基于布氏硬度的A356.2铝合金屈服强度预测研究

2022-10-17董国疆沈艳芝张亦杰刘宏磊

模具技术 2022年4期

吴玲，董国疆，沈艳芝，张亦杰,刘宏磊，

(1. 燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004；2. 中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛 066011)

0 引言

A356.2铝合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，是一种具有优秀的综合性能的铸造铝合金。它不仅具有很好的铸造性能(流动性好、线收缩小、无热裂倾向)，可铸造薄壁和形状复杂的铸件，而且通过热处理可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性的理想综合性能，因此成为了汽车铸造铝轮毂的首选材质[1]。其中，屈服强度作为材料由弹性变形阶段进入塑性变形阶段的标志，是材料性能评估的重要指标之一。目前，材料的屈服强度是通过试样的拉伸性能获取的，其结果获取周期较长。如果研发一种屈服强度的快速检测技术，将为企业产品的热处理质量快速评估提供重要参考。

对于A356.2合金而言，硅在α-Al中的固溶度为0.5%～1.2%,由于硅的固溶产生的屈服强度增加为2～3 MPa。关于Al-Mg-Si合金的强化机理, 合金的脱溶序列为过饱和α固溶体→GP区→β ″相→β′相→β相,当形成GP区时,GP区与基体在边界附近产生弹性应变, 阻碍了位错运动,提高了合金的强度;随着时效时间的延长,GP区迅速长大成针状或棒状即为β″相,其C轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大,它的弹性应力也最高,当β″相长大到一定的尺寸,它的应力场遍布整个基体,应变区几乎相连,此时合金的强度较高;在β″相的基础上,Mg、 Si原子进一步富集形成局部共格的β′过渡相,其周围基体的弹性应变达到最大值,强度有所下降; 当形成稳定的β相时,失去了与基体的共格关系,共格应变消失,强度相应有所下降。因此,合金强度的变化应主要归因于其沉淀析出相之间的转变[2]。目前，这一方法仅被许多学者应用于新材料开发时的热处理工艺优化。

热处理后屈服强度提高的机理是Mg2Si相(β)的析出强化。其热处理工艺主要包括固溶与时效两个阶段。固溶阶段是将铝合金在低于固相线以下的温度进行保温，目的是将Mg2Si固态扩散至α-Al中，通过快速淬火形成过饱和的α-Al固溶体；随后的时效处理是在低温下形成纳米β″强化相，通过析出强化机制提高材料的强度。研究表明，纳米β″强化相析出在提升铝合金强度的同时，其硬度也随之提高。因此，可以通过材料硬度的变化来定性判断强度的高低。由于析出相的尺寸和数量与化学成份密切相关，很难形成统一的准确预测模型。

本研究针对化学成份已定的A356.2铝合金，在即定的固溶工艺前提下，研究不同时效处理工艺对材料硬度、屈服强度的影响。通过对其微观组织与实验数据的分析，建立硬度与屈服强度的关系模型，从而为基于硬度值的材料屈服强度预测提供参考。

1 A356.2铝合金成份及组织特征

A356.2铝合金成份如表1所示，主要的合金元素成份为Si和Mg。放大200倍下观察金相组织，铸造状态下，Si以块状或短杆状的共晶硅和Mg2Si的形态存在，Mg主要是形成粗大的Mg2Si相，如图1(a)所示。热处理后，共晶硅相被球化成点状或蠕虫状，如图1(b)所示，粗大的Mg2Si相被固溶进α-Al后再重新时效析出成纳米β″(Mg5Si9)强化相。为了更微观地观察，放大400倍观察金相组织，如图2(a)， 2(b)所示。