开题报告 题目：合金元素对铸造铝硅合 金热暴露组织性能的研究
1、毕业设计（论文）综述 1.1题目背景 铸造铝合金作为传统的轻合金材料，由于其密度小、比强度高等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业[1,2]。由于产品设计越来越考虑到轻量化，铝合金铸件的产量在不断增长，而目前在高功率密度柴油发动机的发展方面，为了提高升功率，用具有更高耐热性能的铸造铝合金代替原有的铝合金发动机机体和气缸盖等关键铸件是大功率发动机发展的必然趋势。Al-Si-Cu-Mg合金具有较高的抗拉强度、韧性和疲劳强度，良好的耐热性、良好的加工性及焊接性能等特点，具有非常广阔的应用前景[3,5]。 1.2研究意义 材料长期暴露在高温下其组织将随时间的延长逐渐发生变化，其性能将会逐渐降低。由于材料的成分不同其热稳定性能也会不同。因此，材料热稳定性的优劣是机件选材和合金的成分设计的重要依据之一[6,8]。 作为动力机械的发动机近年来朝着大型化、高功率化、轻量化的方向发展，燃烧室零部件(气缸盖、活塞、气缸套)所受的工作条件(机械载荷和热载荷)越来越苛刻，严重威胁着发动机的可靠性和安全性，如何提高发动机燃烧室零部件的高温稳定性具有重要的意义[9,10]。 为了推动这方面的工作开展，本课题将对铸造铝合金热暴露组织及其性能进行研究，认识其高温稳定性的影响机理，为该材料的设计与应用提供参考。 1.3铸造铝合金发展现状 铝合金具有许多其他金属材料不具备的优良性能，它是20世纪以来发展最快、使用最多的有色金属材料。虽然铸造铝合金具有广阔的发展前景，但是其研究与应用也面临着严峻的挑战。目前，科研工作者们研究的最主要的问题是如何提高铝合金的性价比，即使其在拥有高性能的同时又能够降低生产成本。在未来将会有越来越多的新型铝合金出现[10,12]。 铸造铝合金目前在使用范围上仍具有一定局限性，主要是因为铸造铝合金在强韧性等方面不如变形铝合金。变形铝合金通过锻造、挤压、轧制等方法使其具有高强度、高韧性以及良好的使用性能。使得当今航空航天、军事等领域的很多铝合金零件仍然使用变形铝合金。但是变形铝合金的生产对设备及模具要求很高，生产周期也较长，而且在实际生产中很多大型的、形状复杂的零件都不适合使用变形铝合金制造[13,15]。相反，铸造铝合金在这些方面具有价格低廉，可生产形状复杂、尺寸大、精度高的的零件的特点，因而在生产和生活中显示出广阔的应用前景。 目前，开发研制满足更高性能要求的新型高强韧耐热铸造铝合金材料是未来铝合金发展的重要方向之一。多年以来，国内外材料工作者从合金成分优化、晶粒细化、变质处理，热处理工艺等方面对铸造铝合金进行了大量的研究，取得了很大的进展，为高强耐热铝合金的研制奠定了良好的理论和实践基础。高强耐热铝合金研制的工作重点仍然是如何通过合金的的组织和性能研究，进一步提高合金性能，提升更广的应用空间。 2、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 2.1本课题研究的主要内容 Al-Si-Cu-Mg合金具有较高的抗拉强度、韧性和疲劳强度，良好的耐热性、良好的加工性及焊接性能等特点，具有非常广阔的应用前景，目前被广泛地应用于航空航天、汽车及兵器工业等领域。本实验通过对Al-Si-Cu-Mg合金在不同温度下经过不同时间的热曝露后，对其力学性能、晶相组织、相结构进行研究，得出不同温度下热曝露对Al-Si-Cu-Mg合金产生的影响，分析合金产生变化的原因，得出结论。主要研究内容如下: （1）分析在250℃、350℃经0～100h热暴露后不同Cu含量对合金的力学性能影响。 （2）对Al-7Si-xCu-0.5Mg合金在250℃、350℃热暴露后的金相组织进行分析。 2.2研究方案 （1）实验材料 本实验原料分别为工业纯铝、工业纯镁、工业纯锌、结晶硅、AlTiB合金（Ti=4%，B=1%）、Al-Ni合金（Ni=10%）、Al-Cu合金（Cu=50%）、Al-Mn合金（Mn=10%），变质处理选用富铈混合稀土RE和磷盐，精炼剂用工业C2Cl6。 （2）材料成分配比
Si(%) Cu(%) Mg(%) Mn(%) Zn(%) Al(%) 7 1.5 0.5 0.3 0.2 其余 7 2.5 0.5 0.3 0.2 其余 7 3.5 0.5 0.3 0.2 其余 7 4.5 0.5 0.3 0.2 其余
表1.1实验材料成分配比
（3）合金的熔炼 熔炼在SG-5-10型坩埚电阻炉中进行工艺流程如图1.1，装入经预热至的纯铝锭，加热熔清后，分别将合金材料Al-50Cu、结晶Si等加入到坩埚中，熔清后，750℃～780℃压入稀土和磷盐进行变质处理，静置10min～15min，加入晶粒细化剂Al-4Ti-1B，熔清后，740℃～ 750℃加入C2Cl6进行除气精炼处理，静置20min后捞渣，然后利用钟罩加入纯Mg块，并进行搅拌，让Mg更充分地熔化扩散，760℃～780℃保温10min后，检验除气效果，密度当量≤0.5，合格后进行浇注。
图1.1合金熔炼工艺图 （4）热处理工艺 最佳合金成分的固溶处理工艺为500℃×12h，60~100℃水淬。具体实验操作为将试样悬挂于15kW井式电阻炉进行，固溶处理完后取出在60~100℃水中淬火，注意从炉中取出到淬火时间应不大于10s。合金时效工艺为175℃×6 h，空冷。 2.3实验方案 （1）热暴露实验
熔化铝 740~760℃加铝铜、 铝锰及铝镍等合金 750~770℃ 加 硅
760℃加入0.4%RE和1%P盐进行复合变质 750~760℃加 精炼剂C2Cl6 760℃加
纯镁和纯锌
770~780℃加Al-5Ti-B合金 静置15~20min 770~800℃
浇 铸 试件在一定温度下经热暴露后其力学性能、组织与热暴露时间的关系。热稳定性试验试样为金属型试样，热暴露试验在101型电热恒温干燥箱中进行，试样四根为一组，热暴露温度为250℃和350℃，保温时间分别为：0h、10h、30h、60h、100h。 （2）力学性能测试 用PRT-55型10KW型万能材料试验机进行拉伸，拉伸试样依据标准GB145-59制备，标距为40mm，拉伸速率为10mm/min，测得抗拉强度值并计算出延伸率。
