成分與熱處理對擠壓鑄造AI-8Si系合金強度-硬度關系的影響研究

中圖分類號： U465.2^?2 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250189

Study on the Influence of Composition and Heat Treatment on the Strength-Hardness Relationship of Squeeze Cast Al-8Si Alloy Series

Zhang Xin， Zhao Haidong，Wu Ning，Han Changliang （Commercial Vehicle Development Institute，FAW Jiefang AutomobileCo.，Ltd.， Changchun 130011）

Abstract：To investigate the effects of Mg and Cu element content and heat treatment processes on the relationship between tensile strength andBrinell hardness of squeeze cast Al-8Si aloys，acomprehensiveanalysis method isproposed.This method combines factorssuchasthehardening trendof thematerial’stensilestress-strain curveand the fracture locationonthecurvetoanalyzethetensile strength-Brinell hardness relationship while excluding anomalous data.Theresults indicate that，firstly，increasing thecontent of strengthening elements （e.g.，Mg andCu）inthealuminumaloyeffctivelyimprovestheyield-to-tensilestrengthratioofthealloyinas-cast，solutiontreated，aged，ndT6states，resultinginigh-yield-strengthaluminumaloys.SecondlyT6treatmentachievesthe mostsignificantimprovementintheyieldstrengthof thealuminumalloystudied，followedbyBrinellhardness，withthe leastimprovementintensilestrength.Inaddition，forthe twostudiedaluminumaloysunderdiferent T6 treatment parameters，Ally#1exhibitsayield-to-tensilestrengthratioofO.78toO.79，andAlloy#2showsaratioof0.89 to 0.91，indicatinggood consistency.However，thestrength-to-hardnessandyield-to-hardnessratiosof thetwoallys showconsiderable variability.Underdiferent T6 treatment parameters，Alloy #1's strength-to-hardnessand yield-tohardnessratios range from 2.98 to 3.29and2.37 to 2.58，respectivelywhile Ally #2'scorresponding ratios range from 2.77 to 2.88 and 2.47 to 2.57.

KeyWords：Al-Si alloy，Yield to tensile strength ratio，Brinell hardness，Squeezecasting

1前言

強度和硬度是鋁鑄件設計、質量檢測常用的性能指標。其中，強度主要包含抗拉強度、屈服強度、抗壓強度、剪切強度、疲勞強度。大部分汽車鋁鑄件主要承受拉伸載荷，且拉伸測試過程便捷，因此，汽車行業通常采用拉伸測試進行鋁鑄件設計與品質管控。但受鑄鋁件尺寸、無法破壞等限制，無法使用鋁鑄件制取拉伸試樣檢測抗拉強度和屈服強度，需通過檢測硬度評估零件質量。

當前，對鋼鐵材料的強度-硬度關系研究較為充分，部分研究成果已形成國家標準，同時，較多學者研究了變形鋁合金的強度-硬度關系[2-。行業對鑄造組分、熱處理狀態、熱處理工藝參數與鋁鑄件強度-硬度關系的研究較少。本文以擠壓鑄造Al-8Si系合金為例，研究不同 Mg/Cu 組分、熱處理狀態及熱處理參數對其屈服強度與抗拉強度比值（屈強比）抗拉強度與布氏硬度比值（強硬比）、屈服強度與布氏硬度比值（屈硬比）、組織形貌的影響，同時提出需結合材料拉伸應力-應變曲線硬化趨勢、曲線斷裂位置等因素剔除異常數據，綜合分析計算鑄造鋁合金屈強比、強硬比和屈硬比的分析方法。

2試驗材料與試驗方法

2.1試樣制備

本文所研究的2款不同 Mg/Cu 比例鋁合金的成分如表1所示。采用擠壓鑄造工藝制備拉伸試棒進行抗拉強度、屈服強度和布氏硬度測試。其中，拉伸試棒規格采用GB/T13822—2017《壓鑄有色合金試樣》中的A型拉力試樣，形貌如圖1所示。

