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ZL205A铸件低压铸造热裂形成的微观机制及预测判据

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ZL205A铸件低压铸造热裂形成的微观机制及预测判据

作者：王明杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高强铸造铝合金ZL205A因其优异的性能而被广泛应用于国家支柱行业中,但在低压铸造过程中总会出现不同程度的热裂缺陷,尤以筒形铸件最为严重。可见筒形铸件作为一类常见的铸件类型,其特殊的几何特征为热裂缺陷的产生创造了有利条件,因此... 详细信息

高强铸造铝合金ZL205A因其优异的性能而被广泛应用于国家支柱行业中,但在低压铸造过程中总会出现不同程度的热裂缺陷,尤以筒形铸件最为严重。可见筒形铸件作为一类常见的铸件类型,其特殊的几何特征为热裂缺陷的产生创造了有利条件,因此研究筒形铸件的热裂缺陷,对于明确铸件几何特征对铸造缺陷的影响规律具有重要意义,为工程师在铸件几何特征上寻找铸造缺陷的控制方法具有实际指导性意义。基于数值模拟技术研究了筒形铸件几何特征与凝固过程中应力场的变化规律,发现受阻因子能表征筒形铸件在凝固过程中的受阻情况,筒形铸件最大有效应力随着受阻因子的减小而逐渐增加,当受阻因子为0.0784时,筒形铸件立筒中心位置最大有效应力达到130.96MPa。筒形铸件的模数表征筒形铸件的凝固时间和补缩情况,筒形铸件最大有效应力随着模数的增加逐渐减小,当模数为22.7273mm时,筒形铸件最大有效应力仅为25.42MPa。基于低压铸造浇注实验,研究了低压铸造工艺参数对筒形铸件热裂形成特征的影响,发现筒形铸件热裂纹长度随着增压压力的增加,呈现出先减小后增大的趋势,热裂倾向最大的区域在立筒区和内外冷铁区,其中横向裂纹由于轴向拉应力所致,纵向裂纹为径向拉应力所致。砂芯强度对筒形铸件热裂行为具有显著影响,热裂纹长度随着砂型强度的增加,逐渐增大,使用呋喃树脂砂芯能够显著降低筒形铸件的热裂倾向。基于分子动力学方法研究了ZL205A合金在原子尺度的热裂微观机理,发现高温下合金体系中均匀分布的无序结构在应力作用下不断运动、聚集,并萌生于局部原子应力和原子能量相对较大的位置,在拉应力作用下沿着与拉伸应力垂直的方向进行扩展,应力诱发周围的有序原子会在应力的作用下迅速向无序原子转变,直至合金体系断裂失效为止。通过低压浇注实验初步建立了包含筒形铸件几何特征和工艺特征的ZL205A合金筒形铸件热裂信息数据库,利用BP神经元网络对影响筒形铸件热裂行为的多元非线性因素进行拟合,建立了基于数据驱动的ZL205A筒形铸件热裂预测判据,通过筒形铸件实际信息对预测判据进行验证,均方误差为32.538。

关键词： ZL205A合金筒形铸件低压铸造热裂机理预测判据

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AM50-Nd铸造镁合金热裂行为研究

AM50-Nd铸造镁合金热裂行为研究

作者：李慧沈阳工业大学

学位级别：硕士

镁合金凭借其低密度、较高的比刚度,良好的铸造性能被公认为轻型环保金属材料,如今广泛应用于航空航天事业,汽车领域,3C产品及医疗器材方面。但由于镁合金凝固区间较宽,在铸造过程中易形成热裂纹而降低铸件的性能,限制了它在重工业方面... 详细信息

