合金元素對Al-Mg-Si合金機械性能的影響

郝玉喜，吳 楠，王洪卓，謝方亮，劉 鵬

(遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司，遼寧 遼陽 111003)

Al-Mg-Si合金具有良好的韌性、中等的強度、優越的耐腐蝕性能以及良好的加工和焊接性能等。另外，Mg和Si易形成Mg2Si強化相[1]。但Mg和Si比值不同，其時效析出行為也會不同。文獻[3]報道了在Al-Mg-Si合金中Mg/Si摩爾比對時效動力學產生很大的影響，在180 ℃時效時，其Mg/Si比越小，合金的硬化速度越快；而250 ℃時效時，Mg/Si摩爾比對時效動力學影響較180 ℃更大，并且Si含量越高的合金，晶界析出相越連續且尺寸越大。張新民等[4]研究了Mn含量對6061合金強度和塑性的影響，結果發現Mn含量超過0.1%時，塊狀Al9(MnFe)3Si相會隨著Mn含量增大而增多，并在Mn添加量為0.2%時，合金強度和塑性均達到最大值。

本文借助熱力學分析方法，研究過剩Si含量和Mn含量對Al-Mg-Si-Cu合金力學性能和折彎性能的影響。

1 熱力學模擬計算方法及原理

CALPHAD是在熱力學理論和熱力學數據庫支持下的相圖計算。核心原理為根據已知熱力學相平衡數據，確定低組元各相的熱力學描述，然后通過遞推優化，逐步獲得高組元合金相的吉布斯能，而推算可靠的高組元相圖。

吉布斯自由的表達式為：

(1)

等式右邊第一項為純組元的吉布斯自由能之和，第二項為理想混合熵引起的自由能增加，第三項偏離理想溶液引起的超額自由能。

組元i在各相中的化學勢相等，即有

(2)

μi(α)=μi(β)

(3)

2 試驗材料與方法

本試驗以Al-Mg-Si-Cu合金為研究對象，借助熱力學模擬法分析合金元素含量、Mg/Si比對Al-Mg-Si合金擠壓性能的影響。試驗合金成分見表1。

采用純度為99.7%工業鋁錠、工業純鎂和工業純硅，以及中間合金Al-60%Cu和Al-10%Mn，按一定比例投入到熔煉爐中熔化，精煉靜置20 min，然后利用水冷半連續鑄造方式制備出試驗合金，鑄錠直徑為φ198 mm。鑄錠經560 ℃×8 h均勻化處理后，在2000T擠壓機上擠壓，用線水冷淬火，斷面形狀為“口”字型。型材經185 ℃×8 h時效處理后，采用AG-X100KNH萬能試驗機對擠壓態合金強度和折彎性能進行測試。

3 結果與討論

3.1 相組成及微觀組織

利用熱力學分析方法對三種合金相組成進行模擬分析，模擬結果見圖1。從圖中可以看出，三種合金均會出現Mg2Si、Al5Cu2Mg8Si6結晶相。此外，1#試樣中還有部分Si剩余，而2#試樣存在Al2Cu相。

3.2 力學性能分析

一般Al-Mg-Si合金的時效脫溶析出過程為：過飽和固溶體→溶質原子團簇→GP區(球狀)→亞穩β″(針狀)→亞穩β′(棒狀)→穩態β-Mg2Si相(片狀)。在時效過程中，合金的硬度和強度會在GP區開始產生，而β″相的析出使合金的強度和硬度達到峰值。從上述脫溶析出過程，GP區、β″、β′相能有效地提高合金的強度，其中β″強化效果最好，是峰時效的產物[5]。圖2為三種不同合金的β″相含量隨溫度變化曲線。Zandbergen[6]和Marioara等[7]利用HRTEM確定出β″相的晶體結構、成分及位相關系，認為β″成分為Mg5Si6。

圖3為Al-Mg-Si經180 ℃×8 h時效處理后的力學性能。從圖中可以看出， 1#試樣的屈服和抗拉強度分別為310、330 MPa；2#試樣的屈服和抗拉強度分別為297、324 MPa。1#試樣的強度要高于2#試樣。這是因為其他元素含量相同時，1#試樣的Si含量大于2#試樣，見圖1的模擬分析結果。文獻[8]指出過剩Si容易導致原子團簇，且原子團簇中Mg、Si的摩爾比值近似等于1時，β″相更易析出，均勻細小分布在基體上，提高合金的整體強度，從而達到強化效果。李建國等[9]研究Al-Mg-Si時效析出相過程中發現Si加入量越多，時效析出相越多，時效強化效果也越理想，過剩Si可增加Al-Mg-Si合金中析出相的數量，這與本試驗結果相符。從圖2也可以看出，1#試樣強化相β″含量大于2#試樣，圖1熱力學模擬計算結果也與之相符。因此，過剩Si可促進強化相β″均勻析出，是1#試樣強度高于2#試樣的主要原因。

3#試樣屈服和抗拉強度分別為291、318 MPa，比1#試樣低20 MPa左右。1#、3#試樣中Mg、Si、Cu元素相同，而1#試樣Mn元素含量低于3#試樣。Mn與Si形成AlMnSi相，消耗了部分強化相所需的Si，而AlMnSi相的強化作用低于強化相β″，因而合金強化效果減弱。文獻[2]提出人工時效過程中，Mn在強化相上析出生長，Mn含量高的合金析出物要比Mn含量低的粗大，強化作用也會減弱。由此可知，人工時效后低Mn的1#試樣，其時效強化效果要優于高Mn的3#試樣。

3.3 折彎性能對比

圖4為不同成分Al-Mg-Si合金的折彎角度。從圖中可以看出，1#試樣的彎曲角度要小于2#試樣。這是因為1#試樣中含有一定量的過剩Si，而過剩Si易在晶界處偏析，使晶界脆化，降低了合金塑性和韌性。

圖3 不同成分Al-Mg-Si合金的力學性能Fig.3 Mechanical properties of Al-Mg-Si alloys with different compositions

圖4 不同成分Al-Mg-Si合金的折彎角度Fig.4 Bending angles of Al-Mg-Si Alloys with different compositions

圖5為1#、3#試樣擠壓制品的晶粒度圖。從圖中可以看出，1#試樣邊部晶粒尺寸大，粗晶層厚度約為200 μm，發生了再結晶；而3#試樣沿擠壓方向呈現出纖維變形組織，無再結晶組織。這是因為Mn具有提高合金的再結晶溫度，抑制再結晶和細化晶粒的作用。3#試樣的再結晶溫度高于1#試樣，從而提高了1#試樣粗晶層厚度，而導致其韌性比3#試樣差，彎曲角度也小于3#試樣。

4 結論

1)過剩Si可促進強化相β″均勻析出，提高合金的強化效果；Mn易與Si形成第二相，消耗部分Si。在時效過程中，會減少強化相β″數量，弱化合金的強化效果，導致Mn含量高的合金，其時效后的力學性能低于Mn含量低的合金。

2)過剩Si含量高的合金，其折彎性能低于過剩Si含量低的合金；Mn含量高的合金，其擠壓型材再結晶程度要低于Mn含量低的合金，而折彎性能優于Mn含量低的合金。

(a)1#試樣；(b)3#試樣圖5 試驗合金擠壓制品微觀晶粒圖(a)1# sample;(b)3# sampleFig.5 Micro-graph of test alloy extrusion products