1. 引言
AlSi7Mg合金属于铸造铝合金，具有密度小、比强度高、延展性好，且具有优良的铸造性能和耐蚀性能，广泛应用于航空航天、汽车发动机引擎铸件 [1] 。
AlSi7Mg合金是可强化热处理的铝合金。通过热处理可细化基体和共晶硅组织，提高力学性能 [2] - [9] 。固溶阶段是为了α-Al通过改变固溶温度、固溶时间、时效温度及时效时间以细化组织，提高强度和塑性指标。一般来讲，固溶阶段是为了将Si和Mg元素溶于铝基体中和球化共晶硅，时效阶段主要是为了形成Mg2Si强化相。
本文通过对汽车发动机的引擎铸件进行不同时效处理，通过XRD、金相分析、差示扫描量热法(DSC)差热分析、拉伸和疲劳测试对其组织结构和力学性能进行了表征测试。
2. 实验方法
2.1. 实验材料
试验材料是商用铸造铝合金AlSi7Mg0.4，具体的镁含量如表1所示。
2.2. 实验过程和表征方法
试验采用已成型的铸件，在马弗炉中进行热处理，先加热至540˚C，升温速率为5˚C /min，保温一定时间，然后降温到时效处理温度并保温一定时间。然后对所得样品进行XRD测试和金相表征，比较了其组织形态；另外，进行拉伸和疲劳试验。表1为AlSi7Mg0.4合金的不同热处理温条件。
采用Rigaku D/max 2250 V的x射线衍射仪(XRD)对样品进行表征，工作电压和电流分别为40 KV和40 mA。采用SINCOTEC公司的POWER SWING疲劳试验机进行力学性能测试，试样为B6 × 30 mm，拉伸速度为1 mm/min。采用金相显微镜Zeiss Vert.A1拍摄金相照片，放大倍数为 × 50，利用拍摄照片测量二次枝晶间距，共晶硅的大小。采用METTLER TOLEDO STAR系统TGA/DSC 2进行热重分析，升温速率为5˚C /min，氮气保护。
Table 1. Heat treatment in the AlSi7Mg0.4 alloys
表1. AlSi7Mg0.4铝合金的热处理工艺
3. 实验结果与分析
所有疲劳测试前后的样品进行XRD表征。图1展示了疲劳测试前1#样品的XRD图谱，图中所有衍射峰分别对应α-Al(JCPDS No. 04-0787)和Si(JCPDS No. 27-1402)，且没有观察到其它杂质峰。
Figure 1. XRD pattern of AlSi7Mg0.4 alloy
图1. AlSi7Mg0.4合金的x射线衍射图
为了考察α-Al基体的晶粒尺寸变化规律，针对所有疲劳测试前样品的α-Al的(111)晶面进行Rietveld精修后，其半峰半宽如表2所示。结果表明，α-Al基体的晶粒尺寸变化不大，固溶时间较短的2#号样品α-Al基体的晶粒尺寸相对最小。
Table 2. Peak width at half height (FWHM) of (111) lattice plane in α-Al
表2. α-Al(111)晶面的半峰半宽
同时，对所有样品进行半定量分析，其结果如表3所示。从表3中可以看出，不同的时效处理温度下，α-Al和Si的含量并没有明显的变化规律；但疲劳测试后，Si的相对含量有所变化。当时效温度为175˚C时，Si的相对含量增多了66.1%；当时效温度为165˚C时，Si的相对含量增多了12.5%；当时效温度为155˚C时，Si的相对含量减少了1%，当时效温度为150˚C时，Si的相对含量减少了1.8%。在疲劳过程中，时效温度较高的1#和2#样品可能有部分Si从α-Al基体中析出造成，时效温度较低的3#和4#样品可能形成了某种少量Si的化合物。
Table 3. Specific gravity of α-Al and Si before and after fatigue test
表3. 疲劳测试前后α-Al和Si的比重
*
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表4是不同时效条件下处理后的样品的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率以及疲劳参数。从表4中可以看出，不同时效处理温度下，AlSi7Mg0.4合金的抗拉强度没有明显的变化规律，所有样品数值接近；但屈服强度随着时效温度的降低而降低，断后伸长率随时效温度的降低而升高。结果表明：时效温度降低，Mg2Si强化相的析出量变少，从而降低了其屈服强度和提高了其断后伸长率。