圖1擠壓試棒形貌

2.2 試驗方法

采用馬弗爐和電熱溫箱對擠壓鑄態試棒分別進行固溶處理、人工時效處理和T6處理，熱處理工藝參數如表2所示。

在擠壓試棒平行段取樣，采用OLYMPUS金相顯微鏡進行金相組織分析。在擠壓試棒夾持端取樣，采用KB250全自動布氏硬度計測定硬度測試，硬質合金壓頭直徑為 2.5mm ，試驗力為612.9N0 （62.5kgf） 。采用MTS拉伸試驗機進行抗拉強度、屈服強度分析，拉伸速度為 2mm/min 。

為保證數據的一致與有效性，對相同熱處理狀態的鋁合金分別測試4組有效抗拉強度、屈服強度和布氏硬度，取均值后計算屈強比、強硬比和屈硬比。考慮自然時效對固溶態試棒強度及布氏硬度性能的影響，固溶態試棒強度與布氏硬度性能測試需在固溶處理 72h 后開展。

3試驗結果與討論

3.1拉伸斷裂位置對計算結果的影響

開展金屬材料，尤其鑄造金屬材料的強度-硬度關系分析前，除觀察拉伸后的試樣斷口、剔除存在鑄造缺陷的拉伸數據外，還應關注拉伸應力-應變曲線的硬化趨勢與曲線斷裂位置。由于鑄造材料易產生縮孔、縮松、夾渣、偏析等缺陷，對布氏硬度測試結果影響較小，但嚴重影響材料的拉伸性能，尤其是材料的斷后伸長率和抗拉強度。未達到材料屈服強度而發生斷裂的樣品也將影響測定的屈服強度。此外，由于部分鑄造缺陷肉眼難以識別，且試樣存在因異常情況導致早期斷裂的現象，若未分析拉伸應力-應變曲線，則難以有效剔除異常抗拉強度、屈服強度，影響材料屈強比、硬強比、屈硬比計算與分析結果。

圖2、表3分別為經 510°C 固溶6h處理的2#合金試棒拉伸應力-應變曲線和測試數據。拉伸試驗后，樣品1因組織偏析過早斷裂，樣品2和樣品3正常斷裂。3件樣品斷口均無明顯鑄造缺陷，若按常規方式處理，樣品1屈強比和強硬比分別為0.66、2.86，樣品2屈強比和強硬比分別為0.58、3.23，樣品3屈強比和強硬比分別為0.58、3.25。3件樣品的屈強比與強硬比差異較大，難以開展后續數據分析，但3件樣品的拉伸應力-應變曲線趨勢基本一致，表明該熱處理狀態下，材料“本質\"具有較好的性能一致性，推測測試數據的分散性較小，但由于樣品1存在組織偏析發生早期斷裂，導致樣品1測得的抗拉強度偏低，影響屈強比、強硬比計算結果。通過分析拉伸應力-應變曲線，需剔除樣品1數據。

圖22#合金 510% 固溶6h拉伸應力-應變曲線

3.2 屈強比分析

表4為2種Al-8Si合金擠壓試棒在不同狀態下的抗拉強度、屈服強度、布氏硬度。表5、圖3分別為2種合金的屈強比計算結果與變化趨勢。

由表5可知，1#合金在鑄態與較低溫度中 510°C，520°C ）固溶態下的屈強比較為相近，約為0.5，當固溶溫度提升至 530^°C 時，屈強比提升至0.54，表明1#合金在低溫固溶處理過程中因元素溶解產生的固溶強化與強化相溶解引發的軟化作用幾乎同步影響合金的抗拉強度和屈服強度，因而屈強比基本保持穩定。隨著固溶溫度提升至530°C ，元素固溶強化作用增大，屈強比提升。該合金經 170^°C 人工時效6h后，屈強比進一步提升至 0.70 。結合表4推測，1#合金經人工時效處理后，析出的強化相對屈服強度的提升效果較抗拉強度更明顯，提升了材料屈強比。1#合金經不同T6處理后，其屈強比最終提升至約0.79。結合表4分析可知，1#合金在 170° 人工時效 ^6h 與530^°C 固溶 6h+170°C 時效 6h 下的抗拉強度均為356MPa ，其在 530°C 固溶 6h+170^°C 時效6h下的屈服強度較人工時效態提升 31MPa 。分析原因為：1#合金經 530°C 固溶處理后，強化元素與強化相充分固溶至基體內獲得過飽和固溶體，隨后進行人工時效處理，過飽和固溶體析出沉淀硬化產物，沉淀硬化產物與基體間存在應力場交互作用和位錯運動阻力，大幅提升了合金的屈服強度。此外，不同T6處理工藝對1#合金的屈強比影響較小，基本穩定在 0.78～0.79 之間。

