【摘 要】
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铝合金在各工业领域有着广泛的用途,是一种重要的工程结构材料。随着现代工业的发展,对铝合金需求量越来越大,对铝合金力学性能的要求也在不断提高。但传统的铝合金在铸造凝固后存在晶粒粗大的问题,成分偏析、裂纹、缩孔等缺陷也往往是由粗晶粒引起的,这些缺陷都严重的影响了铝合金的力学性能。因此,细化铝合金晶粒,优化微观组织结构,并在此基础上对铝合金宏观力学性能进行研究,成为铝合金工作者的研究重点。现代工业中,向
【基金项目】
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黑龙江省应用技术研究开发计划项目（项目编号GC13A104）“铝钛合金熔体高纯净化技术及其应用研究”； 国家自然科学基金面上项目（项目编号11472086）“形状记忆合金增强复合材料界面特性及其抗低速冲击性能”；
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铝合金在各工业领域有着广泛的用途,是一种重要的工程结构材料。随着现代工业的发展,对铝合金需求量越来越大,对铝合金力学性能的要求也在不断提高。但传统的铝合金在铸造凝固后存在晶粒粗大的问题,成分偏析、裂纹、缩孔等缺陷也往往是由粗晶粒引起的,这些缺陷都严重的影响了铝合金的力学性能。因此,细化铝合金晶粒,优化微观组织结构,并在此基础上对铝合金宏观力学性能进行研究,成为铝合金工作者的研究重点。现代工业中,向铝熔体中添加晶粒细化剂,成为当前细化铝合金晶粒,提高铝合金力学性能最简单有效的方法。铝合金工业的发展迫切要求开发出新型高效的细化剂。并且目前针对铝合金细化的研究,多集中在对晶粒细化的理论机理、细化工艺、细化剂、变质剂的种类和加入量等方面,在此基础上对铝合金力学性能的检测也偏于简单,基本是在静态、准静态下进行的基本力学性能的实验研究,较少见到细化剂的加入对铝合金动态载荷下力学行为影响的研究。材料表现出来的宏观力学性能及行为与其内部微观组织有着密切的联系,但对两者之间的关系还缺乏深入的规律性研究。基于以上背景,本文首先制备细化剂Al-Ti-Mg-Ce,对新型细化剂作用下铝合金微观组织进行研究,分析Al-Ti和Mg-Ce协同细化机理,研究细化效果;其次,测试细化后铝合金静载荷下的基本力学性能,分析力学性能变化的微观机理;并通过实验及有限元模拟对铝硅合金在动载荷下的力学性能进行测试研究,分析本文制备的铝硅合金的应变率效应。本文的主要研究内容如下:（1）制备了 Al-5Ti-xCe、Al-5Ti-x（Mg-30%Ce）细化剂,研究稀土元素 Ce 及Mg-Ce对Al-5Ti中间合金的细化作用,当稀土 Ce的添加量为0.6%时,细化效果最明显;与Ce相比Mg-Ce对Al-5Ti中TiAl3细化效果更显著,这是由于Mg-30%Ce合金中的Ce元素主要存在于MgCe10.3中,添加到Al-5Ti熔体后,MgCe10.3相发生溶解,在合金的TiAl3相与Al的界面处形成富镁相,辅助稀土元素降低了 TiAl3相尺寸,稀土细化作用得到提高。（2）制备了 Al-7Si-（Al-5Ti-xCe）、Al-7Si-（Al-5Ti-x（Mg-30%Ce））合金,研究了稀土细化剂Al-5Ti-xCe、Al-5Ti-x（Mg-30%Ce）对铝硅合金微观组织的影响,当细化剂中Ce的添加量为0.6%时细化效果最好;Al-5Ti-x（Mg-30%Ce）对Al-7Si的细化效果优于Al-5Ti-xCe,推测是由于Mg元素激发了稀土 Ce的细化作用,这与细化剂中晶粒尺寸变化规律一致。（3）对铝硅合金细化后的基本力学性能进行了研究,发现细化剂Al-5Ti-xCe、Al-5Ti-x（Mg-30%Ce）对铝合金的力学性能影响显著,对铝合金的拉伸性能、硬度、冲击韧性及动载荷下的屈服强度均有明显的改善,并且力学性能变化趋势与细化剂细化效果一致;对其力学性能变化的微观机理进行了分析,铝合金中加入细化剂Al-5Ti-xCe、Al-5Ti-x（Mg-30%Ce）后,晶粒得到了细化,晶界增多,改善了共晶硅组织,这些都能够提供位错阻力,阻碍了位错的进一步发展,宏观上铝合金力学性能得到改善。（4）选取三种成分A1-7Si-（Al-5Ti）、Al-7Si-（Al-5Ti-0.6Ce）、Al-7Si-（Al-5Ti-2（Mg-30%Ce））铝合金进行SHPB实验研究,结果表明,在高应变率条件下（2.0×103s-1以上）,本文制备的铝合金应变率敏感性显著。子弹速度相同时,Al-7Si-（Al-5Ti-2（Mg-30%Ce））试样的抗冲击力学性能最优。（5）对试样 Al-7Si-（Al-5Ti）、Al-7Si-（Al-5Ti-2（Mg-30%Ce））采用有限元方法进行SHPB模拟分析,数值模拟与实验结果吻合良好,进一步验证了本文制备的铝硅合金是率相关材料,其中Al-7Si-（Al-5Ti-2（Mg-30%Ce））抗冲击能力优于Al-7Si-（Al-5Ti）,这与铝硅合金微观组织及力学性能实验研究的结果相一致。本文对细化剂及铝硅合金细化后的微观组织进行了观察,分析了细化效果及机理;较系统地研究了铝硅合金细化后的力学性能,并对其力学行为的微观机理进行了分析。本文取得的研究成果将为生产高效、稳定、成本低廉的细化剂提供新的参考依据,为进一步开发高性能铝合金的研究提供理论参考和应用依据。
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