Zr基非晶合金对A356铝合金晶粒细化的行为研究

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A356合金是铝合金轮毂行业应用最广泛的铸造合金,但合金中存在粗大的晶粒和针片状的共晶硅,导致合金的力学性能下降,严重的制约了合金的应用。添加细化剂进行细化晶粒是最有效的改善合金的力学性能的措施。然而,现今工业生产应用的Al-5Ti-1B中间合金细化效果不够理想,不能满足企业的要求。因此急需寻找一种新型的细化剂,能够细化A356合金的晶粒,提高合金的强韧性,解决企业的难题。本文制备出一系列的Zr基非晶态合金细化剂,研究其对A356合金的细化效果。采用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)、EDS能谱、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、差热分析仪(DSC)等分析测试手段,对试样进行表征分析,研究其细化机理;采用万能试验机和维氏硬度计对细化后的合金的力学性能进行研究。本文的研究结果如下:(一)由于非晶合金的多组元性,增加Al的金属间化合物形成的几率;非晶合金的随机密堆结构被破坏,合金成分偏离共晶点,这些原子间较强的作用力反而会促进形核;多组元的存在促进了系统熵增,增加了固液界面能,同时局部液体粘度的增加抑制了原子的长程扩散,抑制了晶体的进一步长大,从而达到晶粒细化的效果;(二)试样中(Ti1-x Zrx)Al3包围TiAl3相生长,互不分离,有明显的渐变过渡区,且(Ti1-x Zrx)Al3相中Zr含量较低。其晶格常数与TiAl3的很接近,仍能够有效促进α-Al形核;(三)Zr元素与Al结合形成Al3Zr原子团在一定温度和浓度下,减少形核功,形成晶核,这样就增加了非均质形核的核心,起到细化晶粒的作用;Al3Zr颗粒对位错、晶界等晶体缺陷的钉扎作用,使得合金的形变强化效果显著增强;(四)Zr56Co22Al16Ag6非晶条带细化处理预加Al-Ti-B细化剂的A356铝合金可显著提高合金的力学性能,添加量为0.4wt%,保温时间为10 min时,相比于未添加细化剂,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了7.0%、3.3%和64.4%;(五)纯A356中添加0.4wt%Zr56Co22Al16Ag6非晶条带的铸态组织晶粒进一步细化,抗拉强度为319.46 MPa,屈服强度为264.03 MPa,伸长率为4%,相比于未添加合金细化剂的A356铝合金,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了9.16%、3.16%和89.57%。
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