Mg含量對2A14鋁合金組織和力學性能的影響

陳思君， 陳送義， 陳 庚， 袁丁玲 ， 陳康華,3

(1. 中南大學 輕合金研究院， 湖南 長沙 410083；2. 中南大學 有色金屬先進結構材料與制造協同創新中心， 湖南 長沙 410083;3. 中南大學 輕質高強結構材料重點實驗室， 湖南 長沙 410083)

2A14鋁合金屬于典型的可形變和熱處理強化的Al-Cu-Mg-Si系合金，因其具有高強度，較好的耐腐蝕性和可鍛造性，在航空航天領域有著廣泛的應用，通常被作為飛機起落架、輪轂等結構件[1-2]。有關研究[3-4]發現，2A14鋁合金中存在著細小的θ(Al2Cu)、Q(AlCuMgSi)、S(Al2CuMg)等強化析出相，以及粗大的Al6FeMnSi、Al12Mn3Si或AlCuSiMnFe雜質相。這些相的種類、大小和分布方式都會極大影響材料的強韌性，因而調控合金成分來調控合金組織狀態，從而改善合金的最終性能是合金成分設計發展的重要思路。

Eskin[5]研究發現，當Mg∶Si<1(Mg和Si的質量比)時，Al-Cu-Mg-Si合金中的強化析出相主要為β″和θ′相，但在隨后的退火過程中會依據銅原子的含量轉變為β′或Q相。Rakhmonov等[6]發現在Al-Cu鑄造合金中，微量Mg的添加促進了共格θ″相轉變為半共格的θ′相，且析出相在基體上分布更加致密均勻，延長了合金在高溫條件下的服役壽命。陳送義等[7]研究發現降低銅元素含量有利于降低Al2Cu和AlCuMnSi等相的數量，減小第二相與基體的電位差，使合金抗腐蝕性能增加；Li等[8]研究表明，在高Cu/Mg 比的Al-Cu-Mg-Si合金中，隨著Si含量在0.65%～1.28%(質量分數，下同)范圍內增加，剩余結晶相Q相和時效析出相Q′和θ′數量均增加，進而使強度隨之增加，但耐腐蝕性能逐漸降低。此外，Li等[9]發現Mg含量并不能影響Al-3.5Cu-xMg合金達到峰值時效的時間，但會影響S+θ′時效析出相的析出行為，以及PFZ的寬度，從而影響斷裂韌性和抗剝落腐蝕性能；Liu等[10]研究表明Mg能顯著影響Ω相的形核和晶粒的再結晶程度，隨著Mg含量的增加，合金在室溫下的硬度和強度先增加后減小。Kim等[11]研究發現Mg能降低Al-Cu 合金在自然時效過程中團簇形成的溫度，加速團簇形成，使合金硬度增加。

2A14鋁合金中的Mg在剩余結晶相及時效析出相的形成中扮演著重要的角色，對合金的強韌性起著關鍵作用。本文采用高純中間合金熔煉，極大減少了合金中粗大雜質相的數量，在高純合金中調控Mg含量，研究其組織與性能之間的關系具有重要意義。

1 試驗材料及方法

不同Mg含量2A14鋁合金的實測化學成分如表1所示。合金采用高純Al(99.99%)，高純Mg(99.99%)，以及Al-44.21%Cu、Al-21.25%Si、Al-10.75%Mn、Al-5.10%Ti中間合金(均為質量分數)熔煉，采用六氯乙烷精煉3次后于750 ℃靜置15 min，然后倒入φ100 mm冷水模具中凝固。鑄錠經495 ℃均勻化退火處理，再擠壓成板帶材(擠壓比10∶1)。合金的熱處理制度為503 ℃固溶3 h(立即室溫水淬)，再在160 ℃時效16 h。具體工藝路線如圖1所示。

圖1 2A14鋁合金熱處理及熱變形工藝Fig.1 Heat treatment and hot deformation processfor the 2A14 aluminum alloy

