陶瓷颗粒对alsi系铸造铝合金微观组织与性能的影响【字数：10646】
摘 要本文系统探索了在不同凝固条件下，SiC和TiC两种陶瓷颗粒对Al-Si合金组织结构和性能的影响，并通过热处理工艺研究陶瓷颗粒在细化Al-Si合金微观组织过程中的作用机制，揭示陶瓷颗粒增强体对铸造铝合金的显微组织及机械性能的影响规律，以期为复合材料的开发提供指导。本文采用普通铸造的方法，先后浇铸了在不同凝固条件下的耐热Al-Si合金铸件；并在此基础上对合金做进一步的均匀化及固溶时效处理，研究在经过热处理之后的Al-Si合金的微观组织结构和力学性能的变化。在对陶瓷颗粒增强的Al-Si合金的组织与普通Al-Si合金的组织进行对比发现，Al-Si合金在陶瓷颗粒的作用下，有了明显的细化效果；添加了陶瓷颗粒的合金枝晶结构比未添加陶瓷颗粒的合金枝晶结构要小很多，且晶粒也没有那么粗大。其中第二相主要以粒状或束状分布在晶界处，除此之外，还有一些很少的网状第二相分布在基体内。在对热处理过后的Al-Si合金的组织和性能与未热处理的合金组织进行对比发现， Al-Si合金组织在经过固溶时效处理之后，组织变得更加细小，第二相在分布上也更加均匀，但也更加分散；固溶处理后的晶界要比铸态的晶界连续性更差，分布更加弥散；晶粒明显细化，枝晶结构明显没有那么粗大。固溶时效处理过后的Al-Si合金的硬度也出现了下降。
目录
1. 绪论 1
1.1 选题背景与意义 1
1.2 铝及铝合金的晶粒细化 2
1.2.1 细化剂的发展 2
1.2.2 细化机理 2
1.3 陶瓷颗粒对铝合金晶粒细化机理的研究现状 4
1.3.1 细化效果 4
1.3.2 强化机理 4
1.4 主要研究内容 5
2. 实验部分 6
2.1 实验材料及设备 6
2.2试验样品制备及热处理工艺 7
2.2.1 AlSi合金制备工艺 7
2.2.2 热处理工艺 7
2.3材料表征与性能测试 8
2.3.1金相试样制备方法及光学显微镜（OM）表征 8
2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）检测 8
2.3.3 X射线衍射分析（XRD） 8
2.3.4 硬度测试 8 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.4 技术路线 9
3. 陶瓷颗粒对铝硅合金显微组织的影响 10
3.1 陶瓷颗粒对AlSi合金的组织结构的影响 10
3.1.1 对材料的微观组织分析 10
3.1.2 对材料的第二相组织分析 15
3.2 冷却速度对AlSi合金的组织结构的影响 17
3.3热处理对铝硅合金组织和性能的影响 19
3.3.1热处理对AlSi合金微观组织的影响 19
3.3.2热处理在不同条件下对AlSi 合金硬度的影响 21
4. 结论 23
参考文献 24
致谢 26
1. 绪论
1.1 选题背景与意义
随着21世纪航空航天、石油化工、汽车等工业的迅猛发展，人们对于有色金属合金有了更加强劲的需求。例如在交通运输工业中，为了提高承载能力和速度，需要高强度、低密度的材料。据统计，轻金属占飞机制造所用金属材料总重量的95%以上[1]。因此，铸造铝合金等轻金属以其原料丰富、价格低廉、研究透彻、适用性强、实用性强等优点，逐渐占据了结构材料在主流交通工具中的重要地位[2]。
铸造铝合金是指不经过任何后续加工，经熔炼、铸造而成的铝合金。铸造铝合金可制成复杂零件，广泛应用于航空工业和民用工业[3]。但铸造铝合金也有自己的缺点,比如其组织粗大且分布不均,往往出现偏析、气孔、夹杂和疏松，塑性和强度一般低于变形耐热铝合金[4]。
