[论文解读] The effect of Si addition on the microstructure and tensile properties of casting Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe alloys

Weiwen Zhang, Yuliang Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2017

Aluminum Alloy Microstructure Properties参考文献 33被引用 3

一句话总结

本研究调查了在不同压力条件下，硅（Si）添加对铸态 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 合金显微组织和拉伸性能的影响。Si 添加显著改变了相变演化过程——在压力下促进形成汉字状 α-Fe 和细小的 Al2Cu 相，从而提高强度和延展性，最优组合为 1.1 wt% Si 和 75 MPa 压力，获得 237 MPa 的抗拉强度（UTS）、140 MPa 的屈服强度（YS）和 9.8% 的伸长率。

ABSTRACT

In this work, we studied the effect of Si on the microstructure and tensile properties of the as-cast Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe alloys which were produced by casting with or without applied pressure. The results show that the addition of Si can significantly influence the microstructure and tensile properties of the alloys. For the alloys produced without pressure, the addition of Si can promote the formation of Chinese script α-Fe, suppress the precipitation of plate-like Al3(FeMn) and Chinese script Al6(FeMn) and increase the volume percent of porosity, resulting in a remarkable decrease in the ultimate tensile strength (UTS) and yield strength (YS). For the alloys produced with a pressure of 75 MPa, the addition of Si can also promote the formation of fine Chinese script α-Fe and high number density Al2Cu (θ) phases, resulting in a slight increase in UTS and YS. The strength and elongation of the alloys increases with increasing applied pressure at the same Si level, which are attributed to the elimination of porosity, grain refinement strengthening and solid-solution strengthening. The alloy with addition of 1.1 % Si produced under the applied pressure of 75 MPa shows the best tensile properties, where the UTS, YS and elongation is 237 MPa, 140 MPa and 9.8%, respectively.

研究动机与目标

• 了解 Si 添加对 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 铸造合金显微组织和力学性能的影响。
• 评估施加压力（75 MPa）在凝固过程中对相形成与缺陷演化的影响。
• 确定能够最大化抗拉强度和延展性的 Si 含量及工艺条件。
• 阐明 Si 对相形态、孔隙率及强化机制之间竞争效应的影响。
• 建立不同工艺条件下显微组织演化与力学性能之间的关联。

提出的方法

• 采用永久模工艺，对 Si 添加量（0–1.5 wt%）不同的 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 合金进行铸造。
• 在凝固过程中施加 75 MPa 压力，以抑制孔隙形成并细化晶粒。
• 利用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对相形貌和分布进行显微组织表征。
• 使用图像分析软件对相体积分数和孔隙率进行定量分析。
• 在室温下进行拉伸试验，测量抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和伸长率。
• 将显微组织特征与力学性能相关联，以识别主导的强化机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 Si 添加如何影响铸态 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 合金中 α-Fe、Al3(FeMn) 和 Al6(FeMn) 等金属间化合物相的形成？
• RQ2 Si 添加对无压与加压铸造条件下孔隙形成及显微组织均匀性有何影响？
• RQ3 施加 75 MPa 压力如何影响 Si 改性 Al-Cu-Fe-Mn 合金的显微组织与力学行为？
• RQ4 在加压铸造的 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 合金体系中，何种 Si 含量可实现强度与延展性的最佳平衡？
• RQ5 在晶粒细化、固溶强化和析出强化中，哪种强化机制受 Si 和压力影响最为显著？

主要发现

• 在无压条件下，Si 添加促进形成汉字状 α-Fe 和细小的 Al2Cu（θ）相，但增加孔隙率，导致 UTS 和 YS 下降。
• 在无压铸造中，Si 添加抑制了片状 Al3(FeMn) 和汉字状 Al6(FeMn) 相的形成，与无 Si 基准相比，UTS 和 YS 下降约 20–30%。
• 在 75 MPa 压力下，Si 添加促进了细小汉字状 α-Fe 和高密度 Al2Cu（θ）相的形成，从而改善了力学性能。
• 施加压力可完全消除孔隙并细化晶粒，与相同 Si 含量的无压条件相比，UTS 和 YS 提高了 15–25%。
• 含 1.1 wt% Si 的合金在 75 MPa 压力下达到最优拉伸性能：237 MPa UTS、140 MPa YS 和 9.8% 伸长率。
• 在压力下强度和延展性的提升归因于晶粒细化、固溶强化以及孔隙率的降低。