基于JmatPro对Al-Mg-Si-Cu-La合金析出相及性能的研究.pdf
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1、Vol.72No.72023838铸造FOUNDRY有色合金基于 JmatPro 对 Al-Mg-Si-Cu-La合金析出相及性能的研究刘云鹤1,刘桐宇1,宋来1,孔占琦1,任玉艳,李英民1,高岩3(1.沈阳工业大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110 8 7 0;2.潍坊科技学院机械工程学院,山东潍坊2 6 2 7 0 0;3.沈阳师范大学实验教学中心,辽宁沈阳110 0 34)摘要:为了进一步探究Cu含量对Al-Mg-Si-Cu-La合金析出相及性能影响,利用材料相图及性能模拟软件JMatPro对Al-Mg-Si-Cu-La合金进行热力学模拟计算,得到不同Cu添加量下的平衡相和亚稳相的含量。
2、结果表明:随着Cu含量的增加,室温下合金的强化(M g,Si)相和Q(A l,Cu,M g s Si。)相的含量基本没有变化,(A l,Cu)相的含量逐渐增多,亚稳相(M g,Si,)相的含量越来越少,0(Al,Cu)相和GP区的含量逐渐增多,Q(A l s.8 M g s.6 Si,Cu)相含量先增后减少。合金的力学性能模型表明,增加Cu含量会提高合金的力学性能,当Cu含量为4wt.%时,合金的抗拉强度和硬度均达到最大,但当Cu含量为5wt.%时合金抗拉强度和硬度开始下降。关键词:JMatPro;平衡相;亚稳相;GP区;力学性能作者简介:刘云鹤(19 9 7-),男,硕士,主要研究方向为Al
3、-Mg,Si复合材料。E-mail:通讯作者:刘桐宇,男,博士,副教授。E-mail:中图分类号:TG113文献标识码:A文章编号:10 0 1-49 7 7(2 0 2 3)07-0838-08基金项目:辽宁省教育厅科学研究基金项目(No.LJKZ0121);辽宁省自然科学基金(No.2021-BS-156)。收稿日期:2022-12-12收到初稿,2023-02-15收到修订稿。Al-Mg-Si-Cu合金具有比强度高、加工性能好、抗腐蚀性能好等特点,广泛应用于高铁、汽车、航空航天等工业。与Al-Mg-Si三元合金相比,Al-Mg-Si-Cu四元合金具有更高的强度。利用6 XXX系铝合金的析
4、出强化特性提高铝合金板材的人工时效硬化性能,铝合金的晶粒细化是近年来研究的热点2-1。然而,由于A1-Mg-Si-Cu是四元合金,其过饱和固溶体的脱溶方式很复杂,时效析出过程中除了形成系列相外,还会形成四元的Q系列相,并可能出现系列相。随着合金的化学成分以及时效的温度和时间的改变,过饱和固溶体的脱溶方式也将发生改变,析出相的顺序以及时效处理后得到的沉淀析出相的种类、尺寸和分布会不同。而不同的沉淀析出相对位错的阻碍能力不同,因此合金最终的强化效果也将发生改变。稀土微合金化是改性合金的一种重要手段,马鸣檀发现适量的稀土元素La的加入可以对Mg2Si相产生吸附-毒化作用,促进Mg,Si相生长的各向同
5、性,从而有利于Mg2Si形核。且由于共晶反应生成的二元相A14La在凝固过程中会先于Mg2Si结晶形核,这使其可以成为初生Mg2Si相的异质形核质点,使Mg,Si相的形核率得到提升,进一步细化了初生Mg2Si相的晶粒尺寸7 。如果能弄清Al-Mg-Si-Cu-La合金的析出规律,就可以优化合金成分和热处理工艺以获得更优良的综合性能。随着计算机技术的不断蓬勃发展,数值模拟技术得到了快速进步,在解决冶金工程众多问题上具有很大优势,成为当今材料界非常热门的研究方向之一18-9 。近年来,基于CALPHAD方法开发的许多计算软件已被广泛应用于多种类型的复杂合金,包括铝合金。然而,与其他软件包相比,JM
6、atPro的优势在于除了相平衡计算之外,它还可以用于模拟多组分合金的性能。可以计算不同时效参数下合金相组成变化,在节能环保的同时提高了实验效率,显著减少试验工作量。所以在本研究中,我们将使用利用JMatPro研究Al-Mg-Si-Cu-La合金的析出相的相图以及不同Cu含量下合金的力学性能。8392023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造1试验方案1.1试验材料本研究所选用的合金是以A1-6.3Mg-3.7Si-La合金为基体的不同Cu含量的(质量分数)合金系。该合金系的各组元的质量分数如表1所示。表1Al-6.3Mg-3.7Si-Cu-La合金系的成分Table 1 Comp
7、osition of Al-6.3Mg-3.7Si-Cu-La alloy systemWg/%合金MgSiCuAICul6.33.71余量Cu26.33.72余量Cu36.33.73余量Cu46.33.74余量Cu56.33.75余量1.2模型理论热力学计算的理论基础是CALPHAD法(计算相图)【10 。它的科学基础在于系统中的每个相都可以用一个数学方程所描述的热力学模型来表示。当整个体系的吉布斯能达到最小时,体系达到平衡。在一些区域平衡态可以是各种相的混合物或仅仅是稳定的单相。在多组分体系中,相的吉布斯能大致可以用一般方程表示:Gm=-Zx,G+RTZx,lnx+EZ1xxZv2(xi-
