《Materials Chemistry and Physics》：Enhancing Mechanical and Tribological Properties of Al-9.2Si-4.9Cu-0.7Mg Alloy via Non-Isothermal Aging
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Al-9.2Si-4.9Cu-0.7Mg合金非等温时效处理对性能的影响研究表明，200℃峰值温度下获得最佳综合性能，硬度达158.1±1.9 HV，抗拉强度352.1±6.7 MPa，断裂韧性5.51±0.26 MJ/m3，磨损率降低54%，摩擦系数下降36%，源于纳米级均匀Al?Cu析出相对位错运动和裂纹扩展的抑制作用。
Mamdouh Ibrahim Elamy | A. Fathy | Marwa Elmahdy
工业工程系，工程学院，北方边境大学，沙特阿拉伯阿拉尔
摘要
本研究探讨了非等温老化对铸造Al–9.2Si–4.9Cu–0.7Mg合金机械性能和摩擦学性能的影响。所有试样均在520°C下进行12小时的固溶处理，然后水淬，并以60°C/h的速率进行受控加热，达到180、200、220或240°C的峰值温度。结果表明，沉淀行为及其产生的性能对温度-时间轨迹非常敏感。在200°C下老化处理后，形成了最细小且最均匀的Al?Cu沉淀物，硬度最高（158.1±1.9 HV），而在220°C下硬度为149.4 ± 2.5 HV，在240°C下为142.4 ± 2.1 HV，在180°C下为142.8 ± 3.4 HV。非等温老化后，抗拉强度显著提高，200°C条件下的抗拉强度达到约352.1 ± 6.7 MPa，断裂韧性约为5.51 ± 0.26 MJ m?3——这两项指标均明显高于铸态合金。摩擦学性能也呈现出相同趋势：200°C处理条件下的磨损率降低了约54%，摩擦系数降低了约36%，分别达到约0.31 ± 0.05和约4.9 ± 0.3 μg m?1。显微镜观察证实，这种改善是由于致密的纳米级Al?Cu沉淀物分布，这些沉淀物减缓了位错运动，延缓了裂纹扩展，并稳定了滑动界面。总体而言，200°C下的老化处理在沉淀物形核和生长动力学之间取得了最佳平衡，从而获得了比高温和低温处理更高的硬度、强度、韧性和耐磨性。
引言
含铜的铝-硅合金在广泛的工程应用中已成为不可或缺的材料，特别是在需要轻量化结构和高可靠性的交通运输和动力系统领域[1]。它们固有的低密度、优异的铸造性能和天然的耐腐蚀性为制造具有严格尺寸和机械要求的复杂部件奠定了基础。添加铜进一步增强了这些合金的实用性，显著提高了它们的沉淀硬化能力，使其能够在循环或磨损条件下承受更高的载荷并抵抗变形。因此，Al–Si–Cu–Mg合金常用于活塞、气缸盖、阀体等暴露在恶劣热、机械和摩擦环境中的部件[2]、[3]、[4]、[5]。
尽管这些合金具有明显的优势，但对先进推进系统和下一代工业机械日益增长的需求不断推动它们向性能极限发展。例如，为提高燃烧效率而设计的发动机在更高的温度和压力下运行，使部件面临更强的热梯度、加速的磨损和复杂的应力状态[6]。这种技术进步促使人们努力改进微观结构，强化基体-颗粒界面，并稳定合金以防止疲劳、蠕变和磨损。因此，成分优化和基于工艺的改进已成为旨在实现更高强度、延展性和摩擦学耐久性组合的活跃研究领域[7]。
热处理仍然是提高Al–Si–Cu–Mg合金性能的最有效方法之一。广泛使用的T6处理工艺包括固溶、淬火和人工老化，旨在促进θ′ (Al?Cu)、β″ (Mg?Si)和各种Q相衍生物等细小强化相的沉淀[8]。这些沉淀物显著阻碍了位错运动，从而提高了硬度和承载能力。然而，等温人工老化的有效性强烈依赖于温度选择和持续时间；不适当的老化可能导致沉淀物过度生长或聚集，这两者都会降低延展性和抗疲劳性。为了解决这些问题，研究人员还引入了晶粒细化剂、共晶改性剂、陶瓷颗粒和稀土元素，以促进均匀凝固，减少铸造缺陷，并抑制与磨损相关的损伤。此外，严重的塑性变形技术、熔体超声处理和混合强化策略也成为实现进一步微观结构细化和性能提升的有前景的方法[9]、[10]。
