Cu、Mg及时效工艺对铸造g合金组织和力学性能的影响.pdf

哈尔滨理工大学材料与化工硕士学位论文

Cu、Mg及时效工艺对铸造Al-Si-Cu-Mg合金组织和

力学性能的影响

摘要

铸造Al-Si合金因其轻质高强、易加工以及铸造性能优异等特点，被广泛

应用于汽车、航空、航天以及国防等工业领域中。然而，传统铸造Al-Si合金

因其较低的室温强度以及高温性能的大幅度衰减，严重制约了其在相关行业中

的大范围应用。为了拓宽合金的应用场景，在二元Al-Si合金的基础上，单独

加入Mg元素制备出Al-Si-Mg合金。然而，该合金的室温性能仍然较差，且未

形成耐热相，在高温环境中的应用依然受限。因此，在Al-Si合金中同时引入

Cu、Mg元素，制备了铸造Al-Si-Cu-Mg合金。Cu、Mg元素可以在合金中形成

θ-AlCu相和Q-AlCuMgSi相，促进合金综合力学性能的提升，合金中的二

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元θ相在温度超过200℃后会聚集粗化并失去其强化作用，而四元Q相在250℃

时仍具备较高的热稳定性。因此，调控合金中的Cu、Mg元素含量，促进Q相

的形成，可以使合金在室温力学性能获得提升的同时兼顾一定的高温性能，改

善合金强度和韧性的匹配度，进而扩展铸造Al-Si合金的应用范围。本文在Al-

8.5Si-0.7Mg合金的基础上，系统研究了Cu、Mg元素含量对铸造Al-8.5Si-xCu-

yMg合金中第二相种类和形貌的影响，并对其力学性能进行测试，优选出试验

合金的最佳成分。随后，通过改变时效工艺参数，探究了不同时效工艺对合金

室温和高温性能的影响。主要研究结果如下：

铸造Al-Si-Cu-Mg合金在铸态时主要包含α-Al、共晶Si、θ-AlCu和Q-

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AlCuMgSi四种相。Mg含量一定时，随着Cu的加入，合金中出现块状Q-

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AlCuMgSi相和网状θ-AlCu相，并且θ-AlCu相的形貌随着Cu含量的增加

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由网状向块状转变。经T6热处理后，合金中的共晶Si相基本上呈颗粒状。当

Cu含量为2%时，合金室温时的抗拉强度为320.3MPa、屈服强度为248.7MPa、

断后伸长率为5.3%；合金250℃时的抗拉强度为168.1MPa、屈服强度为144.4

MPa、断后伸长率为9.1%。

在优化最佳Cu含量的前提下，调整合金中Mg元素的含量，铸态时，Al-

Si-Cu-Mg合金中相的种类未发生变化。随着Mg含量的增加，合金中网状和块

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状θ-AlCu相的尺寸减小且数量下降，块状Q-AlCuMgSi相由小尺寸的块状

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相转变大尺寸的片状相，数量增加。经T6热处理后，当Mg含量为0.9%时，

合金力学性能最佳，其室温和250℃时的抗拉强度分别为335.3MPa和170.3

MPa；屈服强度分别为254.6MPa和147.2MPa；断后伸长率分别为4%和8.8%。

在优选最佳Cu、Mg含量的基础上，调整合金的时效工艺参数，对经不同

时效处理后的合金进行力学性能测试。经175℃/7h的单级时效处理后，合金

的硬度为158.23HV；室温和250℃时的抗拉强度分别为348.9MPa和174.3

MPa；屈服强度分别为272.6MPa和148.5MPa；断后伸长率分别为3.8%和

6.7%。经120℃/5h+175℃/5h的双级时效处理后，合金的硬度为165.64HV；

室温和250℃时的抗拉强度分别为355.4