Al-Si合金宏觀晶粒的尺寸突變與結(jié)構演化

1、Vol.36 No.3March 2 0 0 0第36卷第3期2 0 0 0年3月ACTA METALLURGICA SINICAVol.36 No.3March 2 0 0 0A十觀曲鑼制齊廣慧劉相法J邊秀房（山東工業(yè)大學材料薜與工帝學院液態(tài)金屬及遺傳工程研究所,濟南250061）摘 要 4：文硏究了 Al-Si合金宏觀晶悅尺寸與含Si址的關蘇及結(jié)構演化規(guī)律.結(jié)果表明：宏諷品粒尺寸隨含Si址增加呈峰谷變化.即在3%Si（SHtt分數(shù).卩冋）左右達到谷底，柱共品點（12%Si）附近達到峰值：未變険共晶Al-Si兮金的宏觀咼權尺寸與死A1相近.Al-Si合金宏觀晶粒的結(jié)構陶含Si置增加發(fā)生演化、

2、其演化過慳為：單一 a-Al 以a-Al為中心外圍被共晶團環(huán)繞單一共晶團組紐初生Si吿技心.周圍環(huán)a-Al及共晶團的三層組織結(jié)構 變質(zhì)Ab Si合金的延伸率也呈現(xiàn)出峰谷變化規(guī)組 井且在共品點附近其力學性能達到了峰值. 關誼詞AkSi仟金.結(jié)構滇色 中圖法分類號TG113.12: TG1寸.力學性能A號 0412-1961 (2000)03 -0225-05THE SUDDEN SIZECHANGE AND STRUCTURE EVOLUVol.36 No.3March 2 0 0 0TION RULE OF THE MACRO-GRAINS OF Al-Si ALLOYSQI Guanghui

3、, LIU Xiangfa. BIAN XiufanglnAtitut4 of Liquid Metals and Heredity Engineering. College of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology、Jinan 250061Correspondent: LIU Xiangfar professor, Tel: (0531)2955081-2319f E-mail：xfliudms.sdut. Manuscript received 1999-07-23, in revised

4、 form 1999-11-17ABSTRACT The sudden size change and structure evolution rule of the macro-grains of Al-Si alloys with increasing Si content were studied It was found that the macro-grain sizes change suddenly in the form of peak-valley, that is, tha macro-grain sizes are in the valley whn Si content

5、 is near 3 % (mass fraction) and at the peak value near the eutectic point (near 12%). the macro-grain sizes of unmodified eutectic Al-Si alloy arc coarse almost as that of pure aluminum. It was also found that with increasing Si content the structures of the macro-grains are gradually evolving and

6、the process of evolution can be described as single a-Al* a-Al surrounded by eutecticsingle eutectic cell* primary Si crystals surrounded orderly by a-A! and eutectic With Si increasing, the ductility variation rule of modified Al- Si alloys also has the form of peak-valley, and the mechanical prope

7、rties reach peak values near the eutectic point.KEY WORDS Al-Si alloy, macro-grain size, structure evolution mechanical propertyVol.36 No.3March 2 0 0 0Vol.36 No.3March 2 0 0 0已對Al-Si合金的微觀組織進行了大量研究目 的是通過控制微觀組織獲得所需的力學性能籌：但關于AI- Si合金宏觀組織方面的研究少見報道NI.然而.宏觀組織對 于博件的力學性能、耐燭性能、使用性能和表面質(zhì)量將會產(chǎn)生 重要的影響，這就要求在控制鑄件微

8、觀組織的同時也要控制 其宏觀組織以提高鑄件質(zhì)瑩.本文著重對Al-Si合金宏觀晶 粒的尺寸突變及結(jié)構演代規(guī)律進行了研究.并研究了 Al-Si 合金的力學性能及宏觀晶粒的尺寸對力學性能的影響.收到初稿日期：19994）7.23,收到修改稿日期：199411-17 作祥簡介：齊廣總.男.1976年生、碩士生1實驗方法用5 kW井式塔堀電阻爐熔煉.將99.85%的工業(yè)純 A1, 99%的結(jié)晶Si在800 C下重熔肓配制.Si含瑩（質(zhì)量 分數(shù).,下同）為 1. 2, 3, 5, 7, 9, 9.5, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 20的一系列Al-Si合金，分別在過熱度100 C時澆注

