微量Si和時效時間對Al-Cu-Mg合金性能的影響

李國興

（華北電力大學能源動力及機械工程學院，北京 102200）

Al-Cu-Mg合金屬于可熱處理強化的變形鋁合金，具有較高的強度、硬度及良好的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展等眾多優點，廣泛應用于航空、航天等高技術領域。近幾十年來，國內外學者通過微合金等調整合金成分、提高合金純度、探討新的熱處理規范以及精確調控合金的組織結構對高強鋁合金的組織及其性能等進行了大量的研究，并且取得了重大的進展，極大地促進了該類材料在工業生產中的應用[1-3]。

Al-Cu-Mg合金中Si的含量一般在2.0%～7.0%，在Al-Cu-Mg合金中添加微量Si，就能顯著提高合金的抗拉強度和抗蠕變性能[4]。Raviprasad等通過在Al-2.5Cu-1.5Mg合金中添加微量Si，發現Si的添加增強了高溫時效硬化效果，但是延遲了合金的室溫時效硬化效應[5]。其他人也發現了將Si添加到具有低Cu/Mg比合金的Al-4.0Cu-1.3Mg合金（Cu/Mg比=3.07）中可以有效地提高高溫抗拉強度，原因是它加速了析出σ-Al5Cu6Mg2相[6]。從組織上來看微量Si的存在導致了合金時效早期Mg原子團簇、Cu-Mg原子團簇更加彌散，并間接促進了s相的彌散析出[7]。合金的時效過程就是在過飽和固溶體中脫溶過程，通過一系列結構的出現，消失，形核和長大來實現的，時效時間對合金性能的影響是很大的[8]。研究表明，隨著時效時間的增加，合金的抗蝕性能會有所增加[9]。不同的時效時間會使合金材料的性能有很大的不同，因此，選擇合適的時效時間對于我們改善合金性能也是很重要的。

本文就添加不同含量的Si元素，改變其時效時間來探究其對材料電導率和力學性能的影響。

1 實驗材料和方法

實驗所制備的合金成分如表1所示。我們根據其成分使用A4鋁和中間合金在760℃的溫度下的工業電阻爐熔煉。在銅模中澆鑄出桿狀，放入箱式電阻爐進項均勻化，溫度為495℃，時間為12h。最后軋制成寬17cm，厚1.4mm的板材。將試樣在510℃固溶半小時，水冷。將試樣分組后放入保溫箱中進行時效，時效溫度為200℃～210℃，時效時間分別為2h，4h，6h。最后將試樣表面處理后使用Sigma 2008數字電導率儀測試電導率，用萬能拉伸機做室溫拉伸實驗。

表1 實驗合金化學成分（質量分數%）

2 結果與討論

表2為這次實驗200℃～210℃時效溫度下時效4小時的數據。從結果中可以看出，在相同的時效時間下，隨著Al-Cu-Mg合金中Si元素的增加，電導率由49.2%IACS下降到44.8%IACS，下降幅度很大。這是由于Si的電阻率大于Al基體，微量Si元素固溶到鋁基體中，導致晶格畸變變大，從而使合金的電導率降低，隨著Si元素的增加，基體的晶格畸變隨之變大，導致合金電導率變小[10]。

從表2中可以看出，隨著Al-Cu-Mg合金中Si含量的增加，合金的抗拉強度和屈服強度增大到395MPa和370MPa的峰值，隨后又隨著Si的添加又開始下降。當Si含量低于0.60%的時候，Si含量的增加使合金的強度有所增加，少量Si使合金中有利于溶質原子擴散的空位缺陷減小，減慢了擴散速度，但它也使Cu，Mg富集區加快形成。也有可能改變析出機制，使析出θ’強化相，增加合金的強度。但當Si超過0.45%時，可能與Mg形成出粗大難容的Mg2Si相，使合金的強度下降[11，12]。對于合金的伸長率，他隨著Si含量的增加整體呈增加趨勢，說明微量Si的添加有利于改善Al-Cu-Mg合金的塑形。

表2 人工時效4h的材料性能

從表3中我們可以看出來含0.30Si的Al-Cu-Mg-Si合金的電導率隨著時效時間的增加而增加。鋁合金的電導率與晶格畸變程度有關，未時效前由于基體過飽和，導致晶格畸變很大，于是電導率相對來說就低點。隨著時效時間的增加，析出相不斷析出，使得基體的固溶度降低，晶格畸變變小，于是電導率開始增加。

從表3中我們可以看出含0.30Si的Al-Cu-Mg-Si合金的強度隨著時效時間的增加先變大后變小。這是由于時效處理過程中使過飽和固溶體逐步開始析出強化相S’，這些細小的強化相使合金的強度得以提升。但隨著時效時間的增加強化相逐漸長大，變粗，失去強化作用，導致合金的強度又降了下來[13-15]。也可以看出隨著時效時間的增加合金的伸長率逐漸變大，但幅度很小，說明時效對塑形的影響不大。

表3 含0.30Si的Al-Cu-Mg-Si合金人工時效不同時間的材料性能

3 結論

（1）隨著Si含量的增加，Al-Cu-Mg合金的電導率減少；合金強度開始時增加，但當Si含量超過0.45%左右，合金強度有下降趨勢；合金塑性整體是增加趨勢。

（2）隨著時效時間的增加，Al-Cu-Mg合金的電導率增加；合金的強度先增大后減小；塑性呈增長趨勢。