亚共晶Al-10Si-0.8Fe-的显微组织和力学性能研究Er合金

摘要

在本文中，Er的加入(0.2,0.5,0.65,0.8,1.0,1.5 wt.)研究了铸态过共晶Al-10Si-0.8Fe合金的组织演变和拉伸性能。借助金相分析技术，利用x射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电子能谱仪(EDX)对合金中的相及其形貌进行了分析;的次级相(LSP)长度和次级枝晶臂间距(sas)α-Al晶粒被量化。结果表明，第二相(初生Si、共晶Si和富铁相)和αEr添加量从0 wt增加到0.8 wt时-Al晶粒显著细化。%。当Er添加量达到0.8 wt时，LSP和SADS的平均值降低到最小值。%。然而，第二阶段和α当Er浓度增加到0.8 wt以上时，-Al晶粒变粗。%。XRD分析表明，Er主要以Er的形式存在_2.硅化合物。显微组织变质对合金的力学性能也有显著影响。屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和延伸率(EL)分别由52.86 MPa、163.84 MPa和3.45%提高到71.01 MPa、163.84 MPa和5.65%。从断口看，力学性能的提高主要是由于铒掺杂引起的弥散和钉扎增强_2.如果阶段。

1.介绍

铝硅合金具有低密度、高强度和优异的力学性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等行业[1.–3.］.随着科学技术的发展，各行业对铸造铝合金材料的性能要求不断提高。提高铸造铝合金性能的方法有很多，其中晶粒细化是一种有效的方法[4.,5.］.常用的精炼剂有Ce、La、Mn和Ti [6.–9尽管针对炼油厂的研究已经取得了一些成果。但不幸的是，目前还没有高效廉价的谷物精炼厂出现。因此，更好的精炼效果和更小的成本消耗是国内不断研究的课题。

在铝硅合金的加工过程中，必然会加入一定量的铁元素。为了尽可能模拟实际使用情况,0.8 wt %在元素将被添加在实验中。在加入精炼剂之前，铝硅合金的第二相是块状或板状Si相和长针状Si相β-Fe相随着Fe含量的增加而出现[10–14］.这些相的形成影响了铝合金的力学性能，降低了铝合金的各项力学性能。根据Qian等人的研究[15， Er对铝合金中二次相有较好的调节作用。Tantiwaitayaphan等人[16]也报道了铒的加入可以降低过冷度，使共晶硅的形貌发生变化。这些研究表明，稀土元素Er可以改善二次相的形貌，改善铝合金的力学性能[17–21，但尚未提出Er元素与Al-Si合金会形成哪种粒子来影响二次相的形貌。

本实验以Al-10Si-0.8Fe为研究对象。通过增加Er元素的含量，将探索Er对Al-10Si-0.8Fe合金的组织形态、力学性能和断裂行为的影响。晶粒尺寸、第二相以及第二相与基体之间的性质将显著影响这些材料的强度。第二相包括初生硅、共晶硅和富铁相。因此，我们分析了二次枝晶臂间距（SDAS）和第二相长度（LSP）的统计结果。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）/能谱仪（EDX）和拉伸断口形貌分析，研究了在Al-Si-Fe合金中添加Er元素提高其性能的原理和机理。

2.实验材料与方法

这些亚共晶的al - 10 - si - 0.8 - fe -Er ( ,0.2, 0.5, 0.65, 0.8, 1.0和1.5 wt.%)合金是用工业纯铝(99.0 wt.%)开发的。%)、Al-12Si中间合金、Al-75Fe中间合金、Al-3Er中间合金等。也有表面涂层( )，包括代理( )，精炼剂C_2.氯_6.等。实验在坩埚电阻炉中进行，每炉熔炼的合金质量为600 g。实验合金的化学成分列于表中1.(由德国SPECTROLAB/M11直读光谱仪测量)。具体工艺是将Al-12Si合金和纯铝块在780℃下熔化，加入制备好的铁剂，继续搅拌2分钟，使坩埚成分更加均匀，保温25分钟。将温度提高到 ℃，加入适量的Al-3Er中间合金，搅拌25分钟。熔体温度降低到 ℃，加入精制剂静置5min后脱气。最后进行浇注，浇注温度为 摄氏度。用于冶金分析和拉伸试验的样品由这些铸锭加工而成，并在室温下冷却。