8、x,)式中:Gm为相的吉布斯能,ZG为纯组分的吉布斯能,Rx,lnx,为理想焰,1x,Z(x;-x,)为带有相互作用参数的成对相互作用项。x、x,是不同合金组分的摩尔分数,T是温度,R是气体常数。Q是依赖于值的相互作用系数。当的值被限制为0 时,它对应于正规溶液模型,当提供了0 和1的值时,它对应于亚规则溶液模型。实际上,数值通常不会超过2。对于力学性能,模型考虑了两种强化机制,即固溶强化机制和沉淀强化机制,其形式如下:g,=g,+g s s+g(2)Ppt式中:,为基体的本征强度,s为固溶体贡献,p t 为颗粒强化贡献。由于该模型由一系列复杂的方程组成,强度模型的细节可以在其他地方找到-2
9、1.3微观结构测试对选定的具有代表性的合金进行了显微组织测试,以揭示这类合金的显微组织特征。做法如下:待铸件冷却后,在铸件底部相同位置处切取若干10 mm10mm10mm的立方体试样,并对若干试样进行固溶时效处理,选择力学性能最好的试样进行表面粗磨、细磨及抛光处理。随后,选用浓度为0.5%的HF水溶液对试样进行腐蚀,腐蚀时间约为15 2 0 S。腐蚀后,用酒精清洗试样表面并吹干。利用S-3400N型扫描电子显微镜对上述金相试样进行显微组织观察、形貌图像采集和能谱分析EDS。利用XRD-7000型X射线衍射仪对上述试样进行XRD检测。选择Cu靶K射线,设定射线管的工作电压和电流分别是40.0 k
10、V和30.0 mA;扫描速度为4deg/min,扫描范围为10 9 0。2结果与讨论2.1稳定相平衡计算通过JMatPro软件计算的不同铜含量的Al-Mg-Si-Cu-La合金中平衡相组成如图1所示。从图1可以看出,平衡态存在多种析出相,如相、相和Q相,其中Q相的析出量仅有0.6 7%。其他相,如AliLa3,也在凝固过程中形成,因为在合金中添加了少量的A1-10La作为细化剂。然而,主要的合金元素,即硅、镁和铜,对决定合金整体性能的主要相的形成起主导作用。在本研究中,只研究不同Cu含量的影响,而Mg和Si的含量固定在6.3%和3.7%,不讨论其对析出相和力学性能的影响。图1a-e结果表明,C
11、u含量在1%5%范围内变化时,合金中未形成新相。平衡相图表明,相和相是两个主要相,都存在于平衡态,而随着Cu含量的增加,对Q相和Al,La,的析出量影响不大,但对Q相的析出温度却变化很大。高温时首先析出相,紧接着析出AlnLa;相(AlnLa;相弥散沉淀起到异质形核作用7 ),Q相的析出伴随着相的减少,当相析出量达到最少时,Q相析出量达到最大,在这个温度下随着Q相开始减少,开始生成新相相,并且相也开始增加,随着Q相析出量逐渐趋于稳定,相和相两个主要相也开始趋于稳定,最后析出量趋向于一个定值。表2 为合金凝固至室温(2 0)时所含第二相的具体种类及含量。Cu的变化对(M g 2 Si)、(A l
12、,C u)和Q(A l,Cu,M g Si。)相的析出的影响如图2 所示,随着Cu含量的增加,室温下相的含量没有变化,但起始析出温度有所降低,从59 0 减少到58 0。这是因为要满足相的析出与长大,只有通过降低温度增加过冷度的方法来实现,这也是随着Cu含量的增加,相的析出温度越来越低的原因。图2 a显示在510 时相随着Cu含量的增加其析出量越来越小,在Cu含量为5%时达到最低值,这是因为合金中有更多的Cu,会引起合金组织中的部分Mg.Si相逐步向Q相转变。如图2 b所示,随着Cu含量的增加,相析出量越来越来越大。相析出量增大的原因合金中有更多的Cu,所以更多的相倾向于析出。如图2 c所示,
13、虽然Cu含量的变化对室温平衡Q相析出量的影响不显著,但随着Cu含量的Vol.72No.7.2023840铸造FOUNDRY有色合金100-10080-80-Liquid-LiquidAIA1%/胖木%/本60-60Mg,SiMg,Si-A,La,AliLa,40-Al.Cu,Mg,si.40Al.cu,Mg,si.Al,CuAl,Cu2020-0-001002003004005006007000100200300400500600700温度/温度/(a)Al-1.0Cu-1.0La-6.3Mg-3.7Si(b)A l-2.0 Cu-1.0 La-6.3M g-3.7 Si100100-80-8
14、0-LiquidLiquidAIA1%/木60%/本Mg,Si60Mg,Si-Al,La,-Al,La,Al,Cu,Mg,Si4040Al,Cu,Mg-Al,CuAL,Cu202000-01002003004005006007000100200 300 400500600700温度/温度/(c)A l-3.0 C u-1.0 La-6.3M g-3.7 Si(d)Al-4.0Cu-1.0La-6.3Mg-3.7Si10080-Liquid60A1Mg,Si-Al,La,40Al,Cu,Mg,Si,Al,Cu20-0+0100200300 400500600700温度/(e)A l-5.0 Cu
