合金元素对铸造铝合金力学性能的影响
摘要：简述了合金元素含量不同时对铸造铝合金力学性能的变化情况，其中介
绍了稀土对铸造铝合金力学性能的影响，分析了不同含量的稀土使得铸造铝合金力学性能的变化情况，同时也介绍了Si、Cu、Mg、钪、Ce等元素的加入对铸造铝合金力学性能的影响。研究发现某些合金元素可以提高铸造铝合金的力学性能，而某些合金元素则降低铸造铝合金的力学性能。通过研究可以得到提高铸造铝合金力学性能的合金元素的最佳加入量。
关键词：铸造铝合金、力学性能、变质处理
铝是当今世界上产量增长最快的金属。1990年,世界铝合金铸件的产量已达4101341吨,其中产量最多的国家是日本和美国,分别占世界总产量的25.67%和24.33%。铸造铝合金主要用于车辆制造工业和飞机工业。铝硅系铸造铝合金具有抗拉伸、抗疲劳、耐腐蚀等优良性能及较高的比强度与韧性,除具备铸造铝合金的所有性能外, 由于Si粒子的强化作用, 其具有更高的强度和硬度，该类合金的主要牌号为A356和A357两种[1],并且铝硅系铸造铝合金铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小等特点[2],经过变质和热处理后,具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[3],广泛运用于汽车、轨道交通等领域[4]。铸造铝合金的作用越来越重要，研究铸造铝合金的文献也越来越多，其中关于合金元素对铸造铝合金力学性能影响的文献并不多，有的也仅是一种或二三种元素对铸造铝合金力学性能的影响，因此，本文从多种合金元素对铸造铝合金的力学性能的影响进行综述。
1 稀土对铸造铝合金力学性能的影响
稀土对铸造铝合金力学性能的影响，主要通过观察稀土不同含量时铸造铝合金抗拉强度和延伸率的变化情况，其中张德恩[5]等研究了稀土元素Ce含量不同的情况下，新型铸造铝合金力学性能的变化情况如图1所示。
图1 不同稀土含量时合金的力学性能
从图1中可以看出，随着合金中稀土含量的增加, 合金的抗拉强度和延伸率都得到不同程度的提高。当稀土含量为0.15%时,合金的抗拉强度达到最高值461.58 MPa,此后,随稀土含量的继续增加,合金的抗拉强度显著下降。合金的延伸率也有着相同的变化趋势,在稀土含量为0.15%时,延伸率达到最大值6.67% 。合金在稀土含量为0.15%时的力学性能,比起未加入稀土时的抗拉强度256.27MPa,提高了80.1%,延伸率提高了近3倍。可见,稀土的添加对该新型高强度铸造铝合金的力学性能影响之大。加入适量的稀土、再配以合适的工艺,稀土元素大大改善了铸造铝合金的熔炼质量、细化了晶粒组织。银贵[6]等研究了不同含量混合富Ce稀土变质剂对铸造铝硅镁合金力学性能的影响，试验表明，当用W（Ce）=0.10%的稀土变质含W（Fe）=0.12%的Al-Si-Mg合金时在变质温度为750℃，变质时间为30 min，抗拉强度可达到193 MPa，延伸率可达到11%。
章爱生[7]等采用钇基重稀土对AlSi7Mg0.3合金进行了细化变质处理,研究了钇基重稀土对合金热处理态力学性能的影响。AlSi7Mg0.3合金中添加钇基重稀土后, 其T6状态下的抗拉强度和伸长率均明显提高,且随添加量的增大而大幅增加。未变质合金的合金强度和延伸率分别是270MPa、2.8%,当钇基重稀土添加量达到0.3%时,合金的合金强度增至374MPa、延伸率为6.4%。相比较,抗拉强度提高了104 MPa,伸长率增加一倍多。说明AlSi7Mg0.3合金采用钇基重稀土细化变质后,进行T6热处理,可获得高强韧的综合力学性能。
