吳 楠，祝 哮，謝方亮，楊 路，鄭 建

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。鋁合金除了具有密度小、耐蝕好、易加工等優(yōu)點(diǎn)外，還具有一定的吸能性，其中6xxx系鋁合金吸能效果較佳，因而汽車防撞系統(tǒng)多采用6xxx系鋁合金。由于防撞系統(tǒng)長(zhǎng)期處于熱暴露環(huán)境中，其力學(xué)性能會(huì)有所下降，降低了使用性能，導(dǎo)致汽車安全系數(shù)降低。

Zr和稀土元素有細(xì)化晶粒、改善合金耐熱性等作用。稀土在鋁合金中主要以固溶態(tài)、晶界和枝晶界偏聚以及化合物這3種形式存在，具有凈化熔體、變質(zhì)和細(xì)化晶粒等作用[1]，其中含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)在0.03%～0.07%時(shí)以第一種形式存在，含量<0.3%時(shí)以前兩種形式存在，含量>0.3%時(shí)主要以化合物形式存在[2]。張向宇等[3]人曾探討過不同含量的La元素對(duì)6063合金組織和性能的影響，在文中指出當(dāng)La元素含量低于0.3%時(shí)，隨著La含量的提高其合金性能也會(huì)隨之提高，當(dāng)La含量>0.3%時(shí)，過量的La與Si、Fe形成粗大的AlFeSiLa稀土化合物，消耗了Si元素，使合金的強(qiáng)化相數(shù)量減少，合金性能降低；文獻(xiàn)[4]中提到Zr含量>0.3%，將會(huì)形成粗大的ZrAl3，降低了合金的性能。但關(guān)于Zr和稀土元素影響6xxx系鋁合金機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性的研究甚少。本文通過在Al-Mg-Si合金分別添加0.18%Zr、0.18%La，研究Zr和La對(duì)Al-Mg-Si合金擠壓型材機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

原材料為工業(yè)純鋁、工業(yè)純鎂、工業(yè)純硅、Al-10%Zr和Al-10%La中間合金，配制Al-Mg-Si、Al-Mg-Si-Zr、Al-Mg-Si-La三種合金成分，分別記為O、Z、L合金，主要合金成分見表1。

表1 鋁合金試樣主要合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用半連續(xù)鑄造方式制備上述三種合金圓錠，鑄錠直徑為198mm，經(jīng)520℃×8h均火制度處理后擠壓，在線淬火，切頭切尾處理后，進(jìn)行自然時(shí)效(T4)和人工時(shí)效(T6)處理。鑄態(tài)試樣經(jīng)打磨、拋光、Keller試劑腐蝕后，在掃描電鏡下觀察并進(jìn)行EDS分析，在AG-X100KNH萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行擠壓態(tài)力學(xué)性能測(cè)試和彎曲試驗(yàn)，在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定150℃溫度下的高溫力學(xué)性能，在YBT1206液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。經(jīng)T6處理后的試樣，在150℃下分別保溫24h、48h、72h、96h、120h、144h，待試樣溫度降至室溫進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為O、Z、L三種合金鑄態(tài)SEM圖，表2為EDS分析結(jié)果。枝晶網(wǎng)絡(luò)連續(xù)、均勻，并且晶界上有Mg2Si相存在?；w上存在近似圓形或形狀不規(guī)則、黑色的第二相，結(jié)合能譜分析結(jié)果，該類相含有Al、Fe、Mg、Si元素，推測(cè)為AlFeSi、Mg2Si相。EDS分析結(jié)果顯示在晶界上有La元素存在，推測(cè)為AlMgSiLa化合物。

(a)O；(b) Z；(c) L圖1 三種合金鑄態(tài)SEM圖Fig.1 As-cast SEM image of three alloys

表2 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 力學(xué)性能

圖2為三種合金擠壓材試樣在自然時(shí)效(T4)和人工時(shí)效(T6)狀態(tài)下的力學(xué)性能，可以看出，T4和T6狀態(tài)Z合金的強(qiáng)度較高，O和L合金強(qiáng)度相似，Z合金強(qiáng)度比O和L合金的高10MPa～20MPa。

稀土元素主要是通過固溶、細(xì)化晶粒組織和形成含稀土的第二相來到達(dá)強(qiáng)化的目的。La在鋁合金中極限固溶度0.28%，固溶強(qiáng)化作用不明顯，此作用不考慮。La的加入形成含La的第二相，具有一定強(qiáng)化作用，但La與Si元素反應(yīng)，消耗了強(qiáng)化相Mg2Si中Si原子，強(qiáng)化相數(shù)量減少，對(duì)Al-Mg-Si合金起到了弱化的作用，二者相抵消，O與L合金性能相似。Zr與Al形成ZrAl3，在晶界處釘扎，阻礙晶界遷移和位錯(cuò)移動(dòng)，提高合金強(qiáng)度；除此之外部分固溶在基體中的Zr元素起到一定程度的固溶強(qiáng)化作用，因而添加Zr可提高Z合金強(qiáng)度。

