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过共晶铝硅合金是一类重要的铸造合金,具有热膨胀系数小、比强度高、耐磨和耐蚀性好等一系列优点而被广泛地应用于航空、航天及汽车制造等领域。但在传统铸造条件下,随着硅含量的增加,铸造组织中常出现的粗大的初生硅相严重地割裂了基体,降低了合金的综合性能。因此,在使用前必须对过共晶铝硅合金进行变质处理,改善初生硅的形状、尺寸和分布,以提高其机械性能。本文采用常规铸造工艺方法制备合金(Al-17.5%Si、Al-20%Si和Al-25%Si),采用单一稀土元素Nd作为变质剂对二元过共晶铝硅合金进行变质研究。系统研究了变质剂Nd的加入温度、保温时间和变质剂Nd加入量等工艺条件对不同硅含量的二元过共晶铝硅合金中初生硅的形状和尺寸的影响,确定了Nd对二元过共晶铝硅合金的最佳变质工艺；系统研究了Nd变质对过共晶铝硅合金的力学性能及耐磨性能的影响,依据对变质后合金的断口形貌和磨损表面形貌的分析探讨变质后合金的断裂机制和磨损机理；系统研究了稀土元素Nd在过共晶铝硅合金中的分布及存在形式,探讨了Nd对过共晶铝硅合金中初生硅的变质机理。主要结论如下：稀土元素Nd能够细化初生硅,Nd对初生硅的变质可用成分过冷理论来解释。吸附理论和异质形核理论不适用于本实验研究结果。变质工艺研究表明：变质工艺条件影响着过共晶铝硅合金中的初生硅的形状和尺寸。对于过共晶Al-17.5%Si、Al-20%Si和Al-25%Si合金的最佳变质工艺条件：变质剂的加入温度分别为750℃、800℃和850℃,保温时间10min, Nd的最佳加入量约为0.3%。随着Nd添加量的增加,过共晶铝硅合金中初生硅的尺寸先减小后增大,当Nd的添加量为0.3%时,合金中初生硅的晶粒尺寸最小,A1-17.5%Si、A1-20%Si和A1-25%Si合金中初生硅的平均尺寸分别由变质前的30.32μm、63.51μm和90.54μm变为变质后的13.02μm、20.64μm和37.84μm,分别下降了57.1%、68.5%和58.2%。未变质的Al-17.5%Si合金中初生硅以板片状与多面体形状存在,变质后没有形状上的变化；变质前后Al-20%Si和Al-25%Si合金有相似的情况,变质前合金中的初生硅都以星状和不规则的多面体形状存在,变质后初生硅呈现出细的板片状和多面体形状。力学性能研究表明：随着Nd添加量的增加,过共晶铝硅合金的抗拉强度先增大后减小,当Nd的添加量为0.3%时,合金的抗拉强度达到最大值,Al-17.5%Si、Al-20%Si和AI-25%Si变质后合金的抗拉强度分别为163MPa、148MPa和132MPa,与未变质的120MPa、117MPa和113MPa相比分别增加了35.8%、26.5%和16.8%。合金的断后伸长率分别为2.2%、1.64%和1.2%,与未变质的0.8%、0.64%和0.42%分别增加了175%、192%和185%。过共晶铝硅合金以混合断裂方式断裂,既有初生硅的脆性断裂特征又有铝基体的韧性断裂特征。摩擦磨损研究表明：随着硅含量的增加,过共晶铝硅合金的磨损量下降,耐磨性增强；并且加Nd变质后也呈现出相同的规律。Al-17.5%Si、Al-20%Si和Al-25%Si变质后合金的磨损量分别为0.0020g、0.0011g和0.0008g,与未变质的0.0042g、0.0026g和0.0018g相比分别减少了52.3%、57.7%和55.6%,变质后合金的耐磨性增强。变质后的过共晶铝硅合金的磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损；未变质的过共晶铝硅合金磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损。电子探针(EPMA)和扫描电镜(SEM)分析表明：在过共晶铝硅合金中初生硅的中心及边缘几乎检测不到Nd元素,Nd主要分布在晶界,这种分布状态会导致在熔体冷凝过程中,Nd分布在固液界面,阻碍硅向生长界面扩散,抑制硅相的生长,从而减缓初生硅的生长,达到细化效果,因此成分过冷理论比较适用于解释本实验的结果。差示扫描量热法(DSC)分析表明：稀土元素Nd加入到过共晶铝硅合金当中,降低了初晶起始温度和初生硅析出温度,缩短了初生硅冷凝时间,造成快速冷凝,结果降低了Si原子的活动能力,从而减小初生硅的尺寸。这说明稀土元素Nd对过共晶铝硅合金的变质机理符合成分过冷理论,而不符合异质形核理论。透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)分析表明：在过共晶铝硅合金中稀土元素Nd主要以AlSixNdy三元相形式存在。与未变质合金相比,变质后的合金中有新相的衍射峰,进一步证明了AlSixNdy三元相的存在。变质前后硅相各晶面指数的衍射强度分析表明：稀土元素Nd对硅的某些晶面有择优取向生长作用。