9、 KBI環(huán)模試樣【叫并對含Si盤為3, 5, 7, 9. 11,12, 13, 14. 16的合金分別在過熱120 C時加入0.5%的A18Sr變質(zhì)30 min,對A）-12Si在過熱120 13時加入0.5%的A18Sr進行 孌質(zhì)、細化（加入2%的A15TilB）妊合處理30 min,然后 在此溫度下澆注KBI環(huán)模試樣及拉伸試棒（金屬型），所有 KBI環(huán)模試樣均用王水廣蝕下表面.然后用線切割法同測 瑩其宏觀品粒尺寸，用INSPRON8502變液何服疲勞試驗 3期齊廣慧等:Al Si合金宏觀品粒的尺寸突變與結(jié)構演化1227機上測量延伸率和抗拉強度.2實驗結(jié)果及分析2.1 Al-Si合金宏觀晶粒

10、的尺寸變化與結(jié)構演化10E Bayg UFeGOJues4681012141618Mass fraction of Si. %圖1 Al-Si合金含Si At與宏觀品粒艮寸的關系Fig.l Relation between the macro-grain 62e and Si content of Al-Si al.oygS 2 Al-Si合金的宏現(xiàn)離片 Fif(2 Macrographs of Al-Si alloys(a) pure Al (b) Al-3%Si (c) Al12%Si(d) AP17%Si由圖1及圖2可知：純A1晶粒尺寸最大.隨含Si址 増加，宏觀晶粒尺寸迅速減小.在含S

11、i址為3%時達到谷 底；其后、隨含Si星増加、宏觀晶粒尺寸逐漸增大、至共晶 點附近(12%Si左右)達到峰值、共晶Al-Si合金的宏觀晶 粒尺寸與純A1相近：然宕過共晶Al-Si合金再次出現(xiàn)隨含Si雖增加晶粒尺寸逐漸減小的趙勢.Sr變質(zhì)Al-Si合金 的宏觀晶粒尺寸也呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律.純金屬A1的均勻形核所需過冷度達到130 t.雖然 實際禱造中.液態(tài)金屬的凝固總是以非均勻形核方式進行， 形孩率較之均勻形核大大提髙.但由于冷卻速度慢及純A1 結(jié)晶潛熱大.過冷度小.晶核生成數(shù)目少凝固過程中晶粒 能夠充分長大，形成粗人:的晶粒由Al-Si二元相圖可知，平衡條件下結(jié)品時，Si在A1 中的固溶度為1

12、.65%.由于實際凝固為非平衡凝固.結(jié)晶時 會形成過幗和固溶體，固涪度會有所增大.可達3%立右. 由于固溶體屬單相合金.因此可以用成分過冷來解釋.成分 過冷公式為罔兀一如(l-e說冷-氐= (T!-7)(1-e-x)-GLr式中：:Z；為成分過冷值：加為溶質(zhì)平衡分配系數(shù)：Co 為原始濃度：m為液相線斜率；R為界面的生長速度； D為溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)：T為合金液距固液界面的 距離；右，近為液相、固相平衡溫度：G.為結(jié)晶界面液 相一側(cè)的溫度梯度.往相同條件下.成分過冷取決于合金的結(jié)晶溫度范國 （耳一遲），在固涪點以前合金的結(jié)晶溫度范國隨含Si雖增加迅速增大，因此成分過冷度也呈線性增加.而強成分

