Sr含量对A356合金微观组织及力学性能的影响

赵后亮 ，周吉学 ，唐守秋 ，王金伟 ，张琳琳 ，陈燕飞，李长龙，吴建华*

(1.山东建筑大学，山东 济南 250101；2.山东省轻质高强金属材料省级重点实验室(筹), 山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014 ；3,山东省汽车轻量化镁合金材料工程技术研究中心,山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；4.山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014)



【新材料】

Sr含量对A356合金微观组织及力学性能的影响

赵后亮1，周吉学2,3，唐守秋4，王金伟2，张琳琳4，陈燕飞2,3，李长龙1，吴建华2,3*

(1.山东建筑大学，山东 济南 250101；2.山东省轻质高强金属材料省级重点实验室(筹), 山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014 ；3,山东省汽车轻量化镁合金材料工程技术研究中心,山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；4.山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014)

通过在A356合金中添加Al-10Sr中间合金，分析Sr含量对A356合金微观组织及力学性能的影响规律。结果表明，随着Sr含量的增加，其力学性能先升高后降低。当Sr加入量质量分数达到0.03%时，其抗拉强度为204 MPa、延伸率为10.4%，较未变质的A356合金分别提升了18%、189%。通过微观组织分析表明，Sr的添加能够明显改善A356合金中共晶硅相的形貌，由粗大的针片状转变为细小的纤维状或颗粒状，从而改善合金的力学性能。

A356合金;Sr含量;微观组织;力学性能

铸造铝硅合金A356作为传统的金属材料，由于其密度小、良好的铸造性能和比强度高等特点，被广泛应用于汽车、机械、航空以及航天等领域[1-4]。但是A356合金在铸造过程中易形成粗大的初生相α-Al及粗针状的共晶硅(Si)相和块状的富铁相，严重影响材料的力学性能，其中Si相的形态和分布与合金力学性能密切相关[5-7]。因此，如何改变Si相在合金中的形态和分布成为研究者们关注的重点。

A356合金中共晶Si相的处理方法有超声细化、机械振动和添加变质剂等，其中添加变质剂是最为方便、快捷、有效的处理方法[8-10]。目前，常用的变质剂有Na、Sr、Sb、Re等，其中Sr变质不仅能够很好地改善共晶Si的形貌，而且其变质时间较其他元素有着明显的优势，是目前应用最广泛的变质剂[11-14]。本文通过在A356合金中添加不同含量的Al-10Sr中间合金，对合金进行变质处理,研究不同Sr含量对A356合金微观组织形貌及力学性能的影响规律，并对其影响机理进行分析。

1 试验材料及方法

试验所采用的材料有A356合金、Al-10Sr中间合金，A356合金的化学成分如表1所示。

表1 A356合金化学成分Table 1 Chemical components of A356 alloy

首先，将放有A356合金的石墨坩埚置于井式电阻炉中，升温至750 ℃，待合金熔化后静置10 min，加入质量分数0.4 %的精炼剂除渣除气，保温10 min后扒渣；加入Al-10Sr中间合金进行变质处理，实现A356合金中Sr质量分数分别达到0、0.01%、0.03 %、0.05%、0.07 %、0.1 %、0.15 %，变质时间15 min；通入Ar气除气处理，Ar气流量为10 mL/min，通气时间为8 min；将熔体温度降至720 ℃，浇入预热到200 ℃的金属型中，获得制备样品。

单位：mm图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

所得样品经过砂纸打磨，机械抛光，然后利用体积分数0.5%HF水溶液腐蚀，进行微观组织观察。采用JSM-6460型扫描电子显微镜(SEM)进行合金微观组织、拉伸断口形貌观察，结合Oxford的EDX-500型能谱仪(EDS)对合金进行微区化学成分分析。采用DW-200E电子万能试验机进行拉伸性能测试，拉伸样品尺寸如图1所示。利用HB-3000B型布氏硬度计测试合金的布氏硬度。

2 试验结果及分析

2.1 微观组织分析

图2为不同Sr含量A356合金的微观组织形貌。可以观察到，A356合金中没有明显的气孔、疏松等缺陷，不同Sr含量A356合金中共晶Si相的形貌有明显区别。图2a、2e为未变质的A356合金的微观组织形貌，其中共晶Si相呈粗大的针片状分布，长度约为20 μm ～50 μm，宽度约为3 μm ～8 μm，这种粗的针片状共晶Si相将严重割裂基体，影响合金的力学性能。图2b、2f为Sr质量分数为0.03%时，A356合金的微观组织形貌，共晶Si相呈纤维状或颗粒状分布。可见Sr的添加能够明显改善共晶Si相的形貌，其变质效果明显。关于共晶Si相Sr的变质机理，Li等[15]通过实验观察到，在共晶Si相的生长过程中，变质元素Sr将会吸附在<112>Si生长方向或多个Si孪晶的交界处，阻碍Si相生长或改变生长方式，从而改变共晶Si相的生长形态。Barrirero等[16]提出纳米尺寸的SrAl2Si2团簇将会在Si相和液相的界面处形成，阻碍Si相的生长，从而改变了共晶Si相的生长形态。

a 未变质；b Sr质量分数0.03%；c Sr质量分数0.07%；d Sr质量分数0.15%；e 未变质高倍观察；f Sr质量分数0.03%高倍观察图2 不同Sr含量A356合金微观组织Fig.2 Microstructures of A356 alloys with various Sr content

