稀土氧化物Nd2O3对亚共晶Al-Si-Cu合金组织和性能的影响

作     者：张振龙 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王金国

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：稀土氧化物 Nd2O3 Al-Si-Cu 合金 变质处理 

摘      要：亚共晶Al-Si-Cu合金由于具有较低的密度，较高的比强度和优良的铸造性能，目前正被广泛应用在航空航天和汽车等领域。亚共晶Al-Si-Cu合金中的共晶Si相在合金基体中以板片状的形态存在，会在基体中造成严重的应力集中，从而影响到合金的力学性能。因此，通过改变亚共晶Al-Si-Cu合金中的共晶Si形态来改善合金的力学性能成为了对亚共晶Al-Si-Cu合金研究的重点。 目前，主要采用变质处理的方法来改变共晶Si的形态，常用变质剂有Sr、Na等变质剂，这些变质剂在使用过程中存在一定的问题，如成本较高，变质时间较短等，因此有必要开发新的变质剂。稀土变质剂目前还处在研究阶段，但现有的研究结果表明，稀土对共晶Si同样有变质作用。本文通过实验不同种类的稀土氧化物，发现稀土氧化物NdO对亚共晶Al-Si-Cu合金中的共晶Si相有很好的变质作用。 本文研究了不同含量的NdO对亚共晶Al-Si-Cu合金的组织和性能的影响，发现随着NdO含量的增加，共晶Si相的变质效果逐渐变好，当NdO含量达到0.4wt.%时，变质效果最好，板片状共晶Si转变为纤维状，且变质效果均匀，常温和高温拉伸性能也达到最好，当NdO含量超过0.4wt.%时，开始出现过变质现象，合金中的共晶Si相开始呈现为细化的板片状，常温和高温拉伸性能也出现降低。 目前较为流行的共晶Si变质机理为杂质诱发孪晶(IIT)理论，该理论认为变质剂原子的加入改变了共晶Si的台阶生长方式，造成共晶Si中产生大量孪晶，共晶Si转而以孪晶凹谷机制(TPRE)生长。本文根据实验过程中发现的一些现象，在一定程度上解释了NdO对亚共晶Al-Si-Cu合金中共晶Si的变质机理。通过XRD分析发现，0.4wt.%变质以后的合金组成相中，只有共晶Si的(111)晶面发生左移，本文认为这是由于变质剂原子掺杂到Si晶体中造成的，即变质剂原子主要分布在共晶Si中;通过DSC分析发现，0.4wt.%变质以后的合金，其初生α-Al相的凝固点和Al-Si共晶反应点出现3℃左右的降低，本文认为NdO的加入，不仅改变了初生相的形核和生长过程，而且也改变了共晶Al-Si相的形核和生长过程，并且在0.4wt.%变质的共晶Si中发现了台阶生长的迹象。通过实验，本文得到了以下结论： 1)稀土氧化物NdO对亚共晶Al-Si-Cu合金中共晶Si有很好的变质效果。当NdO含量达到0.4wt.%时，变质效果最好，共晶Si转化成纤维状结构，且变质效果均匀，继续增加NdO含量，出现过变质现象，共晶Si呈细化了的板片状结构。 2)0.4wt.%NdO变质处理后的亚共晶Al-Si-Cu合金，其初生α-Al相的凝固点和Al-Si共晶反应点出现3℃左右的降低，这种过冷度的提高使更多共晶核心在共晶区域内独立形核，且独立形核的共晶组织中，共晶Si有包围共晶Al生长的趋势，并且在0.2wt.%和0.4wt.%NdO变质处理的共晶Si上发现了台阶生长的迹象，变质后的共晶Si仍然在一定程度上按台阶机制生长;更多独立核心的形成，共晶Si包围共晶Al生长和孪晶的产生，使各向异性的Si晶体更散乱的生长，各晶粒的融合形成不同的分枝结构，造成了纤维状共晶Si的形成。 3) NdO对亚共晶Al-Si-Cu合金的变质作用，对合金常温拉伸性能和高温拉伸性能都有一定程度的影响，在一定程度上提高了合金抗拉强度和延伸率。