试样制备好后，用HF溶液(由0.5 ml氢氟酸和100 ml H组成)切割试样，进行研磨、抛光和腐蚀处理_2.O)以便更好地观察金相。金相分析采用Zeiss/Observer光学显微镜。A1,德国)。利用Nano-measurement软件和统计学方法对LSP和SDAS的平均值进行评估。至少50个统计样本也被随机确定在每个视图域。与相关文献相似，我们通过测量二次枝晶臂间距(sas)值和第二相长度(LSP)来研究添加元素对这五个视图域的影响: 在哪里为组织中任意相的LSP和SDAS，是否在视场中测量粒子的数量，和是要量化的字段的数量。在这种情况下值被确定为50，并且是5。

同时，通过SEM（Hitachi TM4000Plus）和EDX（IXRF 5500，美国）对这些相进行了观察，并通过XRD分析了大块样品的相组成。然后，使用万能试验机进行拉伸试验，以获得屈服强度（YS）、极限拉伸强度（UTS）和伸长率（EL），其在应变速率为1时获得 mm/min。根据ASTM E8M-04标准，为每种合金加工出五个拉伸试验样品。通过SEM进一步研究了这些试样的断裂面。

3.结果

3．1.Al-10Si-0.8Fe-的显微组织评价Er合金

Al-10Si-0.8Fe的光学显微照片-Er ( ,0.2, 0.5, 0.65, 1.0，和1.5)合金如图所示1.．在图1（a）时，Al-10Si-0.8Fe合金中含有分布在枝晶周围的针状第二相α-Al，次级枝晶臂间距较大。加入稀土Er后，当Er添加量从0增加到0.8%时，第二相由粗多边形星形细化为棱角光滑的细块状;当Er以0.8 wt加入时，第二相变质效果最好，密度最大，第二相被细化成小颗粒，如图所示1 (e)．当稀土Er含量超过0.8%时，第二相变粗。

数字1.(右上角)显示了这些合金的更高放大的金相图像。Al-10Si-0.8Fe合金中含有灰色、粗大的针状共晶硅相α-Al相，偏析较严重;该结构中还存在少量的多边形体积初生硅相。大多数富铁相为浅灰色、骨架状或汉字。它们与共晶硅纠缠在一起，粘附在晶体的外围α过程的阶段。当Er = 0.8%时α-Al枝晶晶界几乎没有边缘，形状变得圆润而规则，组织变得致密。共晶硅分布在α-Al晶界几乎完全细化，由粗针状变为分散分布的细颗粒或点状网。

图中的结果1 (h))表明共晶硅的变质作用αal -Al细化Er在Al-10Si-0.8Fe合金中的作用。当不存在Er元素时，LSP和SDAS的平均值为24.47μm和37.47 μm,分别。随着Er添加量的增加，LSP和SDAS的平均值迅速减小。当Er添加量为0.8%时，细化变质效果最为明显。LSP和SDAS的平均值达到最小值1.87μm和12.97μm,分别。随着Er添加量的不断增加，LSP均值逐渐升高。与此同时，SDAS的价值逐渐上升。之后，SDAS值再次下载。总体而言，SDAS值仍呈现上升趋势。

不同添加量的稀土元素Er的XRD谱图如图所示2.．Er元素将与铝合金中的硅反应形成Er_2.Si相。与此同时，艾尔₉如果,艾尔。_0．7菲_3.如果_０．３铝合金中还存在其他相。

0.2%和1.0% Er的SEM如图所示3.，和EDX如表所示2.．从图3(一个)这些合金中的共晶硅主要是长而块状的。根据XRD和EDX，点1处的灰色针状相假定为Al-Si相，点2处的白色块状物假定为Al-Si相_0．7菲_3.如果_０．３阶段。从图1.共晶硅主要以短棒状、颗粒状和薄条状的形式出现。根据XRD和EDX可以推断，点3处的白色粒子为Er_2.Si相，点4处的白色薄条为AlSiEr相。这说明随着Er含量的增加，Er元素开始与Al、Si发生反应，形成颗粒和薄相。Er元素的加入改变了硅相的形态，阻止了硅相的生长，使第二相得到细化。