13、 過冷能強化熔體內(nèi)部的非均質(zhì)形核，最終使合金的形核率隨 含Si量增加迅速增大、晶粒尺寸急劇減小.此時合金的宏 觀晶粒是以a-Al為輪廓的.亞共晶成分Al-Si合金凝固時、a-Al為初晶相.隨a- A1的不斷析出.剩余合金液達到共晶成分 共晶組織將依附 在初晶相上長大由于共晶轉(zhuǎn)變時Si為先導相.Si晶核容 易得到Si原子而長大成連續(xù)的片狀Si,共晶組織內(nèi)兩固相 合作長大、最終形成以初晶O-A1為核心的共晶胞團（圖3）, 即宏觀上的晶粒.含Si凰低時.初晶相a-Al生成的晶孩校 多.合金液達到共晶成分時，有很多以初品a-A1為核心的 共晶胞団同時長大.致使共晶胞團長大不充分、晶粒細小. 含Si量較

14、高時、共晶成分較多.初晶a-Al生成的晶核較 少.共晶胞團長大充分.所以隨含Si呈增加.以初晶a-Al 為核心的共晶胞團形成的宏觀晶粒會變得越來越粗大.S 3交質(zhì)后Al-9%Si臺金的顯微紐織Fig.3 Microstructure of modified A)-9%Si alloy共晶成分的Al-Si合金大致在恒溫卜-結(jié)品.非平衡 凝固時其凝固速度仍較為緩慢.過冷度較小、形核率小.晶 體能充分氏大.形成的粗大晶粒與純A1相近.但由于多量 異質(zhì)元素及凝固組織結(jié)晶潛熱的差異.其晶粒尺寸仍小于純 A1的晶粒尺寸.在共晶溫度下領先相Si獨立地在液相中氏 大.之后第二相依附于領先相形核.當兩固相同時存

15、在時， 共品的兩相即按共同“合作”的方式同時進行長大.形成共 品團胞&%在旅品團內(nèi)部，兩相互相連接在一起.排列非 常紊亂.這是由于非金屬Si只能在某些方向上長大.當一 個板狀Si晶休由于缺乏Si原子供應而停止長大時.它可以 通過孳生將長大方向改變到Si原子富集區(qū)從而產(chǎn)生板狀Si 晶體的分枝.最終形成的共晶組織中的板狀Si在一個品粒 中是連在一起的，及宏觀晶粒正是以連續(xù)板狀Si為骨架、 且其中分布普a-Al的共晶團胞.但金相試樣中看不到連續(xù) 板狀Si（圖4）.圖4A）-12%Si顯做組織Fig,4 Microstructure of AL-12%Si alloy過共晶成分的Al-Si臺金結(jié)晶時.

16、在過冷度達到形核 條件時將先形成初生Si晶核.隨溫度降低.Si晶核不斷 長大.使其周圍局部區(qū)域貧Si而析出少展壞繞初晶Si的 a-Al,隨后冏圍合金液達到共晶成分并開始共晶轉(zhuǎn)變.此時 共晶組織是農(nóng)附在a-Al上長大的.即過共品成分Al-Si合 金的宏觀晶粒是以初生Si為孩心.周圍環(huán)a-Al從共晶團 胞的三層結(jié)構（圖5）.隨Si含址增加.初生Si數(shù)址迅速增 加.適宜過度F同時生成很多品核.因此形成的宏觀晶粒 逐漸減小.Al-Si合金宏觀晶粒結(jié)構演化過程可用圖6喪 示.2.2 Al-Si合金力學性能及分析a-Al是軟韌相.Si是硬脆相.在Al-Si -元合金中. 便脆相是榛嵌在a-Al相中的.隨含

17、Si鈕的增加、梵抗拉強 度逐漸提高.延伸率逐漸下降.然而.Al-Si合金的延伸率 并沒有隨含Si址的堆加一克下降.而是在含Si堂超過9% 時.隨含Si童的增加逐漸提高.并在共晶點附近（12%Si左 右）達到峰值（圖7）.對此.作者認為影晌Al-Si二元合金 力學性能的因素主要有兩卜：一是相組成及相形態(tài)；二是組 織均勻程度.單晶體是組織均勻度最高的晶體.而對于多晶 體.組織均勻度是指組織組成物的均勻分布程度.當成分 定時，組織均勻度越高.其力學性能及加工性能越好.通常 所進行的晶粒細化、變質(zhì)處理、快速凝固、時效處理尊都在 某種程度匕提高了 Al-Si合金的組織均勻度.使粗大、硬脆 的組織更細小.

