铝合金半固态铸造微观组织及力学性能的影响研究

Cu 含量对Al-7.0Si-xCu-0.5Mg铝合金半固态铸造微观组织及力学性能的影响研究

摘要：

半固态铸造通过改变合金的微观组织可提高Al-Si-Cu-Mg铸造合金的强度和韧性。以Al-7.0Si-xCu-0.5Mg（x=0、1、2）铸造合金为研究对象，探讨了Cu含量对合金微观组织和力学性能的影响，比较了半固态铸造和重力铸造下合金的微观组织及力学性能的差异。结果表明，半固态铸造合金晶粒和晶界第二相得到细化，Cu元素的溶解扩散促进了时效过程中纳米强化相的析出，提高了合金强度。Cu添加量的提高使时效过程中纳米强化相数量增加，提高了合金的屈服强度和抗拉强度，但伸长率小幅下降。对于相同Cu含量的合金，半固态铸造合金因缩孔较少，组织致密性较好，具有比重力铸造合金更好的屈服强度、抗拉强度和伸长率。

主要结果：

组织细化： 半固态铸造使α-Al晶粒呈球状，晶界第二相细化；Cu含量增加（0→2%）促进晶粒球化，但过量Cu（2%）导致晶粒粗化。

固溶处理： 半固态合金经495°C×5h+525°C×4h固溶后，强化相充分回溶；重力铸造合金残留未溶θ-Al₂Cu和Q相。

时效强化： 170°C时效下，Cu含量增加使峰值硬度从117.7HV升至154.9HV，但时效时间延长（12→22h）。

力学性能：

半固态铸造合金优于重力铸造：抗拉强度（379→421MPa）、屈服强度（299→317MPa）随Cu增加而提升，伸长率从7.5%降至6.8%。

强化机制：Cu增加Q'（Al₅Cu₂Mg₈Si₆）和θ'（Al₂Cu）相密度，尺寸细化至2.8nm，通过切过机制强化位错运动。

结论节选：

半固态Al-7.0Si-xCu-0.5Mg铸造合金微观组织中初生α-Al晶粒呈球状且分布均匀。随着Cu含量的增加，晶粒尺寸和形貌影响不大，但是晶界第二相的种类和数量有所增加。

半固态Al-7.0Si-xCu-0.5Mg铸造合金经固溶处理后，共晶Si发生了球化，强化相基本回溶到α-Al基体中，相比之下常规重力铸造合金仍存在未回溶的含Cu相。

对半固态Al-7.0Si-xCu-0.5Mg铸造合金进行170°C人工时效，试验合金的强度随着Cu含量的增加而增加，但伸长率则降低，随着Cu含量的提高，合金的峰值硬度从117.73HV提高到154.92HV，但是峰值时效时间则从12h增加到22h；峰值时效态抗拉强度从379MPa提高到421MPa；屈服强度从299MPa提高到317MPa，但是伸长率从7.5%下降到6.8%。

0Cu合金的主要强化相为β''相，1.0Cu、2.0Cu合金的主要强化相为Q'相和θ'相，Cu含量的增加有利于增加切过机制下析出相的数量密度，增加析出相的体积分数，减小析出相的半径，提高合金的力学性能。