３．２．Al-10Si-0.8Fe-Er合金

数字5.为Al-10Si-0.8Fe-Er合金。从图5.， Er的加入提高了Al-10Si-0.8Fe合金的YS。Al-10Si-0.8Fe合金的YS为52.86 MPa。随着Er含量的增加，合金的YS继续增加。当Er含量从0.5%增加到0.65%时，YS增加最多，为13.4%。当含量为0.8%时，合金的YS为71.01 MPa，达到最大值，比Al-10Si-0.8Fe合金高34.3%。Er含量一旦超过0.8 wt。%时，合金的屈服强度显著降低。Er元素的加入使共晶硅细化成细小颗粒，组织均匀致密。根据霍尔-佩奇公式 在哪里为屈服强度，MPa;为单晶屈服强度，MPa;为晶粒尺寸;和是一个常数。

随着晶粒的细化，单位体积晶粒的界面面积增大，晶界阻碍了位错的运动。拉伸过程中应力引起的变形可以分散成更多的晶粒。大量的晶界有效地阻碍了位错的运动，位错继续积累。难度增加，合金材料宏观性能屈服强度增加。实验结果表明，当Er含量为0.8%时，合金组织的晶粒尺寸最小，屈服强度最大。

从图5.， Er元素也提高了Al-10Si-0.8Fe合金的UTS和%EL。当Er含量为0.8%时，UTS达到最大值213.31 MPa，增加30.2%。当Er含量超过0.8%时，UTS降低，这可能与Er含量高和大量长针状富铁相析出有关。总的来说，随着Er的增加，这些合金的UTS先增大后减小。当Er含量为0.8%时，这些合金的UTS值最高。原始合金试样断裂后的%EL为3.43%。当Er含量为0.2%时，共晶硅得到细化，合金断裂时的EL %略有增加。当Er含量增加到0.5%和0.65%时，组织中富铁相长度变长，形态以针状为主，延伸率降低。当Er含量为0.8%时，晶粒细化效果最好，富铁相长度变短，晶粒细化提高了合金的变形抗力，合金的伸长率达到最大值。最大值为5.49%，增加了60%。

Al-10Si-0.8Fe-XEr合金的显微图如图所示4.．数字4(一))显示无Er的SEM图像，可以清楚地看到断口主要被无Er的解理面所覆盖。这是由于在法向应力作用下的穿晶破坏。合金的拉伸断裂表现为脆性断裂。从图中可以清楚地看出4 (b)解理平台变小，形成少量的韧窝。同时出现少量白色相。断裂也出现在纤维状断口上。随着Er含量的增加，褶皱和韧窝的数量增加。同时，从图中可以看出4 (c)，当Er含量达到0.8 wt时。%时，有大量最坚硬的断口。而白色富er相均匀分布在断口，晶粒细化效果最佳。此外，可以观察到在断口表面存在大量的韧窝。结果表明，当加入0.8 wt时，合金的断裂模式明显改变。% Er表现为脆性断裂和韧性断裂的混合断裂模式。然而，当Er的加入增加到1.0 wt时。%时，断口处出现较大的富er相。这可能降低合金的抗拉强度。

此外，基于SEM的EDS点分析(图4.)载于表格内3.．根据表3.，图中的灰色劈开表面（点1）4 (b))是Al-Si相。点2是裂缝上的白色块状相。根据EDX，可以知道白色相是Al-Si-Fe相。一些Er元素聚集在白色相上。点3对应的断裂形态为灰色纤维状。根据EDX分析结果可知，此处Er元素含量较高，表明Er元素与基体反应形成Er_2.细化共晶硅，从而提高合金的强度。从图中可以看出4 (d))，随着Er添加量的增加，白色相的数量增加，它们在衬底上分布更加均匀。从表中EDX点4可以看出3.，在白色相中存在大量的Er，这意味着过量的Er会使共晶硅粗化，从而降低合金的抗拉强度，增加合金的脆性。

