為粗大，Si相分布較為離散。從圖3c和d來看，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的SiC后，ML174鋁合金組織得到了細(xì)化，Si相的密集程度明顯提高，當(dāng)添加SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，合金組織較前者有粗化趨勢(shì)。比較來看，未添加SiC和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的SiC后ML174鋁合金組織中初晶硅尺寸較大且數(shù)量較少，共晶硅呈較為寬大的條帶狀，SiC添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，合金中初晶硅增多且尺寸減小，共晶硅變?yōu)檩^為細(xì)小的短棒狀，而SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.5%時(shí)，初晶硅的數(shù)量減少，共晶硅的尺寸變大。

圖2 Al-11Si-20SiC顯微組織及XRD

圖3 ML174鋁合金及添加 SiC后的金相組織

為ML174的SEM見圖4。比較圖4a和b，結(jié)合點(diǎn)2和3的能譜，清楚看到SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，ML174鋁合金中初晶硅的數(shù)量分布較不添加的合金明顯增多且尺寸也減小，SiC粒子多存在于初晶硅附近，二者緊密連接，SiC粒子有聚集和團(tuán)聚現(xiàn)象，其周圍也存在少量的共晶硅。

圖4 ML174鋁合金SEM及能譜

結(jié)合圖3，認(rèn)為加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的SiC粒子對(duì)ML174鋁合金組織有較為明顯的改善，尤其是Si相。SiC粒子可以縮短共晶硅的長度，并細(xì)化該組織；同時(shí)SiC粒子可以抑制初晶硅的生長，減緩結(jié)晶潛熱的釋放，提高過冷度，促進(jìn)初晶硅的形核，使其數(shù)量增多。

對(duì)于ML174鋁合金的拉伸性能測(cè)試，拉伸曲線見圖5。ML174鋁合金原樣品的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為370 MPa和0.6%，SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，ML174鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率為350 MPa和0.5%，SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率為405 MPa和1.0%，而SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為370 MPa和0.8%。

SiC粒子以Al-11Si-20SiC晶種合金為載體加入到ML174鋁合金中，明顯提高了其力學(xué)性能，主要是因?yàn)橐韵路矫妗?/p>

1）SiC粒子的加入抑制了合金Si相的生長，同時(shí)改善了ML174鋁合金的組織形貌，細(xì)化了合金組織。由于合金組織得到細(xì)化，合金的晶粒尺寸變小，晶粒增多的同時(shí)晶界也增多。晶界對(duì)晶粒內(nèi)位錯(cuò)的滑移有阻礙作用，晶界的增加使位錯(cuò)滑移難度增加，合金的變形抗力提高。根據(jù)Hall-Petch公式[20]：

式中：0表示晶內(nèi)對(duì)變形的阻力是一常數(shù)；為與材料本身有關(guān)的常數(shù)；s為材料的屈服強(qiáng)度；為多晶體中各晶粒的平均直徑。材料的平均晶粒尺寸越小，其強(qiáng)度會(huì)越高。加入適量的SiC粒子后，ML174鋁合金的晶粒尺寸減小，晶界數(shù)量增多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙增加，強(qiáng)度提高；晶粒增多的同時(shí)變形均勻性得到提高，在其斷裂前可以承受更大的變形量，所以其塑性也有所提高。

2）ML174鋁合金經(jīng)過T6熱處理后，從鋁基體中析出(Al2Cu)，Mg2Si及Al3Ni等強(qiáng)化相，分布彌散。這些強(qiáng)化相的析出，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使ML174鋁合金的強(qiáng)度得到提高。根據(jù)Orowan強(qiáng)化機(jī)制[21]：

