氢与夹杂对铝合金的组织与性能的影响

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本论文采用数值模拟、测氢分析、拉伸实验、热模拟压缩实验、疲劳实验、光学显微镜、扫描电镜、能谱分析等手段,研究了熔炼工艺参数和合金元素对铝合金中氢含量和夹杂物的影响,氢含量和夹杂物含量的关系,气孔和夹杂的尺寸对两种铝合金力学性能的影响。数值模拟结果表明,当初始氢含量低于O.1ml/100g时,才能对产生气孔的区域造成影响;冷却方式越慢,先后凝固区域内的气孔体积分数相差越大;低的初始氢含量、较快的冷却速度、较慢的上表面冷却和较少的合金元素均有利于降低铸锭中的氢含量。铸造过程中夹杂的运动是由于熔体对夹杂的粘着力、浮力和重力共同作用的结果。夹杂密度大于熔体密度,夹杂下沉,小于则上浮,接近则随机分布于铸锭中;夹杂上浮或下沉程度随夹杂等效直径增加而增加;但当夹杂的等效直径小于5μm或形状因子小于0.1时,主要受熔体粘着力作用而随机分布于铸锭中;冷却越快,夹杂上浮或下沉程度越大。随着环境相对湿度的增加和熔体温度的升高,减压试样的密度降低而铝熔体中氢含量增加;随着熔体质量的增加,减压试样的密度增加而熔体氢含量降低;随着精炼时间的增加,铝熔体中氢含量不断地减少;相同熔炼条件下,冷却速度越大,氢含量越低。1050合金铸锭中气孔面积分数由铸锭顶部的0.116%降低到3/4高度处的0.032%,底部则增加至0.086%。在同一横截面上,边部气孔明显少于心部。6063合金铸锭中大气孔的形状不规则,平均尺寸为50μm~100μm,分布在枝晶界和三叉晶界处;小气孔呈圆形,平均尺寸为10μm~20μm,在晶界和晶内均有分布。6063合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率都随试样气孔面积分数的升高而降低。应变硬化指数n值随变形温度的升高而降低,拉伸断口观察表明,尺寸大于200μm的气孔是导致断裂的主要因素,而小于100阻的气孔对断裂的影响不显著。在25-C-500℃、应变速率为0.01s-1~1Os-1下进行热模拟实验,流变应力随温度的升高而降低,随应变速率的增加而升高。且在同一变形温度、同一应变速率下,小气孔试样流变应力要大于大气孔试样。小气孔试样的本构方程为:ε=1.09677×1010[sinh(0.0091σ)]6.52738exp[-111.9083×103/(RT)]大气孔试样的本构方程为:ε=5.38×105[sinh(0.029038σ)]3.44613exp[-96.1032×103/(RT)]疲劳实验及断口观察表明,裂纹主要在试样表面的气孔处萌生,水冷铜模铸锭试样断口表面气孔尺寸较大(50μm~200μm),严重影响试样的疲劳性能;半连续铸锭试样断口表面气孔尺寸较小(<30μm),对试样的疲劳性能影响较小。1050和6063合金中的主要夹杂物为MgO和A1203,其周围常伴随有气孔。夹杂物含量增加会引起氢含量的相应增加,当熔体中的夹杂含量多时,夹杂易于团聚,且组织较为疏松。采用传统定量金相法和热碱深腐蚀法同样可以评价铝合金中的氧化物夹杂的面积分数;但定量金相法获得的结果中除了氧化物外还有A1FeSi相,且对试样表面要求较高;采用热碱深腐蚀法获得的结果基本为氧化物夹杂,且试样制备简单,将为生产实践中夹杂物检测提供一种便捷有效的方法。6063合金中夹杂主要分布在铸锭的顶部和底部,而中心部位的夹杂含量较低。从拉伸结果和断口分析可知,小夹杂对合金应变硬化指数和拉伸性能的影响不明显,当尺寸大于20μm的夹杂位于试样表面处易成为断裂源,而尺寸小于10μm的夹杂对合金的拉伸断裂行为影响不大。
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