4.讨论

在本研究中，稀土元素Er可以较好地细化Al-Si-Fe合金中的共晶硅，加入适量可使共晶硅的尺寸减小38%。这是因为在成核和生长过程中α-Al晶粒在凝固过程中，一些Si和Fe原子将进入晶粒，同时，一些其他元素将丰富表面，使α-铝晶粒尺寸较小[22］.同时添加的Er元素将生成Er_2.Si相可作为非均相核，促进晶粒细化。共晶硅的生长表面为(111)，在凝固结晶过程中优先生长。在不添加细化剂的情况下，共晶硅在晶界固有台阶上通过原子沉积不断向两侧生长，形成粗条状和块状相。加入稀土元素Er后，会沉积在晶界上。这使得硅相的生长不均匀，并在孪晶上积累，导致结构过冷。同时改变了硅的生长方式，改变了Si相的形貌[23］.热力学公式如下: 在哪里△Gv为相变驱动能量;为凝固潜热;Tm为平衡凝固温度;和为过冷度。

由公式可知，过冷度越大，凝固驱动力越大ΔGv也变得更大。Er元素的富集会阻碍Si相的生长，导致成分过冷，阻止Si相的生长。结果表明，Si相的形貌由棒状变为短棒状[24]. 同时，一些文献指出，当熔体中的Al和Si发生共晶转变时，仍存在少量的Er原子。由于Er原子具有较小的原子半径和较大的原子量，因此更容易在共晶颗粒表面富集。这大大阻碍了共晶硅的定向生长，导致晶粒细化[25,26]. 显然，根据实验结果，铝合金晶粒得到细化。我们认为，复合材料中可能存在一些我们没有考虑的强化机制。

5.结论

(1)在al - 10 - si - 1.5 - fe -Er对Al-10Si-0.8Fe合金的第二相(初生硅、共晶硅和富铁相)有显著的修饰作用，其形貌由粗针状向细颗粒状转变，尺寸减小到1.87μ当Er的加入量为0.8%时。Er的加入量进一步增加超过0.8%会导致第二相的粗化(2)加入Er元素可以改善Al-Si-Fe合金的力学性能。与Al-10Si-1.5Fe合金相比，当Er添加量为0.8 wt时。%、YS、UTS和%EL分别从52.86 MPa、163.84 MPa和3.45%提高到71.01 MPa、163.84 MPa和5.65%。然而，过量的Er会导致这些合金的强度和韧性下降(3)在富铁铝硅合金中加入适量的Er元素可以使Er析出_2.组织中的硅相，并细化合金组织中的共晶硅相

数据可用性

用于支持本研究发现的[手稿.doc]数据已储存在[亚共晶Al-10Si-0.8Fe-xEr合金显微组织和力学性能研究]储存库(9147871)中。本研究中使用或分析的数据集可在合理要求下由通讯作者提供。实际上，本研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no . 51661004);广西自然科学基金项目(no . 2017GXNSFAA198271);广西教委自然科学基金项目(no . 2018KY0034);广西大学基金(XBZ190876)，广西铝产业生态协同创新中心(20190225)，广西创新驱动基金(GK aa172011 -1)，广西有色金属及特色材料加工重点实验室(16-380-05)，广西大学博士研究生。南宁市优秀青年科学家计划项目(RC20190105)。