隨合金內 Mg，Cu 強化元素含量的提升，2#合金在鑄態及固溶態下的屈強比明顯高于1#合金，表明 元素含量提升可獲得高屈強比合金。與1#合金不同，2#合金的屈強比隨固溶溫度提升增幅明顯，表明隨固溶溫度提升，更多 Mg，Cu 元素固溶到基體中，固溶強化作用更顯著。人工時效及T6處理對2#合金屈強比的影響與1#合金類似。不同T6處理后，2#合金屈強比為 0.89～0.91 ，高于1#合金。

由圖3可知，2#合金在鑄態及熱處理態下的屈強比均高于1#合金，表明增加強化元素含量（如 Mg 、Cu等）可有效提升合金在鑄態、固溶態、時效態及T6態下的屈強比，獲得高屈服強度鋁合金。另外，對成分確定的鋁合金，T6態屈強比最高，人工時效態次之，固溶態屈強比最低，可通過調整熱處理參數，獲得特定合金的不同屈強比。

遠大于單向拉伸狀態下應力狀態軟性系數（0.5），表明布氏硬度測試應力狀態相對較\"軟\"9。由單向拉伸與布氏硬度測試過程的應力狀態分析可知：單向拉伸試驗時，材料首先產生彈性變形，當應力增大到屈服強度時，發生塑性變形，當應力超過材料斷裂強度時，發生斷裂，試驗停止。布氏硬度試驗起始發生材料彈性變形，隨著變形增大，材料屈服產生塑性變形。由于布氏硬度試驗應力狀態軟性系數高，極少出現斷裂現象。綜上所述，雖然單向拉伸試驗與硬度試驗均表征金屬塑性變形抗力及應變硬化能力，但屬不同類型，且試驗過程的應力狀態不完全一致，因此，兩者的試驗結果不完全等同[0]，但對開展材料性能預測與材料開發仍有一定實踐意義。

表6為Al-8Si合金擠壓試棒在不同狀態下的抗拉強度與布氏硬度比值、屈服強度與布氏硬度比值，圖4為強硬比變化趨勢。由圖4和表6可知，鑄態下，2種合金的強硬比約為3.4；不同固溶態及170°C 人工時效態下，2種合金的強硬比為 2.6～ 3.6；不同T6態下，1#合金和2#合金的強硬比分別為 2.98～3.29，2.77～2.88 。與前文分析的屈強比隨固溶處理、人工時效處理、T6處理依次遞增不同，2種合金的強硬比與熱處理狀態未發現明顯線性趨勢。需注意的是：2種合金T6態下的強硬比低于鑄態和固溶態，表明T6處理對上述合金布氏硬度的提升幅度高于抗拉強度提高幅度；含較低強化元素含量的1#合金強硬比除在鑄態下略低于2#合金外，其在固溶、人工時效及T6態均高于2#合金，表明熱處理狀態下，提高強化元素含量對合金布氏硬度的提升幅度高于抗拉強度提升幅度。2種鋁合金T6態下的強硬比為2.77～3.29，粗略估算抗拉強度時，可取3.0。

圖5為2種合金的屈硬比與熱處理狀態趨勢。2種合金在人工時效態及T6態下的屈硬比高于固溶態，與前文屈強比變化趨勢一致，結合表4數據分析，采用人工時效及T6處理后，材料屈服強度較固溶態提升 60%～110% ，但布氏硬度僅提升 20%～ 50% ，表明人工時效及T6態處理對材料屈服強度的提升幅度遠高于對布氏硬度提升幅度，因而屈強比更高。1#合金和2#合金不同T6態下的屈硬比分別為 2.37～2.58，2.47～2.57 ，粗略估算屈服強度時，可取2.5。

