The influence of Al content on the mechanical of energy-storing lead-base dashpot
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摘要: 利用金属强化原理，设计了一组不同铝含量的铅，研究了铝(Al)元素对铅铝合金力学性能的影响.用真空感应炉冶炼出不同Al含量的Pb-Al合金，并通过快速冷却模具的手段保证成分的均匀性.基于拉伸试验、夏比冲击试验与金相分析技术等，对合金的成分、显微组织和力学性能的关系进行了测试与分析.结果表明，固溶态的Al能够有效提高Pb-Al合金的抗拉强度和冲击功，但富Al相的不均匀析出会使Pb-Al合金发生二次再结晶现象，从而导致强度、韧性的下降.Abstract: A group of binary Pb-Al alloys with different Al contents were designed and the effect of Al content on the mechanical properties of Pb-Al alloy was studied with adoption of metal strengthening theories. Pb-Al alloys with gradient Al content were made by vacuum induction furnace. In order to guarantee the chemical composition homogeneous of the studied alloys, rapidly quenching technique was applied for cooling the casting moulds. In the present investigation, tensile test and Charpy V-notch impact test were carried out to measure the mechanical properties. The metallographic analysis technique was used to research the relationship between the microstructure and mechanical properties. The results showed that Al in solid solution will markedly promote the tensile strength and impact energy. However, the heterogeneous precipitation with Al phase would deteriorate the mechanical properties by secondary re-crystallization phenomenon.
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Keywords:
- Pb-Al alloy /
- mechanical property /
- microstructure
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电力系统中，电瓷型电器设备是最基本的电器元件，但陶瓷的抗拉压性能差，易于发生脆性断裂[1].实践证明，安装减震器能改变电瓷设备的自振特性，增大阻尼，提高其抗震能力.传统的减震器多由橡胶制成，使用寿命短，容易老化.金属减震器克服了橡胶减震器的一些缺点，具有使用寿命长，性能稳定等优点.金属减震器多由铅(Pb)或软钢制作，它利用金属的塑性变形来吸收地震能量[2-4].铅在常温和低温下都具有很好的韧性和塑性，变形过程中能吸收大量的能量[5-6].与软钢相比，铅虽然有较好的塑性，但是强度过低，在使用的过程中抗拉压性能受到限制，只有进一步提高铅的强度，才能在实际中更好的应用[1, 7].
理论上，可以通过细化晶粒、冷形变位错强化、固溶强化、时效析出强化、相变强化等途径来提高金属的强度[8-11].由于细晶铅的蠕变速率比粗晶铅更大，所以细化晶粒的强化效应在铅中实际上无效；在再结晶温度以下位错强化才能起作用，但是铅在室温下处于回复与再结晶温度范围，因此一般无法利用冷变形的方法使铅发生强化；时效强化是许多合金的强化途径，但是铅合金只发生瞬间的时效强化，此后由于析出过程不断进行以及沉淀相的粗化，强化效应会逐渐消失，导致合金重新软化[7, 12-13].基于以上原因，只有固溶强化才是铅合金强化的最有效的方法[14].
对二元铅合金的研究证明，固溶强化率ds/dc(s-强度，c为浓度，mol%)按下列顺序增加:铝、铊、铋、锡、镉、锑、锂、砷、钙、铜及钡[7, 12, 13, 15-16].但是，铊属于剧毒元素，不宜在工业中大规模应用；铋、锡熔点过低[17]，熔炼过程容易被氧化烧损，降低合金收得率；铅镉合金时效强化效应微弱而短暂，因此能够对铅合金强度进行微调的合金元素只有铝(Al)、锑(Sb)2种[11].考虑到合金添加的工艺性和成本问题，本文优先选择Al作为铅基合金强化的首选元素，利用真空感应炉和强制快冷技术[18]冶炼制备铅，并通过力学性能测试和显微组织观察，研究了Al的浓度梯度对Pb-Al二元合金的力学性能的影响.
1 试样制备与实验方法
试验Pb-Al合金的成分如表 1所示，为了防止冶炼过程中合金元素的高温氧化和避免铅高温下挥发污染环境，合金的冶炼在真空感应炉内进行.冶炼后的合金在氩气保护下浇铸成10 kg的铸锭.为了防止Al的重力偏析以及沿晶界偏析，在浇铸过程中使用水对模具进行加速冷却，加快液态合金的凝固.