参考文献

1. Wang K.， Tang P.， Huang Y.， Zhao Y.， W. Li, and J. Tian，“Titanium and铈复合添加对Al-Si- Cu-Fe-Mn合金组织和性能的影响，”，扫描， 2018年第5期。1、文章编号3472743,14页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 简辉，江峰，徐志洲，“航空用Al-Zn-Mg-Cu铝合金的高强度和韧性研究进展”，热加工技术，第6卷，第2期35，页66 - 71,2006。视图:谷歌学术搜索
3. 汽车用铝的最新发展中国有色金属学会学报，第24卷，第2期7, pp. 1995-2002, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m.a. Easton, M. Qian, A. Prasad，和D. H. StJohn，“轻金属和合金晶粒细化的最新进展”，固体与材料科学的现状，第20卷，第2期。1，第13-24页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 唐鹏，胡振中，“基于数值牛顿热分析方法的Al-Si合金凝固过程研究”，材料研究表达，第4卷，第4期。12日,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. E. M. Elgallad, H. W. Doty, S. A. Alkahtani，和F. H. Samuel，“添加La和Ce对Al-Si基合金改性的影响”，材料科学与工程进展文章编号5027243,13页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 王绍昌，周南，宋德福，农达，“稀土对Al-Mg-Si铝合金组织和性能的影响”，材料科学论坛， vol. 898, pp. 367-371, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 陈德良，“Mn和热处理对Al-Si-Cu-Mg合金静强度和低周疲劳寿命的影响”，中国机械工程，2017,27(11):1234 - 1234。材料科学与工程:A，第657卷，第441-452页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. P唐，W。李，Y。赵，K。王，W。李和F。ZHAN，“同时添加锶和镧对二次Al-Si-Cu-Fe合金微观结构和力学性能的影响，”稀土学报第35期5, pp. 485-493, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 李强，朱勇，李斌等，“铁对al -20% Si过共晶合金组织和性能的影响”，材料研究表达，第6卷，第2期1, p. 016506, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. O. Elsebaie, A. M. Samuel, H. W. Doty, S. Valtierra，和F. H. Samuel，“Al-11% Si铸造合金的冲击性能和断口形貌”，国际金属铸造杂志，第12卷，第2期1, pp. 36-54, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. MM哈克，N。我西亚利雅和A。F伊斯梅尔，“硅对铝硅铸造和热处理合金的强度和断裂表面的影响，”固体的断裂与强度，第306-308卷，第893-898页，2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 王颖，关瑞，侯德华，“共晶硅对连续挤压成形铝硅合金晶粒细化的影响，”，材料科学杂志号，第52卷。2，页1137-1148,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. m·f·易卜拉欣Be、Sr、Fe和Mg相互作用对铝基航空合金组织和力学性能的影响[博士学位论文]。论文)， Université du Québec à Chicoutimi, Chicoutimi, QC,Canada, 2015。
15. 钱海华，朱东，胡超，姜旭东，“Zr添加剂对Al-Si合金微观组织、力学性能和断口形貌的影响，”，金属，第8卷，第2期2，第124页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. T. Tantiwaitayaphan, P. Pandee，和C. Limmaneevichitr，“亚共晶al-si合金中共晶si的掺铒改性，”主要工程材料，第718卷，第139-142页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. M科伦坡，E。加里博尔迪和A。Morri，“不同Zr添加量对经0.25%Er改性的Al-7Si-0.4Mg合金微观结构、室温和高温力学性能的影响，”材料科学与工程:A，第713卷，151-160页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. “掺铒对铝合金组织和力学性能的影响”，北京科技大学学报(自然科学版)，主要工程材料，第796卷，第62-66页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. S. Seetharaman, C. Blawert, B. M. Ng等，“铒改性对二元Mg-Al合金微观组织、力学和腐蚀特性的影响”，合金与化合物学报， vol. 648, pp. 759-770, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 何博，秦敏，黄博，“微量元素Er对A356铝合金力学性能的影响”，轻合金制造技术， 2017年第6卷第4页。视图:谷歌学术搜索
21. 吕文军，李伯龙，齐平，聂志仁，“铒含量对6061铝合金组织和性能的影响”，材料科学与工程，2017,36(4):457 - 462。材料科学论坛，第898卷，第35-40页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 史志明，王强，赵刚，张瑞英，“铒对A356铝合金组织和性能的影响，”材料科学与工程:A， vol. 626, pp. 102-107, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. “稀土铝合金改性的研究进展”，《中国有色金属学报》，材料报告第27卷第2期2 .《中国科学院院刊》，2013年第1期。视图:谷歌学术搜索
24. S-Z。卢和A。Hellawell，“铝硅合金中硅的生长机制，”晶体生长杂志，第73卷，第2期，第316-3281985页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. C. Booth-Morrison, D. N. Seidman，和D. C. Dunand，“Er添加对析出强化Al-Zr-Sc-Si合金环境和高温强度的影响”，Acta Materialia，第60卷，第2期8, pp. 3643-3654, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 唐鹏，李伟，王凯等，“al - ti - c中间合金对铸态共晶al - si - fe - cu合金组织和力学性能的影响”，材料与设计， vol. 115, pp. 147-157, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权所有©2020唐鹏等。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。