(a)T4；(b)T6圖2 三種合金試樣在T4和T6狀態(tài)下的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of three alloy samples at T4 and T6

圖3為三種合金擠壓材150℃的力學(xué)性能。La能夠形成含La的第二相，這些相具有粒子化、球化特征，且熔點(diǎn)較高，具有一定的耐熱性[1]。另外，從圖1可看出在晶界上有含有La化合物存在，在高溫下起到強(qiáng)化并穩(wěn)定了晶界，提高了合金的高溫性能，因此高溫下L合金力學(xué)性能高于O和Z合金。

(a)T4；(b)T6圖3 三種合金試樣在150℃溫度下的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of three alloy specimens at 150 °C

2.3 彎曲和壓縮性能

三種合金擠壓材在T6狀態(tài)下的彎曲角度均在145°至152°之間。由圖2(b)可知，O、Z、L三種合金T6狀態(tài)的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率相近，其塑性相近，因而彎曲角度無明顯區(qū)別，且均無裂紋出現(xiàn)。

圖4為三種合金擠壓材T6狀態(tài)的壓縮試驗(yàn)圖片，從圖中可看出三種合金均無開裂現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)[6]介紹，O、Z、L三種合金壓縮變形為混合變形模式(手風(fēng)琴+鉆石模式)，在壓縮過程中，試樣首先以手風(fēng)琴模式發(fā)生變形，在形成2個(gè)完整的褶皺之后，轉(zhuǎn)變?yōu)殂@石模式，吸能性能將降低。

(a)O；(b) Z；(c) L圖4 三種合金擠壓材壓潰圖片F(xiàn)ig.4 Three alloy extrusion crushed pictures

2.4 熱穩(wěn)定性

圖5為三種合金擠壓材在150℃下保溫24h～144h的力學(xué)性能。圖中可見，O合金在保溫24h時(shí)出現(xiàn)了峰值，而Z合金、L合金在保溫72h時(shí)出現(xiàn)峰值，之后合金強(qiáng)度下降，Z和L合金的強(qiáng)度高于O合金。鋁合金時(shí)效析出次序?yàn)椋害吝^飽和固溶體、GP區(qū)、β″相、β′相、β(Mg2Si)相。最初析出的是與基體共格的β″相，具有一定的強(qiáng)化作用，合金強(qiáng)度提高，出現(xiàn)了峰值。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，彌散相β″擴(kuò)散長(zhǎng)大形成半共格的β′相，后期形成了穩(wěn)定β相，合金強(qiáng)度下降，O合金強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。

在整個(gè)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中L和Z合金的強(qiáng)度高于O合金。Zr的加入與Al形成ZrAl3相，具有一定的釘扎晶界作用，能夠抑制晶界的遷移和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，Zr元素的添加延緩了Al-Mg-Si合金強(qiáng)度峰值的出現(xiàn)時(shí)間。另外固溶在基體中的Zr元素有一定的強(qiáng)化作用，在長(zhǎng)期時(shí)效過程中改善了Al-Mg-Si合金的強(qiáng)度。

(a) 屈服強(qiáng)度；(b) 抗拉強(qiáng)度圖5 三種合金擠壓材在150℃下不同保溫時(shí)間的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of three alloy extruded materials at different holding times at 150 °C

由于含有La、Si第二相的形成，降低了可移動(dòng)擴(kuò)散的Si濃度；La與Si的相互作用降低了Si原子的遷移速率，影響β(Mg2Si)相形成及長(zhǎng)大；另外稀土La可提高β相析出激活能，推遲抑制了β相析出[7]，在長(zhǎng)期時(shí)效過程中改善Al-Mg-Si合金強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)Zr元素添加提高了Al-Mg-Si合金常溫力學(xué)性能，稀土元素與Si形成含稀土相，強(qiáng)化相Mg2Si數(shù)量減少，Al-Mg-Si合金常溫性能無明顯改善。

(2)Zr和稀土La的加入改善了Al-Mg-Si合金熱穩(wěn)定性能；在Al-Mg-Si合金中添加Zr和La能夠延緩強(qiáng)度峰值出現(xiàn)時(shí)間，延遲Al-Mg-Si合金在長(zhǎng)期熱處理過程中強(qiáng)度的衰減。