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摘 要

随着汽车发动机工作温度的不断提升，对材料的高温稳定性的要求更加苛刻。在本研究中，制备了Al-4.5Cu-1.0Mn-0.3Ni耐热铝合金，并进行固溶处理和时效处理及随后的高温持久暴露处理。采用光学显微镜、SEM和TEM 观察了不同处理后样品中的组织变化，在300^oC进行拉伸实验获取高温力学性能。时效处理后合金300^oC的强度显著增加， 同仅经过固溶处理的合金相比，屈服强度提升了24MPa。这归功于时效过程中细小″相的大量析出。也就是说，时效过程中析出的″相对合金的高温强化有显著的贡献。但是，经过350^oC持久暴露100小时后，合金300^oC下的屈服强度和抗拉强度分别显著下降61MPa 和75MPa。组织观察发现高温持久暴露后上述的″相完全消失，同时组织中形成大量的稳定(CuAl₂) ，后者将显著降低Cu在基体中的溶解度。正是这两点导致强度的严重降低。

关键词：耐热铝合金；固溶时效处理；高温持久暴露；显微组织；力学性能

Abstract

With increasing rise in the working temperature of automobile engines, the requirement for high temperature stability of the materials becomes more rigorous. In this study, Al-4.5Cu-1.0Mn-0.3Ni heat-resistant aluminum alloy was prepared and solute and ageing treatments and long-time exposure at 350^oC were carried out. And microstructure evolution was observed by OM, SEM and TEM and mechanical properties were obtained by tensile test at 300^oC. After ageing treatment, the high temperature strength at 300^oC is increased considerably, 24MPa increment in yield strength compared with that only after the solution treatment. This is contributed to the great precipitation of fine ″plates during the ageing treatment. That is, the ageing precipitated ″ phase has great contribution to high temperature strengthening. But after long-time exposure at 350^oC (100h), both the yield strength and ultimate tensile strength are greatly decreased by 61MPa and 75MPa respectively. It is found that, after the long-time exposure, the aforementioned ″ phase is completely disappeared and a great number of stable (CuAl₂) phase is formed that reduces the solubility of Cu solute in matrix. Just these leads to the severe reduction in strength.

Keywords：heat-resistant aluminum alloy；solute and ageing treatments；long-time exposure at high temperature；microstructure；Mechanical properties

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1综述 1

1.2耐热铝合金 2

1.2.1 铸造耐热铝合金 2

1.2.2 变形耐热铝合金 5

1.3铝合金的热处理 6

1.3.1固溶处理 6

1.3.2淬火处理 7

1.3.3 时效处理 8

1.4 高温力学性能 9

1.5 热稳定性 9

1.6 研究内容 10

第二章 实验方法 11

2.1技术路线 11

2.2合金熔制 11

2.2.1合金制备 11

2.2.2合金成分测定 13

2.3 热处理工艺 13

2.4 试样的高温暴露处理 14

2.5 性能测试 15

2.6 组织观察 15

2.5.1 金相组织观察 15

2.5.2 扫描电镜观察和能谱分析 16

2.5.3 透射电镜观察 16

第三章 高温持久暴露对耐热铝合金组织与性能的影响 17

3.1合金成分 17

3.2合金的铸态组织 17

3.2.1金相组织观察 17

3.2.2 扫描电镜观察和能谱分析 18

3.3 合金的固溶淬火态组织 19

3.3.1金相组织观察 19

3.3.2扫描电镜观察和能谱分析 20

3.3.3透射电镜观察 22

3.4 合金的时效态组织 22

3.5 高温暴露后的合金组织 23

3.5.1 金相组织观察 23

3.5.2 扫描电镜观察和能谱分析 24

3.5.3 透射电镜观察 25

3.6 合金力学性能测试 26

3.5.1 合金的高温拉伸试验 26

3.5.2 拉伸断口扫描电镜观察 27

3.5.3 拉伸断口透射电镜观察 27

第四章 结论 29

参考文献 30

致 谢 33

第一章 绪论

1.1综述

发动机对汽车的重要作用不言而喻，它几乎可以说是汽车的“心脏”，而发动机的重量大约可占汽车总重量的20%以上，所以通过改进发动机缸体材料来实现汽车的轻量化是非常有必要的。由于发动机结构十分复杂，尺寸要求也极其精确，且需要在高温、高压、高速和摩擦环境下持续使用很长时间，缸体承受的压力很大，摩擦磨损也十分严重^[1]。因此，优异的高温力学性能是制作发动机缸体材料等耐热工件必不可少的。最初发动机材料主要是铸铁，而铸铁一般密度较大，这会导致发动机质量占比较高。现在全球变暖及能源问题十分严重，降低燃油消耗，减少排放越来越受到各大汽车公司的重视，小汽车发动机已全部采用了铝质发动机。重型汽车仍采用铸铁的柴油发动机，但铝质柴油发动机是未来发展趋势，对铝合金的高温力学性能提出了更高的要求。

以铝为主要元素的铝合金在交通运输、建筑、航空航天等领域的应用地位不可撼动。因为铝加工技术在不断发展，市场需求不停增长，能源及环境的要求不断提高，铝合金即将大面积替代钢铁，成为实现轻量化的首选结构材料。如今航空航天及汽车制造工业发展迅速，对材料的要求也不断提高，尤其是轻质的高强材料，能够帮助发动机节约燃料，降低能耗，将会为建设环境友好型的工业体系提供强力支持。在汽车制造上，铝合金常用于制造关键的发动机部件，如活塞、轴承、连杆、气缸衬套、气缸盖、阀门及齿轮等^[2]。在发动机缸体、气缸盖和气缸套上都可以见到耐热铝合金的使用^[3]。同铸铁相比，作为制备发动机缸体的新型材料，铝合金具有如下的优势：（1）铝合金密度较低，约为铸铁的三分之一，在保证性能的基础上适当使用铝合金材料制作发动机缸体能够很大程度地发动机的重量，能够更好地节约能源的过度损耗；（2）铝合金的比强度可以接近结构钢，尤其是最近新研发出的一种抗拉强度达到600MPa的一种强度及韧性很高得到新型铝合金材料，其强度甚至不输于一般结构钢；（3）由于铸铁的导热率较低，这会导致发动机缸体在长时间工作时过热倾向过大，而铝合金能极大地降低这种趋势；（4）铸铁表面的氧化膜不够致密，这会导致铸铁锈蚀的可能性非常大，极大地浪费了自然资源，而铝合金表面的致密氧化膜能够防止基体锈蚀；（5）铝合金的熔点低于铸铁，适合大批生产，生产过程中能够节省大量的成本^[1]。

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