高強(qiáng)韌壓鑄Al-Mg-Si-Mn合金的疲勞行為及腐蝕性能研究.pdf

1、壓力鑄造作為一種高效的近凈成形方法，可以用于制造大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。然而，壓鑄過(guò)程中金屬液的高速填充導(dǎo)致鑄件內(nèi)部存在大量氣孔缺陷，直接降低鑄件的塑性及抗疲勞性能，因此，壓鑄件通常無(wú)法用作高性能受力結(jié)構(gòu)件。為了提高鑄件力學(xué)性能，高真空壓鑄技術(shù)和高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金得以開(kāi)發(fā)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于壓鑄鋁合金的研究主要集中在流動(dòng)性較好的Al-Si，Al-Si-Mg和Al-Si-Cu合金，而對(duì)可以用于制造高受力結(jié)構(gòu)件的壓鑄Al-Mg-Si合金的研究則相對(duì)匱

2、乏。AlMg5Si2Mn合金具有良好的塑性和耐腐蝕性,便于回收利用,且適用于大型零件的壓鑄生產(chǎn)，孔隙率低,具有良好的應(yīng)用前景。針對(duì)上述情況，本文對(duì)壓鑄AlMg5Si2Mn合金的微觀組織、靜態(tài)力學(xué)性能、疲勞性能和耐腐蝕性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究和深入探索。
　　較詳細(xì)研究了壓力鑄造AlMg5Si2Mn合金的微觀組織和力學(xué)性能,重點(diǎn)研究了鎂含量、時(shí)效處理以及真空壓鑄工藝對(duì)合金力學(xué)性能的影響，深入探討了該合金的斷裂機(jī)理。研究表明壓力鑄造AlMg

3、5Si2Mn合金的微觀組織主要包括α-Al晶粒，[Al+Mg2Si]共晶區(qū)以及Al15(Fe，Mn)3Si2相。壓鑄試樣的力學(xué)性能明顯高于重力金屬型試樣的力學(xué)性能，合金拉伸斷口上存在大量解理臺(tái)階。隨著合金中鎂含量從5.5％提高到7.2％，合金的抗拉強(qiáng)度在320MPa附近波動(dòng)，屈服強(qiáng)度從189MPa上升到202MPa，伸長(zhǎng)率則從8.31％下降到4.5％。合金在250℃下進(jìn)行時(shí)效處理后，屈服強(qiáng)度和布氏硬度有所提高，而伸長(zhǎng)率則隨著時(shí)效時(shí)間的延

4、長(zhǎng)逐漸降低。真空輔助壓鑄工藝略微提高了合金的力學(xué)性能。
　　首次探索壓鑄AlMg5Si2Mn合金的疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展行為，系統(tǒng)研究了鎂含量、載荷比、時(shí)效處理和鹽液腐蝕環(huán)境（3.5％NaCl溶液）對(duì)于合金的疲勞壽命的影響規(guī)律，闡明了合金在不同試驗(yàn)條件下疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理，通過(guò)裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)得出合金的裂紋擴(kuò)展速率的基本參數(shù)。疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)合金的鎂含量的從4.5％提高到7.2％，疲勞極限從54MPa提高至75MPa，時(shí)

5、效處理對(duì)合金的疲勞強(qiáng)度影響比較小,載荷比r=-1的疲勞壽命明顯高于r=0試樣，鹽液腐蝕環(huán)境（3.5％NaCl溶液）對(duì)于合金的疲勞壽命有明顯的不利影響，導(dǎo)致疲勞極限從75MPa降低到45MPa。壓鑄試樣的疲勞裂紋多半起源于表面和近表面的孔洞缺陷、氧化夾雜物以及宏觀塑性變形區(qū)，在裂紋擴(kuò)展區(qū)域出現(xiàn)明顯的塑性疲勞輝紋和撕裂棱。壓鑄試樣的疲勞壽命明顯高于重力金屬型試樣。合金腐蝕疲勞斷裂主要是由應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂作用所致，陽(yáng)極滑移溶解以及表面塑性變形是疲

6、勞裂紋萌生的主要機(jī)理。裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果表明，壓鑄AlMg5Si2Mn合金裂紋擴(kuò)展速率曲線中的穩(wěn)步擴(kuò)展直線段斜率及y軸截距分別為m和lgC,其中裂紋擴(kuò)展速率指數(shù)m=5.756~5.874,裂紋擴(kuò)展速率系數(shù)C=2.421×10-10~4.285×10-9,表明該合金裂紋擴(kuò)展速率低于常用的壓鑄Al-Si-Mg合金。真空壓鑄工藝略微降低裂紋擴(kuò)展速率，但是對(duì)整體疲勞壽命的影響不明顯。
　　深入研究了AlMg5Si2Mn合金的壓力鑄造和重

7、力金屬型試樣的耐腐蝕性，對(duì)比兩組試樣的晶間腐蝕傾向和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，探討了微觀組織對(duì)于AlMg5Si2Mn合金耐腐蝕性能的影響以及合金的腐蝕機(jī)理。電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，壓鑄試樣和金屬型試樣的自腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位分別約為-1220mV,-690mV和-1250mV,-760mV，最大腐蝕深度以及重量損失分別為130μm、62mg/cm3和365μm、220mg/cm3，表明合金具有明顯的晶間腐蝕傾向，且壓鑄試樣的耐腐蝕性優(yōu)于金屬型試

8、樣，腐蝕表面上的晶界位置觀察到大量的點(diǎn)蝕坑以及富硅區(qū)。
　　利用AlMg5Si2Mn合金壓鑄生產(chǎn)的后副車(chē)架零件的結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)表明，零件的關(guān)鍵位置在相應(yīng)試驗(yàn)載荷下可以承受超過(guò)20萬(wàn)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞失效，該零件在各個(gè)試驗(yàn)位置均能夠滿足相關(guān)性能要求。后副車(chē)架的本體力學(xué)性能達(dá)到260MPa，150MPa和6.2％，滿足性能要求（Rm≥240MPa、R0.2≥145MPa、伸長(zhǎng)率≥6％）。因此，壓鑄AlMg5Si2Mn合金可以用于制造大尺