因此，无法同时获得铸铝合金的强度和韧性是一个普遍存在的问题[5]。许多研究者都提出了一些研究和过程方法，来同时提高铸造铝合金的强度和韧性，如细化晶粒[6]，熔体净化[7]，热处理[8]，添加外来增强颗粒[9]等。其中，添加了外来增强颗粒的铸造铝合金由于具有各向同性、材料成型容易控制、成本低廉和制备方法简单等优点，受到了广泛关注[10]。尤其是以陶瓷颗粒作为增强体制得的铝基复合材料，具有高比模量、高比强度、低密度、低膨胀、耐磨性好、高阻尼且成本较低等多方面优良特性，经过不断的发展，成为颗粒增强金属基复合材料的主流开发对象[11]。
由于铸造铝合金的枝晶结构对其强度和韧性有重要影响，因此陶瓷颗粒的孕育处理是一种能有效改变枝晶结构的增韧方法。其中有研究表明，当超细陶瓷颗粒与晶体具有界面共格关系时，陶瓷颗粒能有效促进铸铝合金凝固过程中的成核和晶粒细化[12]。但是研究人员对于陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备工艺仍需进一步的探索和优化，对于陶瓷颗粒的作用机制和影响因素仍然需要做进一步的研究。
本文通过分析不同种类的陶瓷颗粒和热处理方法对AlSi合金枝晶结构和性能的影响，研究不同陶瓷颗粒和热处理方法对AlSi合金组织结构的变化，揭示陶瓷颗粒增强体对铸造铝合金的显微组织及机械性能的影响规律，从而对上述问题进行探讨，为复合材料的开发提供指导。
1.2 铝及铝合金的晶粒细化
1.2.1 细化剂的发展
晶粒细化剂供应工业的发展历史可追溯至二次世界大战后铝工业开始大发展时期[13]，距今已经有80多年的历史了。
40和50年代,人们使用主要元素为TiB2的盐块剂或盐熔剂作为晶粒细化剂，虽然能够达到晶粒细化的效果,但并不可控,效果不稳定，生产率较低。
60年代随着技术的发展，开始出现了锭状AlTi细化剂，随后又出现了更有效的锭状AlTiB细化剂。
70年代人们又生产出了丝状AlTiB细化剂。这在极大地提高了细化效果的同时，也减少了加入量。
到了80年代,晶粒细化剂开始朝着改善细化效果和接触时间的研究方向发展。不同钛硼比的晶粒细化剂也开始出现，研究人员在此阶段开发出新的合金的Ti/B比包括:5/1,5/0.5,5/0.2和3/1,3/0.5,3/0.2,3/0.1以及无硼的6%Ti[14] 。
时至今日,AlTiB晶粒细化剂已经具有更强的细化能力、更高纯净度和一致性,但硼化物聚集的问题仍然未得到解决。
1.2.2 细化机理
虽然晶粒细化剂已经在一些工业领域运用的比较成熟， 但是晶粒细化机理却一直没有能够得到完整的解释。而对细化机理的认识，将有助于细化剂的开发及铝合金组织的控制。经过几十年的发展，目前，被科学家所认可的关于细化剂的理论主要有：包晶理论、碳化物/ 硼化物理论和复相形核理论等。
目录
1. 绪论 1
1.1 选题背景与意义 1
1.2 铝及铝合金的晶粒细化 2
1.2.1 细化剂的发展 2
1.2.2 细化机理 2
1.3 陶瓷颗粒对铝合金晶粒细化机理的研究现状 4
1.3.1 细化效果 4
1.3.2 强化机理 4
1.4 主要研究内容 5
2. 实验部分 6
2.1 实验材料及设备 6
2.2试验样品制备及热处理工艺 7
2.2.1 AlSi合金制备工艺 7
2.2.2 热处理工艺 7
2.3材料表征与性能测试 8
2.3.1金相试样制备方法及光学显微镜（OM）表征 8
2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）检测 8
2.3.3 X射线衍射分析（XRD） 8
2.3.4 硬度测试 8 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.4 技术路线 9
3. 陶瓷颗粒对铝硅合金显微组织的影响 10
3.1 陶瓷颗粒对AlSi合金的组织结构的影响 10
3.1.1 对材料的微观组织分析 10
3.1.2 对材料的第二相组织分析 15
3.2 冷却速度对AlSi合金的组织结构的影响 17
3.3热处理对铝硅合金组织和性能的影响 19
