JMatPro助力压铸铝合金的优化设计及析出相分析

铝合金材料在交通、海洋、空天等领域广泛应用，特别是在汽车、飞机、航天、舰船等轻量化关键部件上，具备不可替代的优势。目前，我国汽车行业广泛采用共晶和亚共晶的Al-Si合金作为活塞材料。AC4B铝合金是一种亚共晶型压铸用铝合金，具有优良的室温机械性能和耐腐蚀性能，同时具备较高的强度和轻量化的特点，适用于制造形状结构复杂、性能优良的发动机配件。然而，随着对发动机性能要求的不断提高，这种材料已经无法满足性能上的需求,优化成分成为研究的热点之一。

近日，福州大学李明林团队以AC4B铝合金为研究对象，利用正交试验方法设计不同组分含量的合金，应用金属材料相图和材料性能模拟软件JMatPRO研究不同组分合金的力学性能和热力学特性，为优化高强度压铸铝合金的成分设计提供参考。

1、实验材料及正交试验

AC4B 铝合金是日本标准的牌号,其化学成分范围(wt %)为:7～10 Si,2 ～4 Cu,<0.5 Mg,≤1.0 Zn,≤1.0 Fe,≤0.5 Mn,≤0.35 Ni.≤0.2 Ti,≤0.2 Pb，≤0.1 Sn,≤0.2 Cr。其在自由状态下的强度>170MPa,而在 T6 时效处理下的强度>240 MPa。

针对 AC4B 标准成分中的 Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Ni、Fe 等元素各取3 水平,具体含量见表1。

表1 AC4B 铝合金各元素的含量变化表 wt/%

针对合金成分设计的7因素3水平，设计了正交试验表，得到 18种试样方案，如表2所示。

表2  正交试验表

2、结果与讨论

采用 JMatPro软件关于铝合金的机械性能计算模块，基于多相材料理论和热力学原理，使用热力学数据库中的数据来计算材料的相平衡，包括相变温度、相变热、相变时的晶体结构变化等。然后，根据弹性力学和塑性力学的原理，计算材料的机械性能参数 。此外，还考虑了温度、应变速率等外部条件对材料性能的影响，以提供更准确的机械性能预测。

2.1 强度正交试验优化设计

采用 JMatPro软件计算的正交试验方案的强度计算结果如表３所示。试验9的机械强度最高,达到 316.44 MPa。该机械强度是在初始冷却速率为 100 ℃/s 条件下对应的 0.2%屈服应力。0.2%屈服应力随初始冷却速率变化的曲线如图1所示。

表３ 采用 JMatPro软件计算的正交试验方案的强度计算结果

图1 利用JMatPro软件计算的合金0.2%屈服应力随初始冷却速率的变化曲线

表3的均值分析结果显示，当合金组分为Si9Cu4Mg0.3Ni0.3Zn0.8Fe0.9Mn0.3 时，合金在100 ℃/s 下对应的 0.2%屈服应力最高。表3的极差分析结果表明,试验中,元素对其机械性能的影响次序为:Cu >Fe>Si>Mg>Mn>Zn>Ni.

2.2 两组AC4B铝合金的性能比较

考虑两组铝合金,合金1:Si9Cu4Mg0.1Ni0.1Zn0.8 Fe0.9Mn0.4、合金2:Si9Cu4M0.3Ni0.3Zn0.8Fe0.9Mn0.3.分别计算其析出相的质量分数随温度的变化,如图2和图3所示。其中嵌人图为析出相的局部放大图。

图2 合金1的析出相质量分数随温度的变化曲线

图3 合金2的析出相质量分数随温度的变化曲线

由图2和图3可见,虽然合金1在冷却过程中比合金2 多了个析出相 Al9M2,但是合金1和合金2在低温情况下都仅存7种析出相。比较各析出相的质量分数,可以发现,对于析出相 Silicon、Al2Cu、Alpha,合金1的质量分数分别为:8.46%、6.47%3.11%,高于合金 2 的质量分数:8.29 %、4.62%、2.33%；但是,对于析出相 AlFeSi_beta、Al7Cu4Ni、Al5Cu2Mg8Si6,合金1的质量分数分别为:1.34%、0.85%、0.32%,分别低于合金2 的质量分数:1.84%、2.56%、0.96%。此外,两合金的析出相 AI3M DO22的质量分数含量相同。

3、结语

在日标 AC4B 铝合金标准成分范围内,设计7因素3水平的正交试验方案，以初始冷却速率为100 ℃/s条件下对应的 0.2%屈服应力为考察指标。计算结果显示:当合金组分为Si9Cu4M0.3Ni0.3Zn0.8Fe0.9Mn0.3 时，合金在100℃/s 下对应的0.2%屈服应力最高:合金元素对其机械性能的影响次序为:Cu>Fe>Si>Mg>Mn >Zn>N。最后对两个高性能合金进行析出相分析析出相的含量差异对其性能的影响有相关性。

参考文献：杨海,李明林,赵洪全,等.高性能AC4B铝合金成分的优化设计及析出相分析[J].南方金属,2024(02):7-10.

JMatPro软件一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，尤其适用于实际工业的多组分合金。使用JMatPro可以设计合金成分、开发新合金和改进各种热处理工艺等，也可用于与各种CAE软件（DEFORM、FORGE、ProCAST、Magma、Sysweld、Thercast等）一起进行工艺流程设计与仿真。

JMatPro软件主要功能包括：（1）平衡相图计算；（2）凝固及材料性能计算；（3）材料热物性能计算；（4）机械性能计算；（5）相转变动力学计算；（6）材料优化设计；（7）API功能；（8）MPO功能。

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