2.2 合金力学性能分析

图3为不同Sr含量A356合金的力学性能。可以观察到，添加变质元素Sr的A356合金力学性能明显优于未变质合金的力学性能，同时A356合金的力学性能随着Sr含量的增加先升高后降低。

a 拉伸性能b 布氏硬度图3 不同Sr含量A356合金的力学性能Fig.3 Mechanical properties of A356 alloys with various Sr content

由图3a知，在Sr质量分数为0.03%时，A356合金的抗拉强度达到最高值204 MPa，相应延伸率为10.4%；在Sr质量分数为0.05%时，合金的延伸率达到最高值13.5%，相应的抗拉强度为192 Mpa。由图3b可知，在Sr加入量质量分数达到0.03%时，合金的布氏硬度达到最高值62.4 HB。

以上结果表明，在Sr质量分数为0.03%时，A356合金的力学性能最佳，比未变质合金的抗拉强度173 MPa、延伸率3.6%、布氏硬度60.4 HB，分别提高了约18%、189%、3%。以上结果表明，共晶Si相形貌的转变可以大大改善合金的力学性能，特别是提高了合金的塑性。

图4为不同Sr含量A356合金拉伸断口形貌。可以观察到，不同Sr含量合金的断裂方式不同。未变质的A356合金，拉伸断口韧窝数量少，有大量的解理面及台阶，断裂方式为准解理断裂。加入Sr变质后，合金断口处韧窝增多，断裂方式向韧性断裂转变。由此可见，A356合金Sr变质之后，其塑性变形能力明显提升。当Sr质量分数达到0.15%时，断口处又出现明显的解理面，降低了合金的力学性能。

a 未变质；b Sr质量分数0.03；c Sr质量分数0.07%；d Sr 质量分数0.15%图4 不同Sr含量A356合金拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology of A356 alloys with various Sr content

A356合金Sr变质后力学性能的改善，是由于未变质A356合金中共晶Si相呈粗大的针片状，这将严重割裂基体，同时共晶Si相为脆性相，粗大的针片状共晶Si在受力过程易断裂，如图5a中A位置及图5b能谱所示；同时在合金受力过程中，易在粗针状共晶Si相的尖角处产生应力集中，导致在共晶Si相和基体Al相的交界处产生裂纹，使合金提前断裂，如图5a中的B位置及图5c能谱所示，从而降低合金的力学性能及塑性变形能力。加入Sr变质之后，大部分共晶Si由粗大的针片状转变为细小的纤维状或颗粒状，从而降低了对基体的割裂作用；同时在合金受力过程中，变质后颗粒状的共晶Si应力集中大大降低，因此提高了变质合金所承受的最大应力，从而提高合金的抗拉强度；颗粒状的共晶Si相可以提高合金的变形协调能力，一部分裂纹在穿过Al基体后可以绕过颗粒状的共晶Si相，使Al基体的塑性变形能力得以发挥，从而提高合金的塑性变形能力。

a 断口照片；b A点能谱分析；c B点能谱分析图5 未变质A356合金拉伸断口能谱分析Fig.5 EDS spectra of tensile fracture of unmodified A356 alloy

但是，变质元素Sr 易吸气，过多Sr的添加将提高A356合金的吸气倾向，增加合金中气孔、疏松等缺陷[17-18]；同时，Sr的添加易在合金中形成脆性相Al4Sr，过多Sr的添加会导致大量脆性相的产生，从而降低合金的力学性能。

3 结论

(1)变质元素Sr的添加能够明显改善A356合金共晶Si相的形貌，共晶Si相形貌的转变可以大大改善合金的塑性。

(2)随着Sr含量的增加，A356合金的力学性能先升高后降低。当Sr质量分数为0.03%时，A356合金具有最佳的力学性能，其抗拉强度为204 MPa、延伸率为10.4%、布氏硬度为62.4 HB，比未变质合金分别提高了约18%、189%、3%。

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Impact of Sr content on microstructure and mechanical properties of A356 alloy

ZHAO Hou-liang1, ZHOU Ji-xue2,3, TANG Shou-qiu4, WANG Jin-wei2,ZHANG Lin-lin4, CHEN Yan-fei2,3, LI Chang-long1, WU Jian-hua2,3*

(1. Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China ;2. Shandong Provincial Key Laboratory of High Strength LightweightMetallic Materials (in preparation),Advanced Materials Institute,Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 3. Shandong Engineering Research Center of Lightweight Automobiles Magnesium Alloys, Advanced Materials Institute,Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 4. Advanced Materials Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶We analyzed the impact of Sr content on microstructure and mechanical properties of A356 alloy through Al-10Sr master alloy addition. Results show that mechanical properties of A356 alloy first increase and then decrease with the increase of Sr content. It has tensile strength of 204 MPa and elongation rate of 10.4% for Sr content of 0.03%. The two parameters are improved by 18% and 189%, as compared with unmodified A356 alloy. Microstructure analysis indicates that Sr addition can significantly change the morphology of eutectic silicon, from coarse plate form to fine fibrous or particle form, so its mechanical properties are improved.

∶A356 alloy; Sr content; microstructure; mechanical properties

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.011

2016-04-18

山东省博士基金(BS2015CL016)；山东省科学院青年基金(2014QN026)

赵后亮(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为有色金属及合金铸造。

*通信作者，吴建华，男，助理研究员。Tel:0531-88728307，Email:jianhw@sdas.org

TG146.21

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