刘竞艳[8]等在Al-4.5Cu铸造铝合金中添加微量的富铈混合稀土，并测定其力学性能，加入富铈混合稀土后，合金的性能发生了明显的变化：铸态基体合金的屈服强度和抗拉强度分别为67.35 MPa和126.23MPa。加入稀土后合金的屈服强度略有降低，稀土加入量为0%～0.50%时，屈服强度缓慢降低，之后，随着稀土加入量的增加，屈服强度基本保持不变。而抗拉强度则较基体合金显著提高；当加入0.50%稀土时，抗拉强度达到最大值163.36 MPa，与基体合金相比增幅29.41%。
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然而，稀土的加入可以明显增加合金的延伸率。得出结论为：稀土元素的加入降低了合金的屈服强度，而提高合金的抗拉强度和延伸率，延伸率最高8.84%。
2 其他元素对铸造铝合金力学性能的影响
其他元素对铸造铝合金力学性能的影响主要研究单一合金元素的影响，但也有研究多种合金元素在热处理后对铸造铝合金的对比影响，其中史霞[9]等利用试验测量Si、Cu、Mg对ZL101合金力学性能的影响，得出的结果为：当Si的含量为4%时，合金的抗拉强度最大，T6处理态合金的抗拉强度为为343MPa；合金伸长率的变化主要取决于Cu和Si，铸态时Si的影响最为强烈，T6时Cu的影响最为强烈，且在各个元素含量最少时，伸长率最大，如合金铸态伸长率为7.46%，T6态伸长率为3.92%％；合金硬度的变化主要取决于Mg的含量。因此，Si对合金的强度影响最为显著；Cu对电导率和伸长率的影响最为显著；Mg对硬度的影响最为显著。罗兵辉[10]等也通过试验得出: Al-Mg 系铸铝随Mg含量增加,强度和塑性均有一定的升高。
郑亚虹[11]等利用试验测定含钪铝合金与变形合金的力学性能指标，得出结论：钪加入合金后, 通过细晶强化、固溶强化、亚结构强化和弥散析出强化多种方式, 全面提高合金的力学性能,使铸造铝合金的力学性能达到或超过变形合金的水平。
孙业赞[12]等研究了Cd对高强度铝合金ZL204A力学性能的影响，得出Cd对ZL204A 合金抗拉强度的影响总体上是有益的。随Cd含量的增加,合金的抗拉强度是先提高后降低。当Cd含量为0.20%时,合金的抗拉强度达到最大值426. 93MPa, 且比铸态试棒的抗拉强度337.76MPa提高了近26.4%。Cd含量超过0.20%后,随Cd含量的进一步增加, 热处理态试棒的抗拉强度急剧下降。当Cd 含量为0. 40%时,热处理前后的抗拉强度分别为329.51MPa和299.44MPa,热处理试棒的抗拉强度比铸态试棒的抗拉强度下降了近9.1%。导致抗拉强度值降低的原因是由于Cd含量比较高时,合金凝固后Cd分布在晶界或枝晶间,热处理时导致过烧,产生裂纹,使合金抗拉强度明显下降。
郭永春[13]等测定了Cu含量对铝硅合金热暴露后的拉伸性能，得到随着Cu 含量的增加, 热暴露后Al-7Si-xCu-0.3Mg合金的抗拉强度逐渐增大,韧性逐渐降低随着热暴露时间延长,合金抗拉强度变化趋势基本相同, 其前期强度下降较快, 后期变化趋于稳定,延伸率平缓上升,最后基本稳定不变,经200热暴露后合金的室温力学性能高于250热暴露合金。
车云[14]等研究了Sr对新型铸造Al-Si-Mg铝合金的过变质现象，结果发现如果添加的Sr变质剂量过多，会导致力学性能显著下降,拉伸强度从正常变质341MPa下降到312MPa,伸长率从9.9%降为3.8%。
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