科学界也越来越关注老化过程中沉淀机制的研究。最近的微观和原子尺度研究表明，自然老化或早期老化过程中形成的纳米级溶质簇通过相干应变和模量失配效应显著增强了合金的强度[11]、[12]、[13]。然而，它们也可能产生局部应力集中区，从而降低均匀伸长率。关于Cu和Mg添加的研究强调了它们对沉淀序列和热稳定性的强烈影响，而其他研究则强调了Si形态、金属间化合物碎裂以及次级相的稳定性在控制硬度、屈服强度和耐磨性方面的作用。总体而言，文献强调了Al–Si–Cu–Mg合金对热历史的强烈敏感性，这表明需要寻找能够产生更有利沉淀结构的替代热处理方法[14]、[15]、[16]。
在这种背景下，非等温老化（NIA）最近作为传统等温老化（IA）的一个有吸引力的替代方案出现。NIA在老化过程中采用逐渐升高的温度曲线[17]、[18]、[19]、[20]。这种动态温度变化抑制了沉淀物的过早粗化，并促进了在静态条件下难以形成的大量细小分散强化相的形核。针对高强度Al–Zn–Mg–Cu系统的研究表明，NIA不仅加速了沉淀动力学，还能达到或超过传统T6或多步老化序列的机械性能。屈服强度、抗拉强度甚至电导率的提高归因于在受控温度梯度下沉淀的均匀性和溶质聚集的抑制。此外，NIA能够在不牺牲机械性能的情况下缩短热处理时间，为更节能的制造提供了有吸引力的途径[21]、[22]、[23]。
尽管NIA已针对某些高强度铝合金进行了广泛研究，但其应用于Al–Si–Cu–Mg体系仍处于早期阶段。初步研究表明，与标准等温T6处理相比，温度渐变或双速率老化方案可以在硬度、耐磨性和结构稳定性方面带来显著改进。这些合金对NIA的反应似乎强烈依赖于加热速率、峰值温度和温度变化的持续时间，这些因素都会影响各种亚稳态和稳定沉淀相的形核、生长和转变。理解这种复杂的相互作用对于定制最大化机械和摩擦学性能的热处理循环至关重要。
受这些知识缺口的启发，本研究系统地探讨了非等温老化参数对Al–9.2Si–4.9Cu–0.7Mg合金的影响。本研究重点关注不同温度变化条件如何影响沉淀行为、微观结构演变以及由此产生的机械和磨损性能。通过将NIA与传统老化方法进行比较，本研究旨在阐明非等温循环如何增强强度和摩擦学抗性。研究结果为开发能够在苛刻工程环境中使用的Al–Si–Cu–Mg合金提供新的性能优化途径。
实验程序
本研究使用的材料是一种铸造Al–Si–Cu–Mg合金，其中含有约9.2 wt%的Si、4.9 wt%的Cu和0.7 wt%的Mg，其余部分为铝。将锭材切割成试样，并按照控制的热处理方案进行处理，以评估非等温老化对合金沉淀行为及其机械和摩擦学性能的影响。所有样品首先在520°C下进行12小时的固溶处理，然后...
结果与讨论
图2显示了不同非等温老化循环过程中的硬度演变，表明材料的机械响应明显依赖于每个方案的具体温度-时间轨迹。虽然NIA-240条件下的硬度上升较快（大约在5小时内达到峰值），但最大硬度仅为142.4 ± 2.1 HV。随后由于粗化过程的加剧，硬度迅速下降...
结论
本研究系统地探讨了在不同峰值温度下非等温老化对铸造Al-9.2Si-4.9Cu-0.7Mg合金的沉淀行为、机械强度、断裂响应和摩擦学性能的影响。通过将合金在520°C下固溶处理12小时，然后水淬形成过饱和固溶体，随后以60°C/h的速率加热至180、200、220或240°C的峰值温度，研究了温度-时间轨迹如何控制...
CRediT作者贡献声明
Marwa Elmahdy：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。
Mamdouh Elamy：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源管理，研究，概念化。
Adel Fathy：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿
利益冲突
所有作者声明没有利益冲突。
伦理声明
作者声明本研究遵循伦理标准进行。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯阿拉尔北方边境大学科学研究部通过项目编号NBU-FFR-2026-2945-07资助了这项研究工作。