（3）金相组织分析 对拉伸后的试样照金相,分析金相组织。通过光学显微镜可以观察和研究材料中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷，能直观地反映材料样品的微观组织形态(晶粒大小和形态、组织形貌等)。
（4）合金在250℃热暴露下不同热暴露时间后的力学性能数据表 时间/h Al-7Si-xCu-0.5Mg 1.5Cu 2.5Cu 3.5 Cu 4.5 Cu σb (MPa) δ5 (%) σb (MPa) δ5 (%) σb (MPa) δ5 (%) σb (MPa) δ5
(%)
0 10 30 60 100
（5）合金在350℃热暴露下不同热暴露时间后的力学性能数据表
时间/h
Al-7Si-xCu-0.5Mg 1.5Cu 2.5Cu 3.5 Cu 4.5 Cu σb (MPa) δ5 (%) σb (MPa) δ5 (%) σb (MPa) δ5 （%） σb (MPa) δ5
(%)
0 10 30
%10000l
ll60 100 3、本课题重点难点及前期已开展工 3.1重点难点 （1）重点是Al-7Si-xCu-0.5Mg合金的设计制备及其热暴露后的金相组织分析。 （2）难点是Al-7Si-xCu-0.5Mg合金250℃、350℃热曝露后的组织特点的机理。 3.2前期工作 前期的工作主要了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。对课题有了进一步了解,为接下来的实验研究做好了准备。 3.3完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） 第1-2周 做前期准备，查阅相关资料，完成开题报告； 第3周 开题答辩； 第4-7周 完善设计方案，准备材料，进行实验； 第8周 完成中期报告，中期答辩； 第9-10周 金相组织分析，各种性能的测定； 第11-12周 对实验的结果进行分析； 第13-14周 整理实验结果并写出完整的毕业论文； 第15周 毕业答辩； 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）
指导教师： 年 月 日 所在系审查意见：
系主管领导： 年 月 日 参考文献
[1] 熊艳才,刘伯操.铸造铝合金现状及其展望[J].特种铸造及有色合金,1998(4):1-5 [2] 桂满昌,贾均,李培杰,等.合金元素对铸造Al-Si-Cu-Mg合金机械性能的影响[J].材料工程与工艺,1993,l(4):73-76 [3] 李德成,李玉胜.ZL107A高强度铸造铝合金成分的优化[J].铸造,1997,(11):48-50 [4] 祝汉良,郭景杰,贾均.Ti细化A357合金中的析出相[J].金属学报,2000,36(1):17-20 [5] L. Auk Negate, A.K. Dahlia. Combining Sir and Na additions in hypoeutectic Al-Secondary alloys [J].Materials Science and Engineering, A399 (2005):244-253. [6] K. Novitiate, H. Yamuna, K.Y yeshivas. Determination of strontium segregation in modified hypoeutectic Al-Si alloy by micro X-ray fluorescence analysis [J]. Scripted Material ,2006(55):787-790. [7] T. Kuwaiti, H. Horse, S. Hiratsuka, A. Chide .Influence of rare-earth elements on refinement of primary silicon crystals in a hypereutectic Al-Sailor[J].Imono,1994,66:803-808. [8] 张君尧.铝合金材料的新进展[J].轻金属加工技术. [9] 高泽生.铝晶粒细化机理研究的进展[J].轻合金加工技术,1997.25(6):l-5. [10] 桂满昌,贾均,李培杰,等.合金元素对铸造Al-51-Cu书g合金机械性能的影响,材料科学与工艺,1993.1(4):73-79. [11] 张君尧.铝合金材料的新进展[J].轻金属加工技术,1998,26(5):1-10. [12] 夏卿坤,刘志义,李云涛,等.Al-Cu-Mg-Ag-Z r合金高温持久后的组织与性能[J].兵器材料科学与工程,2007,30(5):13-17. [13] 田福泉,李念奎.超高强铝合金强韧化的发展过程及方向[J].轻合金加工技术, 2005,33(12):1.TIAN Fu quean, LI Niangua. Research and Development of Ultra Haig h Strength Aluminum Alloys[J] .Lag ht Alloy Fabrication Technology, 2005,33(12):1. [14] H ands J. Casting Nonferrous Alloys in Metal Molds and Dies[J] . Foundry Manage emend and Techno logy,1996(7):22. [15] 夏鹏成,禹文芳.长期时效对DZ951合金γ′相的影响[J].工程材料.2007,(12):8-11. [16] 崔彤,王继杰,王磊,等.长期时效对一种新型镍基合金的组织及持久性能的影响[J].材料热处理学报,2006,27(5):56-59.