15、-1.0 La-6.3M g-3.7 Si图1合金平衡相析出量与温度之间的关系Fig.1 Calculated dependences of precipitation phases on temperature表2 室温下不同Cu添加量对合金中各析出相含量的影响Table 2 Effects of different Cu additions on the contents of precipitated phases in the alloy at room temperatureWBCu(A1)(Mg,Si)0(Al,Cu)Q(Al,Cu,Mg:Sig)AliLa;1.086.419.6
16、11.600.671.712.084.569.613.450.671.713.082.719.615.300.671.714.080.869.617.150.671.715.079.019.619.00.671.718412023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造1010-Iwt.%Cu2wt.%Cu8A3wt.%Cu84wt.%Cu1wt.%Cu-5wt.%Cu-2wt.%Cu%1M/06%1M/日X86-3wt.%Cu4wt.%Cu5wt.%Cu44-220001002003004005006000100200300400500600温度/温度/(a)相(b)相3.01wt
17、.%Cu2.5-2wt.%Cu3wt.%Cu2.0-4wt.%Cu%1M/+05wt.%Cu1.5.1.0-0.5-0.00100200300400500600温度/(c)Q相图2 不同Cu添加量对三种强化相的含量随温度的变化Fig.2 Changes of the contents of three strengthening phases with different Cu addition levels as a function of temperature增加,Q相的质量分数达到峰值的温度也越来越高,并且会提高Q相析出温度。2.2亚稳态相平衡计算研究表明,铝合金中GP区、过渡相(亚稳
18、相)、平衡相的尺寸、数量和分布基本上决定了合金的宏观性能13-14。在时效过程中,不可避免地会存在一些亚稳相的析出,使合金的时效沉淀过程相当复杂。A1-Mg-Si-Cu-La合金是通过时效过程中析出一种或多种、和Q相及其亚稳相组成一种复杂的显微组织而强化的。影响Al-Mg-Si-Cu-La合金的析出相种类有两种,一是改变Mg/Si比值,二是改变合金中的Cu含量,进而影响合金的性能。这里主要讨论Cu含量的变化对合金的亚稳相析出的影响。在这种情况下,CALPHAD方法可以应用于多种亚稳情况,假设亚稳相由固溶处理温度淬火的A1相形成。在本文中,通过热力学计算研究了不同Cu含量对亚稳相形成的影响。图3
19、显示了亚稳硬化阶段图,亚稳相、Q以及GP区出现在合金中,GP区通常比、Q更不稳定,所以在、Q生成之前生成,相随8Q6GP420-0100200300400500温度/图34%Cu的合金中亚稳相随温度变化Fig.3Metastable variation of 4%Cu alloy with temperature着温度的下降逐渐达到峰值,可以发现随着Q相的析出,相的析出量开始减少,温度为332.5时相完全转变成Q相。研究发现沿晶格”的【0 0 0 1方向转动10 可以得到Q也即type-C的晶格,据此他们认为Q相和type-C相可能是由转变而来15。图4ad显示了Cu的变化对四种亚稳相形成的影
20、响。Cu含量的增加有利于主要硬化相含量的增加,开始析出温度也由Vol.72No.72023842铸造FOUNDRY有色合金102.01wt.%Cu1.82wt.%Cu83wt.%Cu1.64wt.%Cu1.45wt.%Cu6%/%/1.21.040.81wt.%Cu0.62wt.%CuA3wt.%Cu20.44wt.%Cu0.25wt.%Cu00.00100200300400050100150200250300350400450温度/温度/(a)8相(b)Q相1.01wt.%Cu1wt.%Cu10-2wt.%Cu2wt.%Cu0.83wt.%Cu3wt.%Cu4wt.%Cu8-4wt.%Cu5
21、wt.%Cu5wt.%Cu0.6%/60.440.220.00275300325350375400425450050100150200250温度/温度/(c)相(d)GP区图4在不同Cu含量下,合金中主要亚稳相的含量随温度变化Fig.4 The quantity of main metastable phases changes with temperature at various Cu contents244升高到40 1。相含量是一直减少,开始析出温度也由448 降到438。然而对相含量是先增加后减少,在Cu含量为2%时Q相含量达到最大为1.7%,开始析出温度也由30 4升高到36 8。
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