不同Cu、Mg元素含量及Cu/Mg对Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能的影响

摘要

在高Cu/Mg的Al-Cu-Mg合金中添加微量的Ag元素，能使合金形成一种尺寸细小、分布均匀的Ω相，从而能够提高合金的时效硬化能力、热稳定性和高温蠕变性能。本文在Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag耐热铝合金的基础上，用传统的铸锭冶金法制备铝合金铸锭，制得不同Cu、Mg元素含量及Cu/Mg的铸锭，利用硬度测试、室温拉伸测试、高温蠕变测试、金相显微镜、扫描电镜、差热扫描量热(DSC)等实验分析手段，研究不同Cu、Mg元素含量及Cu/Mg对Al-Cu-Mg-Ag合金室温及高温性能的影响。
　　铸态Al-Cu-Mg-Ag合金晶间存在较大的成分偏析，Cu元素主要在晶界上偏析为Al2Cu相，铸态合金DSC曲线的三个明显的吸热峰分别对应着合金中Mg-Ag原子团簇的形成，Al2Cu+α-Al共晶体的熔化以及α-Al基体的熔化。铸锭经510℃×24h均匀化处理后，合金的枝晶偏析消除明显，晶内成分趋于均匀。
　　在Cu/Mg不变时，合金的室温抗拉强度和硬度随着Cu、Mg的含量增加而大幅升高，延伸率略有下降。Cu含量不变时，合金的抗拉强度和硬度随着Cu/Mg的升高略有下降，延伸率升高。Mg含量不变时，合金的抗拉强度和硬度随着Cu/Mg的升高大幅升高，延伸率无明显变化。通过对室温拉伸断口形貌的观察，发现合金的断裂形式为混合断裂，随着合金中Cu元素和Mg元素的增多，脆性断裂增多，韧性断裂减少，由韧性断裂为主转变为脆性断裂为主。
　　不同成分的合金，双级时效处理优于单级时效处理，室温抗拉强度最多可提高10％左右。其中，Cu/Mg=8，成分为Al-6Cu-0.75Mg-0.4Ag的合金强度最高，经175℃×2h+170℃×16h双级时效处理后，室温抗拉强度为514MPa，经185℃×8h单级时效处理的室温抗拉强度为460MPa。
　　在相同条件下，Cu/Mg=13，成分为Al-6Cu-0.45Mg-0.4Ag的合金的蠕变速率最慢，220MPa、200℃时，为6.68×107mm/s，高温热稳定性最佳。蠕变速率(ε)在蠕变温度T为160～220℃、加载应力σ为220～300MPa时，蠕变本构方程为(ε)=7.27×10-9σ6.93exp（-126800J/mol/R·T），蠕变激活能Q=126.8kJ/mol。
　　综合实验结果表明，Cu/Mg=13，合金的成分为Al-6Cu-0.45Mg-0.4Ag，时效处理制度为195℃×1h+170℃×8h的双级时效，其综合性能最好，室温抗拉强度为499MPa，延伸率为16.47％，且能够在180℃以下的工作环境中长时间工作。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 耐热铝合金的发展应用及研究现状

1．2．1 铸造耐热铝合金

1．2．2 变形铝耐热合金

1．2．3 新型耐热铝合金

1．3 Al-Cu-Mg-Ag系合金的研究进展

1．3．1 Al-Cu-Mg-Ag系合金的成分及其作用

1．3．2 Al-Cu-Mg-Ag系合金的强化机制

1．3．3 Al-Cu-Mg-Ag系合金提高耐热性的方法

1．4 Al-Cu-Mg(-Ag)系合金的沉淀相特征

1．4．1 Al-Cu-Mg三元合金的主要沉淀相

1．4．2 Al-Cu-Mg-Ag系合金中的主要沉淀相

1．5 Ω相的研究进展

1．5．1 Ω相的成分和结构

1．5．2 Ω相的析出过程

1．6 研究目的和主要内容

2 材料制备及试验方法

2．1 制备工艺技术路线

2．2 合金成分设计

2．3 试验方法

2．3．1 熔炼与铸造

2．3．2 材料的热处理工艺

2．4 材料的测试方法

2．4．1 材料的硬度测试

2．4．2 拉伸性能测试

2．4．3 蠕变性能测试

2．5 样品组织观察及能谱分析

2．5．1 金相组织观察

2．5．2 差热扫描量热分析(DSC)

2．5．3 扫描电镜分析(SEM)

3 热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金的影响

3．1 铸态合金的组织及其性能

3．2 对铸态合金的DSC分析

3．3 均匀化处理对Al-Cu-Mg-Ag合金的影响

3．4 时效制度对合金性能的影响

3．4．1 正交实验结果分析

3．4．2 试样断口形貌分析

3．4．3 验证正交实验结果

3．5 不同Cu、Mg含量及Cu／Mg对Al-Cu-Mg-Ag合金影响的分析

3．6 本章小结

4 Al-Cu-Mg-Ag合金蠕变研究

4．1 金属的高温蠕变

4．2 不同成分合金的高温蠕变行为

4．3 Al-6Cu-0．45Mg-0．4Ag合金蠕变研究

4．3．1 蠕变速率与温度的关系

4．3．2 蠕变速率与应力的关系

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

致谢