表1 2A14鋁合金實測化學成分(質量分數，%)

采用光學顯微鏡(OM, Leical DM2700M)觀察合金鑄態、均勻化態、時效態的組織形貌。金相試樣先經打磨拋光，然后用Keller試劑(1%HF+1.5%HCl+ 2.5%HNO3+95%H2O, 體積分數)腐蝕30 s；拉伸斷口、沖擊斷口形貌和剩余結晶相用帶有EDS能譜儀的掃描電鏡(SEM, FEI Nova Nano 230)觀察，采用Image-J軟件統計其剩余結晶相的尺寸和面積分數；用維氏硬度計(HV-50)測量試樣的硬度，載荷為196 N，加載時間為15 s，取5次測量值的平均數為合金硬度；合金的導電率用D60K數字金屬電導率測量儀測量，取5次測量值的平均數；合金的拉伸性能用Instron 3369試驗機在室溫的條件下以2 mm/min 的拉伸速度(加引伸計)進行測量，拉伸樣拉伸部分的尺寸為25 mm ×6 mm×2 mm；采用夏比沖擊試驗對樣品進行沖擊性能測試，試樣加工成55 mm×10 mm×10 mm的長方體，并在中間位置加工出45°，2 mm深的V字槽。

2 試驗結果與分析

2.1 鑄態組織

圖2為不同Mg含量鋁合金的鑄態組織，從圖2可知，隨著Mg含量的增加，基體的結晶相明顯增多。大部分凝固結晶相沿晶界析出，并呈網狀分布，形成枝晶。當Mg含量為0.22%和0.39%時，結晶相的數量較少；當Mg含量高于0.53%時，結晶相的尺寸和面積分數開始顯著增加，枝晶變多。

2.2 時效態組織

圖3為不同Mg含量合金固溶時效后的顯微組織形貌，可見，合金的晶粒都被擠壓拉長，呈長條狀，晶粒大小變化并不明顯。當Mg含量高于0.39%時，隨著Mg含量的增加，剩余結晶相尺寸和面積分數顯著增多，而當Mg含量為0.22%時，也觀察到了部分不溶黑色顆粒。圖4為不同Mg含量合金固溶時效后的SEM圖，隨著Mg含量的增加，基體中剩余結晶相整體呈增加趨勢，并且沿擠壓方向被破碎，呈帶狀分布，對比圖4(a,d)可以發現，Mg含量較低時的剩余結晶相比Mg含量較高時更粗大。對圖4(d,e)所示區域進行能譜分析(表2)可知，微米級剩余結晶相主要為粗大的白色圓形θ相(Al2Cu)，灰黑色Q相(AlCuMgSi)，深灰色AlCuSiMnFe相。圖5是不同Mg含量試樣剩余結晶相體積分數，當Mg含量為0.22%時，由Image-J軟件統計可以看出剩余結晶相體積分數為最小值0.9%。且隨Mn含量的增加剩余結晶相增多，這與圖3觀察到的結果一致。

圖3 不同Mg含量2A14鋁合金時效態的顯微組織Fig.3 Microstructure of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents (a) 0.22%; (b) 0.39%; (c) 0.53%; (d) 0.89%

圖4 不同Mg含量2A14鋁合金時效態的SEM圖Fig.4 SEM images of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents(a) 0.22%; (b) 0.39%; (c) 0.53%; (d-f) 0.89%

圖5 不同Mg含量2A14鋁合金時效后的剩余結晶相體積分數Fig.5 Volume fraction of residual crystalline phase in the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents

表2 0.89%Mg含量試樣的EDS分析結果(質量分數，%)

2.3 導電率和硬度

由圖6可以看出，Mg含量對試樣硬度和導電率的影響比較大，隨著Mg含量的增加，硬度先顯著增加后降低。當Mg含量達到0.53%時，硬度達到最大值160.4 HV20；當Mg含量為0.22%時，硬度值最低，為140.5 HV20。隨著Mg含量的增加，越來越多的溶質原子固溶進基體，在隨后的時效過程中析出，釘扎位錯，提高了硬度。當Mg含量從0.22%增加到0.89%時，合金的導電率從39.7%IACS下降至38.2%IACS。

