ZL101A-T6合金力學性能分析及斷口

魏啟金 吳云波 盛曉菲

摘 ?要：文章通過力學性能檢測，斷口掃描電鏡分析等檢測手段，對ZL101A-T6合金進行研究，得到如下結論：（1）ZL101A-T6合金平均抗拉強度295MPa，屈服強度246MPa，延伸率6.3%。（2）合金為韌性斷裂，斷口中存在大顆粒裂紋源。（3）合金的大韌窩內的裂紋源為含Fe相。（4）ZL101A-T6合金存在粗大枝晶，影響合金的力學性能。

關鍵詞：ZL101A;T6;力學性能

中圖分類號：TG146.21 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2020）01-0116-02

Abstract： In this paper， the ZL101A-T6 alloy was studied by means of mechanical property testing， fracture scanning electron microscopy analysis， etc. The following conclusions were obtained： （1）The average tensile strength of ZL101A-T6 alloy is 295 MPa， the yield strength is 246 MPa， and the elongation is 6.3%. （2）The alloy is ductile fracture， and there is a large particle crack source in the fracture. （3）The source of cracks in the large dimples of the alloy is the Fe-containing phase. （4）ZL101A-T6 alloy has coarse dendrites， which affects the mechanical properties of the alloy.

Keywords： ZL101A; T6; mechanical properties

ZL101A，通常稱為ZAlSi7MgA。該合金廣泛應用于商用車，轎車，摩托車等車型[1]，具有流動性好，熱裂傾向低，線收縮小，氣密性佳等優點。提高ZL101A-T6鋁合金的延伸率能夠擴寬合金的應用范圍，取代部分變形鋁合金，降低制造成本，增加生產效率。當前，針對ZL101A的研究熱點集中在稀土元素的添加[2-3]，復合材料[4]，熔鑄過程控制[5]，熱處理工藝[6-7]等。本文針對T6處理后的ZL101A進行性能檢測和斷口分析，旨在給提升合金性能，擴寬合金應用范圍提供參考。

1 ZL101A生產工藝及力學性能

ZL101A合金采用低壓鑄造工藝，生產工藝為：熔煉→加除渣劑、變質劑、細化劑→人工攪拌→吹氬氣精煉→人工攪拌→靜置→密度/成分檢測→澆鑄。

ZL101A合金T6處理工藝為：固溶535℃（±5℃）×8h，時效工藝為：175℃（±5℃）×4h。

拉伸實驗在Instron 8032萬能材料力學拉伸機上進行，拉伸速度為2mm/min。斷口觀察在FEI Sirion200場發射掃描電鏡上進行，掃描電鏡工作電壓為20kV。

ZL101A主要成分為7.2%Si，0.43%Mg，0.12%Cu，0.2%Ti，0.45%Fe，0.05%Mn，0.05%Zn，Al余量。

表1為ZL101A-T6合金力學性能測試結果。可以看到，力學性能均值為：抗拉強度295MPa，屈服強度246MPa，延伸率6.3%。

2 ZL101A-T6微觀組織觀察

圖1為斷口的掃描電鏡照片。照片顯示，合金斷口中主要以韌窩為主，韌窩尺寸約為8μm，尺寸較小，而且從掃描電鏡上觀察，韌窩較深。從斷口的形貌判斷，合金的延伸率應該比較好，但實測均值只有6.3%。通過能譜分析（圖1b），發現這些韌窩內存在Fe元素。

3 ZL101A-T6金相組織觀察

圖2為ZL101A-T6的金相組織。合金的一次枝晶的長度普遍超過200μm。說明合金的晶粒十分粗大，不利于合金綜合性能的提升。鑄錠中存在少量氣孔，尺寸較小。

4 分析討論

AlSi鑄造合金在工業上應用極為廣泛[8]。其焊接性能優異，化學成分簡單，生產過程相對容易控制。ZL101A為非常典型的AlSi合金，應用范圍也很廣。ZL101A經過T6熱處理后，其主要強化強為納米級的β"相，其主要化學成分為Mg2Si，與基體呈半共格，在位錯運動過程中起阻礙作用，因此能有效提升合金的強度。如果合金中只存在均勻分布的強化相，合金的力學性能會較為優異。但是，通過斷口分析，發現合金的大韌窩處，存在含Fe的物相。在鑄造鋁合金中，Fe是雜質，主要來源是原料、坩鍋及熔煉工具。含Fe相相對于納米級的β"相，無強化作用，而且在變形過程中，因為硬度較高，且形狀不規則，容易成為裂紋源，導致合金開裂，性能下降。因此，Fe含量必須加以控制。

從金相分析中可以看到，合金枝晶粗大，雖然經過固溶時效處理，但是枝晶依舊大量存在。主要原因是凝固過程中，過量的Si因為熔點較高，提前凝固成初晶Si顆粒。這些Si顆粒隨著Al基體的凝固，被排擠到還未凝固區域，最后與周邊的Al液一起形成Al-Si共晶。所以Si顆粒一般都是分布在晶粒周邊。T6熱處理包含兩個部分：固溶+時效。固溶的作用是通過將合金加熱到高溫單相區恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體。由于在共晶溫度（577℃）時硅在鋁中具有最大的溶解度1.65%，在室溫下的溶解度是0.05%。因此，在固溶處理過程中，溶解的Si元素數量很有限。大量的Si元素還是存在于Si顆粒中。這些Si顆粒嚴重阻礙了合金在固溶過程中晶粒的變化，比如無法消除枝晶。因此即使經過固溶時效處理，合金內依舊是大尺寸枝晶。合金中粗大的晶粒影響了合金的機械性能。晶粒細化和共晶體彌散分布都可以提高機械性能。因此，要想進一步提升ZL101A的力學性能，就需要細化合金的晶粒。

5 結論

（1）ZL101A-T6合金平均抗拉強度295MPa，屈服強度246MPa，延伸率6.3%。

（2）合金為韌性斷裂，斷口中存在大顆粒裂紋源。

（3）合金的大韌窩內的裂紋源為含Fe相。

（4）ZL101A-T6合金存在粗大枝晶，影響合金的力學性能。

參考文獻：

[1]史文，許珞萍，邵光杰，等.ZL101A鋁合金半固態連鑄坯料的組織和力學性能[J].金屬熱處理學報，2000（1）：40-43.

[2]接金川.釔元素對ZL101A合金組織和性能的影響[D].哈爾濱工業大學，2008.

[3]李華基，杜祥清.富鑭混合稀土對ZL101A合金組織和機械性能的影響[J].中國稀土學報，14（4）：321-324.

[4]鄭喜軍.SiCp/ZL101A復合材料HPS制備工藝及組織性能研究[D].河南理工大學，2011.

[5]高旭東.大型薄壁ZL101A合金鑄件生產中鋁液熔體質量控制[C]//中國機械工程學會鑄造分會鑄件質量控制及檢測技術委員會第十一屆學術年會暨天津市第十屆鑄造學術年會，2016.

[6]程飛，蘭文奎，梁代春.汽車輪轂用ZL101A鋁合金的熱處理新工藝研究[J].熱加工工藝，2013（22）：190-191.

[7]洪潤洲，周永江，姚惟斌.時效工藝對ZL101A合金性能的影響[J].材料工程，2004（10）：39-41.

[8]趙后亮.A356合金高效細化變質劑Al-Ti-B-Sr的研究[D].山東建筑大學，2017.