3.3.1热处理对AlSi合金微观组织的影响 19
3.3.2热处理在不同条件下对AlSi 合金硬度的影响 21
4. 结论 23
参考文献 24
致谢 26
1. 绪论
1.1 选题背景与意义
随着21世纪航空航天、石油化工、汽车等工业的迅猛发展，人们对于有色金属合金有了更加强劲的需求。例如在交通运输工业中，为了提高承载能力和速度，需要高强度、低密度的材料。据统计，轻金属占飞机制造所用金属材料总重量的95%以上[1]。因此，铸造铝合金等轻金属以其原料丰富、价格低廉、研究透彻、适用性强、实用性强等优点，逐渐占据了结构材料在主流交通工具中的重要地位[2]。
铸造铝合金是指不经过任何后续加工，经熔炼、铸造而成的铝合金。铸造铝合金可制成复杂零件，广泛应用于航空工业和民用工业[3]。但铸造铝合金也有自己的缺点,比如其组织粗大且分布不均,往往出现偏析、气孔、夹杂和疏松，塑性和强度一般低于变形耐热铝合金[4]。
因此，无法同时获得铸铝合金的强度和韧性是一个普遍存在的问题[5]。许多研究者都提出了一些研究和过程方法，来同时提高铸造铝合金的强度和韧性，如细化晶粒[6]，熔体净化[7]，热处理[8]，添加外来增强颗粒[9]等。其中，添加了外来增强颗粒的铸造铝合金由于具有各向同性、材料成型容易控制、成本低廉和制备方法简单等优点，受到了广泛关注[10]。尤其是以陶瓷颗粒作为增强体制得的铝基复合材料，具有高比模量、高比强度、低密度、低膨胀、耐磨性好、高阻尼且成本较低等多方面优良特性，经过不断的发展，成为颗粒增强金属基复合材料的主流开发对象[11]。
由于铸造铝合金的枝晶结构对其强度和韧性有重要影响，因此陶瓷颗粒的孕育处理是一种能有效改变枝晶结构的增韧方法。其中有研究表明，当超细陶瓷颗粒与晶体具有界面共格关系时，陶瓷颗粒能有效促进铸铝合金凝固过程中的成核和晶粒细化[12]。但是研究人员对于陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备工艺仍需进一步的探索和优化，对于陶瓷颗粒的作用机制和影响因素仍然需要做进一步的研究。
本文通过分析不同种类的陶瓷颗粒和热处理方法对AlSi合金枝晶结构和性能的影响，研究不同陶瓷颗粒和热处理方法对AlSi合金组织结构的变化，揭示陶瓷颗粒增强体对铸造铝合金的显微组织及机械性能的影响规律，从而对上述问题进行探讨，为复合材料的开发提供指导。
1.2 铝及铝合金的晶粒细化
1.2.1 细化剂的发展
晶粒细化剂供应工业的发展历史可追溯至二次世界大战后铝工业开始大发展时期[13]，距今已经有80多年的历史了。
40和50年代,人们使用主要元素为TiB2的盐块剂或盐熔剂作为晶粒细化剂，虽然能够达到晶粒细化的效果,但并不可控,效果不稳定，生产率较低。
60年代随着技术的发展，开始出现了锭状AlTi细化剂，随后又出现了更有效的锭状AlTiB细化剂。
70年代人们又生产出了丝状AlTiB细化剂。这在极大地提高了细化效果的同时，也减少了加入量。
到了80年代,晶粒细化剂开始朝着改善细化效果和接触时间的研究方向发展。不同钛硼比的晶粒细化剂也开始出现，研究人员在此阶段开发出新的合金的Ti/B比包括:5/1,5/0.5,5/0.2和3/1,3/0.5,3/0.2,3/0.1以及无硼的6%Ti[14] 。
时至今日,AlTiB晶粒细化剂已经具有更强的细化能力、更高纯净度和一致性,但硼化物聚集的问题仍然未得到解决。
1.2.2 细化机理
虽然晶粒细化剂已经在一些工业领域运用的比较成熟， 但是晶粒细化机理却一直没有能够得到完整的解释。而对细化机理的认识，将有助于细化剂的开发及铝合金组织的控制。经过几十年的发展，目前，被科学家所认可的关于细化剂的理论主要有：包晶理论、碳化物/ 硼化物理论和复相形核理论等。
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