圖6 不同Mg含量2A14鋁合金時效后的硬度和導電率曲線Fig.6 Hardness and conductivity of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents

2.4 拉伸性能和沖擊性能

由圖7可知，隨著Mg含量的增加,合金的抗拉強度和屈服強度先增加后小幅降低，在Mg含量到達0.53% 時，合金具有最高的抗拉強度(529.9 MPa)和屈服強度(475.2 MPa)，但此時合金的伸長率最低，為9.48%。在Mg含量為0.39%時，合金具有較好的抗拉強度(517.9 MPa)、屈服強度(455.3 MPa)和伸長率(11.09 %)。而Mg含量對合金沖擊性能的影響不是很大，Mg從0.22%增加到0.89%時，沖擊吸收能量的波動范圍也只在23.0～25.0 J之間波動。當Mg含量為0.22%時，具有最高的沖擊吸收能量，為25.0 J，當Mg含量為0.53%時，沖擊吸收能量只有23.0 J。

圖7 不同Mg含量2A14鋁合金時效后的力學性能Fig.7 Mechanical properties of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents

由圖8可知，合金斷裂模式主要由韌窩斷裂及沿晶斷裂組成。當Mg含量為0.22%和0.39%時，拉伸斷口存在大量深且細小的韌窩，韌窩底部可見剩余結晶相。當Mg含量增加到0.53%時，韌窩變成大而淺的橢圓形盤狀，韌窩斷裂的比例減小，沿晶斷裂的比例增加。隨著Mg含量繼續增加到0.89%時，沿晶斷裂的比例繼續增加，韌窩尺寸繼續增大，合金的塑性降低。

圖8 不同Mg含量2A14鋁合金室溫拉伸斷口形貌Fig.8 Tensice fracture morphologies of the 2A14 aluminum alloy with different Mg contents at room temperature(a) 0.22%; (b) 0.39% ; (c) 0.53% ; (d) 0.89%

由圖9可以看出，沖擊斷口的韌窩底部存在大量粗大難溶顆粒，說明這種粒子是斷裂源，容易引起應力集中。隨著Mg含量的增加，韌窩的數量逐漸變少，尺寸變大且深度變淺。韌窩越細小，數量越多，沖擊性能越好。當Mg含量為0.53%時，沖擊性能最低，韌窩深度和尺寸都達到了最大，且伴有撕裂棱的產生。

圖9 不同Mg含量2A14鋁合金室溫沖擊斷口形貌Fig.9 Impact fracture morphologies of the 2A14 aluminum alloy with different Mg contents at room temperature(a) 0.22%; (b) 0.39%; (c) 0.53%; (d) 0.89%

3 分析與討論

3.1 第二相粒子的影響

Al-Cu-Mg-Si系合金為析出相強化的合金，析出相的序列和種類影響著其力學性能。研究表明，Al-Cu-Mg-Si系合金時效析出相主要有θ(Al2Cu)相和Q(AlCuMgSi)相，其析出序列分別為：SSSS→GP zones→θ″→ θ′ → θ; SSSS→Mg-Si clusters→GP-I zones→β″,Q′,C→Q′→Q[5, 12]。析出相與位錯間的Orowan強化機制影響著合金的強度和硬度。根據Zhu和Starke[13]報道的Orowan修正方程，強化應力τp與第二相粒子(θ和Q)的函數關系為:

(1)

