同步輻射高能X射線原位研究鋁硅合金的微觀力學(xué)行為.pdf

1、鋁硅合金是應(yīng)用最廣泛的鑄造系鋁合金，主要用于制造形狀復(fù)雜的中低強(qiáng)度的鑄件，并以質(zhì)輕、低膨脹系數(shù)和高耐蝕性能等特點(diǎn)在建筑和汽車行業(yè)備受青睞。眾所周知，材料在熱加工或機(jī)械加工的過程中，由于各相熱膨脹系數(shù)不同及材料各向異性等因素，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的變形。這一過程不可避免的引入了殘余應(yīng)力，最終嚴(yán)重影響材料的加工及其應(yīng)用，是造成材料過早失效甚至造成嚴(yán)重事故的一個主要原因。因此，明確材料的微觀應(yīng)力狀態(tài)及材料的微觀力學(xué)行為演化具有重要意義。<

2、br>　　目前關(guān)于鋁硅合金形變過程中的微觀力學(xué)行為分布及演化尚未見到報(bào)道，因此本論文以鋁硅共晶合金(Al-12.7％Si)為研究對象，并對其進(jìn)行了加熱至300℃后空冷、加熱至550℃保溫4小時(shí)、加熱至550℃保溫12小時(shí)三組不同的熱處理，以獲得不同的組織和性能并進(jìn)行對比分析。利用XRD衍射儀、金相顯微鏡、數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)對材料的基本性能進(jìn)行了評定。利用同步輻射高能X射線原位衍射技術(shù)，研究了鋁硅共晶合金在形變過程中平行和垂直于拉伸方向的

3、微觀力學(xué)行為特征及演化規(guī)律，從而得出以下主要結(jié)論:
　　物相分析結(jié)果顯示，三組熱處理狀態(tài)下的鋁硅合金均由面心立方的Al相和面心立方的Si相組成。
　　由顯微組織觀察可知，300℃熱處理后的Si顆粒呈長條的粒狀，加熱至550℃保溫4小時(shí)和加熱至550℃保溫12小時(shí)的樣品中的Si顆粒更為圓整。保溫4小時(shí)和保溫12小時(shí)對Si顆粒的形態(tài)影響不顯著。
　　力學(xué)性能測試結(jié)果表明，加熱至550℃保溫12小時(shí)的試樣的力學(xué)性能最優(yōu)，屈服

4、強(qiáng)度為83 MPa，抗拉強(qiáng)度為159 MPa，硬度平均值為59.4 HV，均高于另外兩組熱處理狀態(tài)的試樣。加熱至550℃保溫4小時(shí)的試樣的屈服強(qiáng)度77 MPa，抗拉強(qiáng)度為151 MPa，硬度平均值為58.8 HV;加熱至300℃后空冷的試樣屈服強(qiáng)度為76 MPa，抗拉強(qiáng)度為149MPa，硬度平均值為55.3 HV。三組熱處理的顯微硬度測試結(jié)果表明Al相的硬度約為45 HV，Si相的硬度約為70 HV。
　　觀察同步輻射原位拉伸的衍

5、射峰圖可以看到，拉伸對衍射峰的分布及強(qiáng)度影響不大。各晶面沿拉伸方向取向分布相對均勻，平行于試樣表面的多為Al(111)、Al(200)和Si(220)晶面;各晶面沿橫向取向分布差異較大，Al(111)和Al(220)晶面的強(qiáng)度很大，其余各晶面強(qiáng)度都較弱，由此可知，平行于試樣表面的多為Al(111)和Al(220)晶面。對于Si相而言，由于在合金中所占比例較少，因此，衍射峰的強(qiáng)度較弱。
　　通過對衍射峰強(qiáng)度的定量描述可知，形變對Si

6、(111)晶面、Al(200)晶面的晶粒取向影響較小;Al(111)和Si(220)晶面的衍射強(qiáng)度發(fā)生了變化，這表明材料在加載的過程中，內(nèi)部的晶粒由于受到外力的作用，發(fā)生了轉(zhuǎn)動，進(jìn)而取向發(fā)生了變化。我們觀察到Al(200)晶面呈鋸齒形的波動，推測可能出現(xiàn)了微孿晶，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，衍射強(qiáng)度的變化可能是由結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致。加熱至550℃保溫12小時(shí)試樣的Al(111)面衍射強(qiáng)度在應(yīng)力超過100MPa后有明顯的上升趨勢，這與衍射峰圖中的觀察結(jié)果

7、一致，這表明在進(jìn)入塑性變形階段后，一些晶粒向易發(fā)生滑移的(111)面發(fā)生了轉(zhuǎn)動。
　　研究點(diǎn)陣應(yīng)變曲線演化規(guī)律結(jié)果表明，熱處理對彈性衍射常數(shù)有一定的影響;進(jìn)入塑性階段，Al相晶面的應(yīng)力應(yīng)變曲線先發(fā)生屈服，均在宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服點(diǎn)以下，且進(jìn)入塑性變形階段后，隨著應(yīng)力的增加，Al相應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率出現(xiàn)了彎折回來的現(xiàn)象，可以理解為相的屈服，我們的觀點(diǎn)是彎折回來可能表明位錯突然進(jìn)入該相中，尚不穩(wěn)定，當(dāng)位錯穿越兩相界面時(shí)，應(yīng)力會在不同

8、取向晶粒間重新分配，包括通過橫向的約束作用，綜合效應(yīng)可能導(dǎo)致Al相較低的彈性應(yīng)變;Si相晶面的應(yīng)力應(yīng)變曲線為上凹曲線，且無明顯的屈服，曲線的拐點(diǎn)與宏觀的非線性起點(diǎn)一致，這表明Si顆粒在塑性變形過程中，承受了主要的載荷。外加應(yīng)力卸載后，Al相受到了殘余壓應(yīng)力，Si相受到了殘余拉應(yīng)力。
　　各晶面的半高寬隨外加載荷的增加變化不大，但呈鋸齒形波動。加熱至550℃保溫4小時(shí)的試樣的Al(200)晶面的半高寬隨著應(yīng)力的增加呈減少的趨勢，這是