表 1 Pb-Al二元合金成分设计编号 成分 Pb/wt% Al/wt% 1# 参考材料:Pb 99.999 0 2# Pb-0.05Al 99.95 0.05 3# Pb-0.10Al 99.9 0.1 4# Pb-0.15Al 99.85 0.15 将铸锭在室温下锻造成Ф17 mm的棒材后加工成各种测试试样.拉伸、冲击试验采用标准试样，冲击试验温度室温(21 ℃)，-20 ℃，-40 ℃；金相制备采用比例为4(甘油):1(冰醋酸):1(双氧水)的混合溶液进行侵蚀，显微组织形貌通过金相显微镜观察.
2 试验结果及分析
2.1 Al含量对Pb-Al系合金抗拉强度的影响
Pb-Al合金拉伸力学性能如表 2所示.随着Al含量的增加，Pb-Al合金的力学性能发生明显的变化:当Al添加量为0.05 %(质量百分比)时，抗拉强度最高，为17.9 MPa；当Al添加量(质量含量)分别为0.10 %，和0.15 %时，强度分别为15.5 MPa和16.5 MPa.在添加了不同质量分数的Al元素以后，Pb-Al合金的强度虽然出现波动性变化(如图 1(a)所示)，但整体上呈现强化效果.与纯Pb相比，不同Al含量的Pb-Al合金强度提高的百分比如图 1(b)所示，可以看出，当向纯铅中添加0.05 %~0.15 %的Al元素以后，强度分别提高了31 %、13 %和21 %，说明Al元素对Pb-Al合金的强化效果明显.
表 2 Pb-Al二元合金的力学性能设计成分 试样直径d/mm 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A/% 断面收缩率Z/% 纯 铅 10 13.2 75.3 100 Pb-0.05Al 10 17.9 73.7 100 Pb-0.10Al 10 15.5 78.2 100 Pb-0.15Al 10 16.5 80.5 100 Pb-Al合金相对于纯铅提高的原因主要是Al的固溶强化作用[12].不同成分的Pb-Al合金的工程应力-应变曲线如图 2所示.从Ⅰ区可以看出，铅和Pb-Al合金均无明显的屈服平台，拉伸过程初期存在弹性变形和塑性变形，在达到最大载荷以后，载荷开始明显降低(如Ⅱ区所示)，这种现象与拉伸过程中金属发生“颈缩”现象有关；Ⅱ区强度迅速下降是由于铅合金在0 ℃以上有回复再结晶现象发生，塑性变形过程中位错的产生和消失是同时进行的，因此形变对铅合金的强化效果不明显；下降到一定程度后，由于拉伸过程中晶粒被拉长变形和回复再结晶现象导致的晶粒细化，使拉伸载荷出现了瞬间的回升现象，如图 2Ⅲ区所示；当拉伸载荷持续上升一定程度后，由于持续的“颈缩”现象使载荷进一步下降直至断裂.
由表 2可知，铅和3种不同成分的Pb-Al合金断面收缩率均为100 %；不同成分的Pb-Al合金的断后伸长率变化趋势如图 3所示，与Pb(1#)、Pb-0.10Al(3#)、Pb-0.15Al(4#)相比，Pb-0.05Al(2#)的断后伸长率略有降低(为73.72 %)，但整体上均大于70 %，说明Al元素的添加在提高Pb-Al合金强度的同时，并未对合金的塑性产生影响.
2.2 合金元素对Pb-Al系合金冲击韧性的影响
在室温21 ℃、-20 ℃、-40 ℃时，不同Al含量的Pb-Al合金的冲击功如表 3所示.
表 3 Pb-Al合金在不同温度下的冲击韧性合金成分 AKV/J 21℃ -20℃ -40℃ Pb 18 18.3 18.5 Pb-0.05Al 19.5 20.2 20.2 Pb-0.10Al 17.4 18.7 19.2 Pb-0.15Al 18.8 19 19.5 从表 3中可以看出，Pb、Pb-0.05Al、Pb-0.10Al和Pb-0.15Al的冲击均随着温度的降低而有所提高，变化趋势如图 4所示.
Pb在20 ℃、-20 ℃和-40 ℃时冲击功分别为18.0 J、18.3 J、18.5 J，随着温度的降低，Pb的冲击功提高，Pb-0.05Al、Pb-0.10Al和Pb-0.15Al变化趋势和Pb相同.以Pb-0.05Al为例，当试验温度为-40 ℃和-20 ℃时，冲击功最高，为20.2 J，当试验温度为20 ℃室温时，冲击功降低到19.5 J，但仍然为最高值.当Al的含量进一步提高至0.10 %和0.15 %时，冲击功虽有所下降，但是低温冲击功均比Pb略高.说明添加Al元素以后，能够提高Pb-Al合金的低温冲击韧性.