镁合金凭借其低密度、较高的比刚度,良好的铸造性能被公认为轻型环保金属材料,如今广泛应用于航空航天事业,汽车领域,3C产品及医疗器材方面。但由于镁合金凝固区间较宽,在铸造过程中易形成热裂纹而降低铸件的性能,限制了它在重工业方面的发展,因此对镁合金热裂行为的研究有着重要的意义。AM50作为Mg-Al-Mn系列镁合金的一种,拥有优良的韧性、塑性及抗冲击能力,应用范围广,但存在耐热性差等问题。含稀土镁合金由于具有较高高温力学性能,以及优良的抗蠕变性能等优点,近年来被广泛的应用于新型耐热镁合金的研究中。特别是Nd作为稀土元素的一种,具有细化晶粒,改善合金组织等优点,对于新型镁合金AM50-Nd,其推广应用尚需对该合金诸如热裂敏感性等进行更深了解。为此,本论文通过Clyne和Davies的理论模型对AM50-Nd镁合金以及AZ91镁合金的热裂敏感性进行预测,采用“T”字形热裂模具进行浇注实验,通过石蜡熔融法测得AM50-Nd系合金裂纹体积。通过A/D转换,使用计算机采集AM50-Nd系合金凝固过程中的温度以及收缩应力信号数据,作出进一步的处理并绘制曲线,确定了合金产生热裂的时间和温度。借助X射线衍射仪和扫描电镜对合金第二相进行检测分析并观察断口处热裂纹的显微组织。探讨了合金凝固最后阶段固相分数,凝固温度区间特征以及合金脆弱区域凝固温度变化对AM50-Nd合金热裂敏感性的影响,并将AM50镁合金与传统的AZ91镁合金进行了对比。理论预测与试验结果均表明,AM50-Nd镁合金和AZ91镁合金热裂敏感性系数(C SC)的顺序为:AZ91热裂敏感性比AZ91高,AM50合金中加入Nd后热裂敏感性提高,并且热裂敏感性随Nd含量增加而提高,AM50-4wt.%Nd镁合金的热裂敏感性最大。AM50-Nd镁合金热裂纹发生的主要热裂机理有液膜理论、凝固收缩补偿理论和晶间搭桥理论。随着Nd含量的增加,凝固时共晶液相降低,液膜的强度降低,流动性变差,承受凝固收缩应力的能力变弱而使热裂敏感性升高。AZ91、AM50镁合金在凝固末期剩余的液相分数较多,能够及时对裂纹进行补缩,使裂纹愈合。并且会以晶间搭桥的方式,增大枝晶间的结合力,降低合金的热裂倾向性。

关键词： AM50-Nd合金热裂敏感性收缩应力凝固曲线热裂机理

La对Al-Cu-Mg合金组织性能及热裂影响

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La对Al-Cu-Mg合金组织性能及热裂影响

作者：刘建沈阳工业大学

学位级别：硕士

Al-Cu-Mg系合金在室温和高温下都具有良好的综合性能,一直备受瞩目。但由于Al-Cu-Mg系合金热裂倾向严重,一直限制其在工业生产上的应用和发展。为降低Al-Cu-Mg系合金的热裂倾向,国内外的学者们分别从不同方面进行了许多实验探索。研究... 详细信息

Al-Cu-Mg系合金在室温和高温下都具有良好的综合性能,一直备受瞩目。但由于Al-Cu-Mg系合金热裂倾向严重,一直限制其在工业生产上的应用和发展。为降低Al-Cu-Mg系合金的热裂倾向,国内外的学者们分别从不同方面进行了许多实验探索。研究表明稀土元素能有效降低Al-Cu-Mg系合金的热裂倾向。本文通过研究稀土元素La对Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr合金热裂倾向的影响,并针对热裂的形成机理,探讨La元素的作用机制。通过临界直径法和热敏感系数来表征合金的热裂倾向。研究表明,随着La元素的加入合金的晶粒尺寸呈先减小后增加的趋势,未添加La元素时,合金晶粒表现为粗大的树枝晶,晶界处有连续粗大的网格状第二相分布;当La元素加入量为0.4%时,合金的晶粒形态变为等轴晶,晶界处的粗大网格状第二相开始变得不连续,有亮白色新相生成。对于Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-xLa合金,其热敏感系数Hsc随La元素的加入呈先减小后增加的趋势。未添加La元素时,合金的热裂倾向最高,热敏感系数为1.64;当La元素加入量为0.4%时,合金的热裂倾向最低,热敏感系数为1.05。三种热裂纹形成机理即晶间搭桥理论、液膜理论和凝固补偿理论对于Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-xLa合金同时存在。当稀土元素La加入量小于0.3%时,合金的热裂机理主要为晶间搭桥理论;当稀土元素La加入量大于等于0.3%时,合金的热裂机理主要为液膜理论和凝固收缩补偿理论共同作用。对于Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-xLa合金的热裂抗性,最优La元素的加入量为0.4%。此时,相比于未添加La元素的Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr合金,其抗拉强度从173MPa增加到258MPa,伸长率由7.3%增加到8.6%。为改善Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.4La合金的综合力学性能,扩大其在实际生产中的应用,本文对Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.4La合金热处理工艺进行探究。研究了双极均匀化处理工艺、固溶时间和时效时间对合金组织性能的影响。结果表明,对于Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.4La合金的最优热处理工艺为:双级均匀化处理350℃×8h+480℃×16h,固溶处理490±2℃×80min,然后185℃±2℃×12h人工时效处理。合金经热处理后抗拉强度和硬度都大幅度增加,分别由258MPa增加到498MPa、85HV增加到164HV,但合金的伸长率有所下降,从8.6%降低到6.9%。