表6AI-8Si鋁合金抗拉強度、屈服強度與布氏硬度比值

圖4AI-8Si鋁合金不同狀態下的強硬比

圖5AI-8Si鋁合金不同狀態下的屈硬比

3.4 金相組織分析

圖6為2種合金鑄態與不同熱處理狀態下的金相組織。2種合金在鑄態及 170°C 人工時效 6h 下的金相組織較為相似，主相均為橢圓及枝晶狀 ∝ -AI固溶體和分布在固溶體枝晶間的短桿狀共晶硅。但鑄態與人工時效態組織存在輕微差異：2000倍光鏡下觀察，仍能識別2種鑄態合金內共晶硅尺寸及共晶硅間隙；經 170°C 人工時效 6h 后觀察，共晶硅發生粗化呈團狀分布，共晶硅間隙較難識別，此現象與高壓鑄造Al-Si合金類似[]。2種合金在 520°C-6h 固溶及 520°C-6h 固溶+180°C-6h 時效狀態下的金相組織較為相似，均為球狀、短桿共晶硅 +α-Al 固溶體。

此外，鑄態下的2#合金中不規則及條狀AlCu等強化相數量明顯多于1#合金，符合2#合金Cu元素含量較高的特征。但經T6處理后，金相顯微鏡下則難以觀察到AICu強化相，分析認為原因如下：鑄態下析出的AICu等強化相尺寸較大，光鏡下易識別；經T6處理后，AICu等強化相首先在固溶處理過程中溶解進 α-Al 固溶體，隨后又在時效處理過程中析出，后析出的強化相尺寸細小，光鏡難以分辨。但由共晶硅粗化及鋁合金熱處理轉變機理分析，T6處理后，組織中亞穩相析出，提升了材料強度。

（b）2#合金（鑄態）

（h）2#合金（ h時效）

圖6金相組織

4結論

a.開展金屬材料，尤其鑄造金屬材料的強度-硬度關系分析前，除需觀察試樣拉伸斷口，剔除存在鑄造缺陷拉伸數據外，還應關注拉伸應力-應變曲線的硬化趨勢與曲線斷裂位置，剔除因異常情況導致早期斷裂的數據，保證強度-硬度分析的一致性。

b.提升鋁合金強化元素含量可有效提升鋁合金在鑄態、固溶態、時效態及T6態下的屈強比，獲得高屈服強度鋁合金。T6處理對本文中2款鋁合金的屈服強度提升幅度最高，對硬度提升幅度次之，對抗拉強度提升幅度最低。

c.本文中2款鋁合金T6態下屈強比最高，人工時效態次之，固溶態下屈強比最低。T6處理工藝參數對合金屈強比影響輕微，4種T6工藝參數下，1#合金屈強比為 0.78～0.79，2# 合金為 0.89～ 0.91，表明合金成分對鋁合金屈強比影響較大。

d.由于單向拉伸與硬度試驗分屬不同試驗類型，因而材料強硬比、屈硬比較屈強比分散性更大。本文中2款鋁合金在不同T6態下，1#合金強硬比和屈硬比分別為 2.98～3.29.2.37～2.58; 2#合金強硬比和屈硬比分別為 2.77～2.88.2.47～2.57 。

e.1#合金和2#合金在鑄態及 170°C 人工時效6h狀態下的金相組織均為橢圓及枝晶狀 α-Al 固溶體和分布在 α_α-Al 固溶體枝晶間的短桿狀共晶硅，主相構成與形貌相近。其在 520^°C-6h 固溶及520°C-6h 固溶 +180°C-6h 時效狀態下的金相組織也較為相似，均為球狀、短桿共晶硅 +α-Al 固溶體。受金相顯微鏡分辨率及析出強化相尺寸限制，并未觀察到T6態下的強化相。

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