影响冲击韧性的因素主要有晶粒尺寸、显微组织、宏观纤维流向等，而晶粒尺寸为主要影响因素.金属材料的晶粒细小，冲击功较高，反之则降低.铅其Pb-Al合金的再结晶温度在零度以下，在铅合金再结晶温度临界点以上，铅合金的晶粒有随着温度的升高而逐渐长大的趋势，粗大晶粒会导致冲击功的降低，因此在试验中测出的冲击功会随着温度的升高而降低.铅合金在不同温度下冲击后，并未断裂，铅及其合金不存在低温脆化现象，具有较好的低温稳定性.
2.3 合金元素对Pb-Al系合金显微组织的影响
Pb及Pb-Al合金的显微组织形貌如图 5所示.如图 5(a)，Pb经室温锻压后，显微组织主要为孪晶组织；当添加0.05 %的Al时，显微组织有向等轴晶粒转化趋势；当进一步提高Al含量至0.10 %和0.15 %时，Pb-0.10Al和Pb-0.15Al的个别晶粒出现爆发式增长趋势，这种现象称为“混晶”现象.而且，当Al含量大于0.1 %时，晶粒内部有明显的析出相沉淀(图 5(c)~图 5(e)所示)，能谱分析该析出相为富Al相(对于析出相的结构还需进一步的研究).Pb-0.10Al析出相的沉淀相不均匀，如图 5(e)所示，而Pb-0.15Al析出相比较均匀.
由于铅合金的回复温度约为-130~-100 ℃，再结晶温度-40~ -10 ℃，室温下Pb-Al合金处于再结晶的状态.细小弥散的析出相在初期对晶粒的长大起抑制作用.但是，随着析出相的粗化，对晶粒长大的抑制作用逐渐降低，上述阻碍因素一旦被消除，少数特殊晶界将迅速迁移，导致个别晶粒突发性迅速粗化，这种现象称为“二次再结晶”.“二次再结晶”的结果是产生“混晶”，并最终导致强度产生明显下降[19-22].3#试样析出相的不均匀性是其二次再结晶现象严重的主要原因；4#试样虽然也有“二次再结晶”现象发生，但是因为Al含量相对较高，析出相的数量较大且分布相对均匀，因此个别晶粒过度长大的趋势较低，所以其强度也稍高于3 #试样，但低于2 #试样.
3 结论
1) 添加了Al元素后，Pb-Al合金的强度得到了明显的提升，当Al添加量为0.05 %时，Pb-Al二元合金的抗拉强度最高可达17.9 MPa，相对于纯铅提高了31 %.
2) Al的添加在起到强化作用的同时，并未影响到Pb-Al合金的塑性，当Al含量的添加在0.05~0.15 %时，其拉伸断后延伸率仍大于70 %.
3) 铅及其Pb-Al合金的冲击功均随着温度的降低而提高，无低温脆化现象，Al元素的添加能明显提高铅的低温冲击性能，当Al元素添加量为0.05 %时，在21 ℃、-20 ℃、-40 ℃时的冲击功分别为:19.5 J，20.2 J，20.2 J，相对于纯铅，均有明显提高.
4) 当Al过量时会有富Al的析出相产生，析出相粒子初期对晶粒长大起抑制作用，但是随着析出相尺寸的长大，抑制作用降低，导致“二次再结晶”现象的发生，使基体组织产生混晶现象，反而会略微降低铅合金的强度和冲击韧性.
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表 1 Pb-Al二元合金成分设计
编号 成分 Pb/wt% Al/wt% 1# 参考材料:Pb 99.999 0 2# Pb-0.05Al 99.95 0.05 3# Pb-0.10Al 99.9 0.1 4# Pb-0.15Al 99.85 0.15 
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表 2 Pb-Al二元合金的力学性能
设计成分 试样直径d/mm 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A/% 断面收缩率Z/% 纯 铅 10 13.2 75.3 100 Pb-0.05Al 10 17.9 73.7 100 Pb-0.10Al 10 15.5 78.2 100 Pb-0.15Al 10 16.5 80.5 100
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表 3 Pb-Al合金在不同温度下的冲击韧性
合金成分 AKV/J 21℃ -20℃ -40℃ Pb 18 18.3 18.5 Pb-0.05Al 19.5 20.2 20.2 Pb-0.10Al 17.4 18.7 19.2 Pb-0.15Al 18.8 19 19.5
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