关键词： Al-Cu-Mg系合金稀土元素La 热裂机理热处理工艺

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两种镁合金热裂行为研究

两种镁合金热裂行为研究

作者：秦佳明沈阳工业大学

学位级别：硕士

镁合金作为一种轻型环保金属材料,由于密度低、比强度高、卓越的液态成型性能等一系列优点,在航空航天、汽车、电子信息等领域得到了广泛的应用。但由于镁合金在铸造过程中易形成热裂纹而降低了铸件的性能。热裂纹的出现限制了镁合金产... 详细信息

镁合金作为一种轻型环保金属材料,由于密度低、比强度高、卓越的液态成型性能等一系列优点,在航空航天、汽车、电子信息等领域得到了广泛的应用。但由于镁合金在铸造过程中易形成热裂纹而降低了铸件的性能。热裂纹的出现限制了镁合金产品的发展。因此对镁合金热裂行为的研究具有重要的意义和实用价值。稀土元素由于具有细化晶粒,改善合金的组织等优点,被广泛的应用在镁合金中,用于提高其室温和高温力学性能,以及其抗蠕变性能。EW75镁合金作为一种新研发的稀土镁合金具有很好的高温力学性能,ZK60镁合金是ZK系镁合金中强度最高的,但EW75和ZK60镁合金都易在铸造过程中形成热裂纹。本论文通过Clyne和Davies的理论模型对EW75和ZK60镁合金的热裂敏感性进行了预测,利用金相显微镜和扫描电镜对热裂区域的组织进行了观察。研究了不同模具温度和浇注温度下合金的热裂行为,并将实验结果与常用的铸造镁合金AZ91的热裂行为进行了比较。实验结果表明,EW75、ZK60和AZ91镁合金热裂敏感性系数(CSC)大小的关系为:AZ91热裂敏感性最大,AZ91镁合金的热裂敏感性最小,理论预测预结果与实验结果相符。通过对不同模具温度和浇注温度下的铸件裂纹体积的比较可知随着模具温度和浇注温度的提高,合金的热裂敏感性逐渐降低。EW75镁合金热裂纹的发生符合液膜理论、凝固收缩补偿理论和晶间搭桥理论。液膜的强度不足以抵抗凝固收缩应力,在收缩应力的作用下液膜发生撕裂形成裂纹,但EW75镁合金在凝固末期剩余的液相分数较ZK60镁合金多,能够及时的对裂纹进行补缩使裂纹愈合。并且会有晶间搭桥出现,增大枝晶间的结合力,降低合金的热裂倾向性。ZK60镁合金的脆弱区域的温度区间ΔTC较大,枝晶比较粗大,凝固末期剩余的液相分数少,分离的枝晶得不到很好的补缩是其形成热裂纹的主要原因。AZ91镁合金的热裂倾向性低是由于其凝固温度区间和脆弱区域的温度区间都较窄,并且在凝固末期剩余的液相多,能够很好的对裂纹进行填充,使裂纹愈合。

关键词：镁合金热裂行为热裂敏感性系数热裂机理

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试论砂型铸钢件热裂纹的成因与对策

铸造工程 2020年第5期44卷 4-10页

作者：徐贵宝中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州213011

从铸型的导热性、退让性、溃散性、界面反应性等方面,阐述了水玻璃砂和树脂砂等典型自硬砂的工艺特性及其对铸钢件热裂纹的影响。分析了热裂的形成机理,认为裹携夹杂物的双层膜是裂纹源,当收缩应力大于金属枝晶骨架的抗拉强度时,裂纹源... 详细信息

从铸型的导热性、退让性、溃散性、界面反应性等方面,阐述了水玻璃砂和树脂砂等典型自硬砂的工艺特性及其对铸钢件热裂纹的影响。分析了热裂的形成机理,认为裹携夹杂物的双层膜是裂纹源,当收缩应力大于金属枝晶骨架的抗拉强度时,裂纹源扩张和撕裂,如果得不到钢液的补缩使之弥合,最终形成热裂纹。探讨了铸钢件的热裂敏感性,薄壁铸钢件对热裂非常敏感,必须有针对性地采取工艺措施,才能有效地解决裂纹问题。提出了解决热裂的一般途径:减少收缩约束、降低表面夹杂、调整凝固顺序、避免局部过热和集中变形是防止热裂纹的总体思路;采取改善浇注系统、减少氧化卷入,加强冒口补缩、减少收缩应变,合理布局冷铁、细化组织晶粒等方案是解决裂纹的有效措施。

关键词：铸钢件砂型特性热裂机理对策

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铸造Al合金热裂性能的研究进展

铸造Al合金热裂性能的研究进展