18、分布更加均勻、彌散、從而獲得良好的力學 性能.Jl-Si合金的延伸率之所以出現(xiàn)這種變化.正是受到 組織均勻度的影響.亞共晶成分的Al-Si合金，相結(jié)構為共8B7 ASi合金力學性能曲線Fig.7 Curves of the mechanical properties of AI-S5 alloysS 5過共晶Al-Si合金的顯微組統(tǒng)Fig-5 Microstructures of hpereutcctic Al-Si alloys (a) unmodified A1-20%Si (b) modified Al-16%Siffi 6 Al-Si合金宏觀晶社結(jié)構演代過程示危圖Fig.6 The s

19、tructure evolving process of the macro-grains for Al -Si alloys(a) slid solution (b) hypoeutectic Al-Si alloys (c) eutectic AUS alloys (d) hypereutectic Al-Si alloys晶組織環(huán)a Ai釣雙層結(jié)構，隨著含Si疑的增加.其組織 均勻度發(fā)生由高到低，然后又逐漸增高的變化.含Si雖高 于9%的AFSi合金組織均勻度逐漸提高，在共晶點附近英 組織為單-的共晶團、組織均勻度達到峰值，所以在共晶點 附近表現(xiàn)岀了良好的力學性能，英延伸率和抗拉強度均達

20、到 峰值.此后.Al-Si二元合金達到過共晶成分.其組織是以 初生Si為核心、周圍環(huán)a-Al及共晶團的三層結(jié)構.初晶 Si的出現(xiàn)，由于在其尖角處造成應力集中使過共晶Al-Si 合金的力學性能呈現(xiàn)隨含Si雖增加而逐漸下降的趨勢.實驗中還發(fā)現(xiàn)共晶A1-12SI合金在變質(zhì)的同時加入2% 的A15T訂B可以減小其宏觀晶粒尺寸，使延伸率和抗拉強 度分別由 13.5%. 227.29 MPa 提高到 14.9% 232.50 MPa. 可見，宏觀晶粒尺寸對英力學性能有一定影響.由上可知.經(jīng)變質(zhì)后的Al-Si合金在井晶點附近力學性 能達到峰值.而且Al-Si合金在共晶點附近具有良好的痔造 能和切削加工性能(

21、叭綜合性能達到了最佳點.這正是 共晶Al-Si合金得到廣泛應用的原因.3結(jié)論(1) Al-Si合金宏觀晶粒尺寸隨含Si量增加而發(fā)生峰 3期齊廣慧等：Al-Si合金宏觀晶粒的尺寸突變與結(jié)構演化229谷變化.隨含Si量増加.宏觀晶粒尺4迅速減小.在含Si 量為3%時達到谷底；其后,隨含Si量增加，宏觀晶粒尺 寸又逐漸增大.至共晶成分(12% Si左右)晶粒尺寸達到峰 值：過共晶Al-Si合金再次出現(xiàn)隨含Si量増加晶粒尺寸逐 漸減小的趨勢.(2) Al-Si合金隨含Si鈕堆加，宏觀晶粒依次呈現(xiàn)：單 一 a-Al-共品團環(huán)繞a-Al-單一共晶團組織-初生Si 被a-Al及共晶組織環(huán)繞的結(jié)構演變.(3)

22、 變質(zhì)后的Al-Si合金.延伸率隨Si含呈變化呈現(xiàn) 峰谷變化規(guī)律.在共晶點附近力學性能達到峰值.宏觀晶粒 尺寸對其力學性能有一定影響.共晶APSi合金的綜合性能 指標達到了最佳點.參考文獻1 Shamsuzzoha Hogan L M , Brishanea Berry J T. AFS Trans. 1992; 93(154): 999 Wang W M. PhD Dissertation Shandong University of Tech nology, 1998(王偉艮.山東工業(yè)大學博士學位論文，1998)3 Crcpcau P N. APS Trans. 1995; 103: 3tl4 Tronche A. Gliria A, Gruzeski J E. Int J Cat Mel ffes. 1998. 11: 2115 Farrior G M, Brallhart D C. Burl