吳 玲，董國疆，沈艷芝，張亦杰,劉宏磊，

(1. 燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004；2. 中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011)

0 引 言

A356.2鋁合金是一個典型的Al-Si-Mg系三元合金，是一種具有優(yōu)秀的綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能(流動性好、線收縮小、無熱裂傾向)，可鑄造薄壁和形狀復雜的鑄件，而且通過熱處理可達到較高的強度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合性能，因此成為了汽車鑄造鋁輪轂的首選材質[1]。其中，屈服強度作為材料由彈性變形階段進入塑性變形階段的標志，是材料性能評估的重要指標之一。目前，材料的屈服強度是通過試樣的拉伸性能獲取的，其結果獲取周期較長。如果研發(fā)一種屈服強度的快速檢測技術，將為企業(yè)產(chǎn)品的熱處理質量快速評估提供重要參考。

對于A356.2合金而言，硅在α-Al中的固溶度為0.5%～1.2%,由于硅的固溶產(chǎn)生的屈服強度增加為2～3 MPa。關于Al-Mg-Si合金的強化機理, 合金的脫溶序列為過飽和α固溶體→GP區(qū)→β ″相→β′相→β相,當形成GP區(qū)時,GP區(qū)與基體在邊界附近產(chǎn)生彈性應變, 阻礙了位錯運動,提高了合金的強度;隨著時效時間的延長,GP區(qū)迅速長大成針狀或棒狀即為β″相,其C軸方向的彈性共格結合引起的應變場最大,它的彈性應力也最高,當β″相長大到一定的尺寸,它的應力場遍布整個基體,應變區(qū)幾乎相連,此時合金的強度較高;在β″相的基礎上,Mg、 Si原子進一步富集形成局部共格的β′過渡相,其周圍基體的彈性應變達到最大值,強度有所下降; 當形成穩(wěn)定的β相時,失去了與基體的共格關系,共格應變消失,強度相應有所下降。因此,合金強度的變化應主要歸因于其沉淀析出相之間的轉變[2]。目前，這一方法僅被許多學者應用于新材料開發(fā)時的熱處理工藝優(yōu)化。

熱處理后屈服強度提高的機理是Mg2Si相(β)的析出強化。其熱處理工藝主要包括固溶與時效兩個階段。固溶階段是將鋁合金在低于固相線以下的溫度進行保溫，目的是將Mg2Si固態(tài)擴散至α-Al中，通過快速淬火形成過飽和的α-Al固溶體；隨后的時效處理是在低溫下形成納米β″強化相，通過析出強化機制提高材料的強度。研究表明，納米β″強化相析出在提升鋁合金強度的同時，其硬度也隨之提高。因此，可以通過材料硬度的變化來定性判斷強度的高低。由于析出相的尺寸和數(shù)量與化學成份密切相關，很難形成統(tǒng)一的準確預測模型。

本研究針對化學成份已定的A356.2鋁合金，在即定的固溶工藝前提下，研究不同時效處理工藝對材料硬度、屈服強度的影響。通過對其微觀組織與實驗數(shù)據(jù)的分析，建立硬度與屈服強度的關系模型，從而為基于硬度值的材料屈服強度預測提供參考。

1 A356.2鋁合金成份及組織特征

A356.2鋁合金成份如表1所示，主要的合金元素成份為Si和Mg。放大200倍下觀察金相組織，鑄造狀態(tài)下，Si以塊狀或短桿狀的共晶硅和Mg2Si的形態(tài)存在，Mg主要是形成粗大的Mg2Si相，如圖1(a)所示。熱處理后，共晶硅相被球化成點狀或蠕蟲狀，如圖1(b)所示，粗大的Mg2Si相被固溶進α-Al后再重新時效析出成納米β″(Mg5Si9)強化相。為了更微觀地觀察，放大400倍觀察金相組織，如圖2(a)， 2(b)所示。

表1 A356.2鋁合金的化學成份[3] 單位：wB/%

(a) 熱處理前

(b) 熱處理后

(a) 熱處理前

2 屈服強度和硬度分析

本研究針對A356.2鋁合金鑄態(tài)、T5和T6階段的熱處理工藝，測試不同熱處理階段樣品的拉伸強度與硬度，研究布氏硬度與屈服強度的對應關系。

2.1 屈服強度檢測

取樣后按圖3制備拉伸試樣，按國標GB/T 23301—2009[3]和GB/T 228—2002[4]用萬能材料試驗機檢測材料屈服強度。

圖3 拉伸試樣

2.2 布氏硬度檢測

取樣后按圖4制備硬度樣，并按國標GB/T 231.1—2009[5]用布氏硬度計檢測材料硬度。

圖4 硬度試樣

3 實驗結果與預測模型的建立

鑄態(tài)及不同熱處理工藝下的，A356.2鋁合金的硬度和屈服強度見表2。

將實驗結果分成兩個批次，第一個批次進行數(shù)據(jù)回歸，第二個批次用于實驗驗證。根據(jù)第一個批次每個硬度點的屈服強度得到如圖5所示的回歸擬合曲線。將得到模型應用于生產(chǎn)驗證，結果如表3所示。

表2 A356.2鋁合金硬度和屈服強度檢測數(shù)據(jù)

圖5 硬度與屈服強度的關系圖

表3 A356.2鋁合金硬度和屈服強度檢測及預測數(shù)據(jù)

4 結 語

A356.2鋁合金布氏硬度和屈服強度之間存在強相關關系，相關系數(shù)為0.99；模型訓練具有較高的可靠性， 預測準確度在96%以上。經(jīng)計算：硬度x和屈服強度y之間關系式為：y≈2.89x-62,數(shù)據(jù)方差R2≈0.99。用這個模型可以很好地基于硬度進行屈服強度的預測。