式中：G為剪切模量，b是伯氏矢量大小，Dp為第二相粒子直徑，tp為第二相粒子厚度，fv為析出相的體積分數，r0為內部位錯切過半徑。

研究表明，Mg元素的加入可以降低團簇的形成溫度，促進Al-Cu合金中Cu-Mg溶質原子團簇的形成，隨著Mg含量的增加，越來越多的Mg原子在時效過程中嵌入團簇內部[11]。這些團簇的形成可以為后續θ′相和Q′相的形成提供形核位點，使這些強化析出相的數量增加，而析出來的盤狀θ′強化相又會有很高的位錯剪切抗性[12]。但隨著保溫時間的增長，開始析出的強化相會逐漸粗化。所以隨著Mg含量的增加，會使預先Cu-Mg團簇的時效析出相粗化。Mg含量越多，則方程中的Dp和fv逐漸增加，二者存在一個競爭關系，Mg含量從0.22%增加到0.53%時，析出相體積分數fv的增加占主導優勢，強化應力τp增大，合金的強度硬度逐漸增加，Mg含量從0.53%增加到0.89%時，第二相粒子的直徑Dp增加帶來的合金強度減弱效應逐漸抵消掉析出相體積分數fv引起的強度增加效應，則合金的強度硬度開始下降[14]。

3.2 剩余結晶相的影響

剩余結晶相(RCP)對強韌性也有著顯著的影響。由圖4可知，隨著Mg含量的增加，剩余結晶相θ相(Al2Cu)、灰黑色Q相(AlCuMgSi)、深灰色AlCuSiMnFe相數量明顯增加，而剩余結晶相容易引起應力集中，形成裂紋源，在拉伸或者沖擊過程中優先發生斷裂[15-16]。時效析出相和剩余結晶相的尺寸、種類和相貌都影響著合金的形變特征和斷裂行為，由于分散在基體中的剩余結晶相和彌散強化相在發生剪切引起了局部不均勻變形，位錯和析出相的交互作用使得平面滑移帶出現，隨著位錯的滑移，造成應變在晶界或者亞晶界處產生集中，終止在晶界附近的滑移帶加速了微裂紋產生的進程[17-18]。如圖10所示，剩余結晶相分布在基體中，變形引起的應力多集中在這些較大的粒子周圍，受較大拉應力σ作用，開始產生微裂紋，從而出現圖8(a)的穿晶斷裂，而晶界析出相沿晶界分布，滑移帶的塑性變形也容易終止于此，造成位錯的累積，剪切應力τ會沿晶界分布，從而出現如圖8(c)所示的沿晶斷裂。隨著Mg含量的增加，強化析出相的數量增多，釘扎晶界和位錯，彌散強化和晶界強化的效果顯著增強，使基體各部位產生很大的強度差，位錯滑移終止于第二相粒子附近，也容易造成應力集中[8]。由圖9沖擊斷口形貌放大圖可知，韌窩底部存在著大量剩余結晶相，并且剩余結晶相越大，韌窩尺寸越大，沖擊性能越差。雖然低Mg含量的合金中剩余結晶相較少，但由于其尺寸較大，對其伸長率和沖擊性能也有一定的制約關系。

圖10 時效析出相和剩余結晶相對2A14鋁合金沖擊性能的影響Fig.10 Effects of MPs and RCP on impact property of the 2A14 aluminum alloy

4 結論

1) 隨著Mg含量的增加，剩余結晶相的體積分數明顯增加，當Mg含量大于0.53%時，形成網狀分布的枝晶，其中微米級剩余結晶相主要是粗大的白色圓形θ相(Al2Cu)，灰黑色Q相(AlCuMgSi)和深灰色AlCuSiMnFe相。

2) Mg含量從0.22%增加到0.89%，2A14鋁合金的拉伸強度先增加后降低，當Mg含量為0.53%時，合金具有最高的抗拉強度(529.9 MPa)和屈服強度(475.2 MPa)，沖擊吸收能量略有降低，為23.0 J。

3) 剩余結晶相和時效析出相共同影響2A14鋁合金的強度和沖擊性能，細小致密的θ′和Q′析出相隨Mg含量的增加而增加，使強度升高，但剩余結晶相也隨之增多，容易引起應力集中，造成沖擊性能下降。