为了考察其动态力学性能，进行了疲劳测试。本文通过对每个样品的12个零件的疲劳数据进行拟合，得到k和Sd值，如表4所示。根据疲劳极限公式
，其中N是循环次数，F为加载力。结果表明，当加载次数N = 104，1#和2#样品的最大加载载荷为21.899 kN和22.415 KN，3#和4#样品的最大加载载荷分别为30.628 kN和35.208 kN。根据使用要求，最大加载载荷必须大于30 kN，因此只有3#和4#样品满足使用要求。结合XRD结果分析，时效温度低的样品形成的少量Si的化合物，有利于增加试样的疲劳寿命。
Table 4. Tensile and fatigue properties of AlSi7Mg0.4alloys with different aging treatments
表4. 不同时效处理温度AlSi7Mg0.4合金的拉伸和疲劳性能
疲劳测试以后，分别对不同时效处理条件下的样品进行金相组织检测，结果如图2所示。所有样品中共晶硅均为细小的纤维和颗粒状分布，整体分布都比较均匀。边界的共晶硅组织有利于组织位错的发生，提高屈服强度。从图2(a)和图2(b)可以看出，在树枝晶边界分布的共晶硅明显多于图2(c)和图2(d)。1#和2#样品，时效温度较高，Si在晶界分布的均匀性较差，会出现密集区；时效温度较低3#和4#样品，Si在晶界分布的有较好的均匀性，对基体的割裂作用小，塑性较好，可提高疲劳性能。由此可见，材料的静态力学性能(屈服强度)主要跟晶界硅的数量有关，数量越多，屈服强度会越高；而材料的动态力学性能(疲劳性能)主要跟晶界硅的分布有关，分布越均匀，疲劳性能越好。
Figure 2. M etallographic micrograph of AlSi7Mg0.4 alloy with different aging treatments: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#
图2. 不同时效处理条件下AlSi7Mg0.4合金的金相显微照片，(a) (b) (c) (d)分别为1到4号样品
Figure 3. DSC curves before (a) and after (b) fatigue testing
图3. 疲劳测试前(a)和测试后(b)的差示扫描量热法(DSC)曲线
为了进一步分析不同时效处理的样品，对疲劳测试前后的所有样品进行了DSC分析，如图3所示。从图3(a)中可以看出，疲劳测试前，当温度从50度到200度时，1#和2#样品没有明显的吸热反应，50度附近的放热峰应该是水；3#和4#样品具有明显的吸热峰，分别在60˚C和58˚C，表明有反应。从图3(b)中可以看出，疲劳测试后，四个样品均没有明显的吸热峰存在。因此，该铸件在低温长时间运行，会析出某种(Mg, Si)强化相，阻碍位错运动，提高塑性，在运行过程中会提高使用性能。
4. 结论
本论文中的AlSi7Mg0.4铸造铝合金中α-Al基体晶粒大小范围变化不大，主要引起性能变化因素是第二相的大小和分布。屈服强度随着时效温度的降低而降低，断后伸长率随时效温度的降低而升高。当加载次数N = 104，1#、2#、3#和4#样品的可承受的最大加载载荷为21.899 kN、22.415 kN、30.628 kN和35.208 kN，只有时效温度较低的3#和4#样品满足大于30 kN的使用要求。结合XRD结果分析，时效温度低的样品形成的少量Si的化合物，有利于增加试样的疲劳寿命。结合金相分析，较高的时效温度会降低Si在晶界分布的均匀性，出现密集区；时效温度低，Si在晶界分布的有较好的均匀性，对基体的割裂作用小，塑性较好，提高疲劳性能。结合DSC分析，长时间低温运行，会析出某种(Mg, Si)强化相，阻碍位错运动，提高塑性，在运行过程中会提高使用性能。综上所述，较低的时效温度会提高其疲劳性能。