式中：表示基體的剪切模量；表示泊松比；為粒子間距；0為位錯(cuò)繞過粒子時(shí)所需要的切應(yīng)力；為粒子平均尺寸；f為粒子在基體中的體積分?jǐn)?shù)。隨著基體中粒子尺寸的減小及其體積分?jǐn)?shù)的增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需要的切應(yīng)力越大，運(yùn)動(dòng)越困難，即合金的強(qiáng)度提高。合金中強(qiáng)化相的尺寸越小，數(shù)目越多，對(duì)合金強(qiáng)化效果也越好。此外，SiC粒子作為常用的增強(qiáng)顆粒，其自身強(qiáng)度高，穩(wěn)定性也好，試驗(yàn)加入SiC粒子尺寸較為細(xì)?。?.2～4 μm），在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)也能發(fā)揮一定的阻礙作用，提高合金強(qiáng)度。

圖5 ML174鋁合金的抗拉曲線

ML174鋁合金斷口形貌見圖6。從圖6a和b的斷口相貌可以觀察到大量的解理面，幾乎沒有韌窩存在，合金呈現(xiàn)脆性斷裂的特點(diǎn)。未添加SiC的ML174鋁合金和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%后的合金都表現(xiàn)為脆性斷裂，這與斷口的表面形貌相一致。亮白色區(qū)域合金元素富集，在初晶硅和共晶硅處有明顯的穿晶斷裂特點(diǎn)。從圖6c中A區(qū)域的局部放大中看出，裂紋在初晶硅上延伸方向與應(yīng)力方向垂直，初晶硅內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為完整，能有效抑制二次裂紋的擴(kuò)展，另外在圖6b中也發(fā)現(xiàn)了SiC粒子的存在。添加SiC后的ML174鋁合金解理面數(shù)量減少且區(qū)域變小，又因其初晶硅含量增多，共晶硅尺寸減小且分布更為均勻，對(duì)阻礙裂紋傳播效果增強(qiáng)，故ML174鋁合金力學(xué)性能有明顯提高。

圖6 ML174鋁合金斷口形貌

3 結(jié)論

1）SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，對(duì)ML174鋁合金組織影響不大；當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，能夠抑制ML174鋁合金組織中Si相的生長，細(xì)化其組織，使共晶硅由寬大的條帶狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀，分散程度提高；初晶硅的生長減緩并能促進(jìn)形核，使其數(shù)量增多；而SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，ML174合金組織與添加1.0%的SiC相比，有粗化趨勢(shì)。

2）當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，ML174鋁合金的力學(xué)性能得到有效提高，其抗拉強(qiáng)度和伸長率均得到提高，抗拉強(qiáng)度提高約9.5%，伸長率提高尤為明顯，約為66.7%。

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Effect of SiC on the Microstructure and Mechanical Properties of ML174 Alloys

WU Yong-jie1, WU Yu-ying1, HU Jia-kun2, LI Wen-bo1, LIU Xiang-fa1

(1. Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials, Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. Qingdao Product Quality Supervision and Testing Research Institute, Qingdao 266101, China)

The purpose of this work is to improve the microstructure and mechanical properties of ML174 aluminum alloy. In this experiment, different mass fractions of SiC was added to ML174 aluminum alloy to study its effect on the microstructure and properties of the alloy. SiC is an irregular polygon in ML174 aluminum alloy, which mostly exists near the Si phase with a small amount of agglomeration. When the addition amount of SiC particles is 1.0%, the structure of ML174 aluminum alloy has the best refinement effect, the eutectic silicon changes from a wider strip to a small short rod shape, and the distribution is more evenly dispersed; the number of primary silicon increases and the size is reduced. The mechanical properties are also greatly improved. The tensile strength and elongation of the alloy under room temperature without SiC are 370 MPa and 0.6%, respectively, compared with the result after addition (405 MPa, 1.0%), both are increased 9.5% and 66.7%. When the addition amount of SiC is 1.0%, it can improve the structure of ML174 aluminum alloy and effectively improve its mechanical properties.

ML174 alloy; SiC; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.016

TG146.2

A

1674-6457(2021)03-0131-06

2021-01-23

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019GGX102013）

吳永杰（1995—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)楦邚?qiáng)韌鋁合金的制備及性能優(yōu)化。

武玉英（1982—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)殇X合金的強(qiáng)韌化、特種晶種合金的制備及金屬的液固相關(guān)性等。