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(qiáng)度、優(yōu)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(qiáng)化相[1]。但Mg和Si比值不同，其時效析出行為也會不同。文獻(xiàn)[3]報道了在Al-Mg-Si合金中Mg/Si摩爾比對時效動力學(xué)產(chǎn)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(xué)影響較180 ℃更大，并且Si含量越高的合金，晶界析出相越連續(xù)且尺寸越大。張新民等[4]研究了Mn含量對6061合金強(qiáng)度和塑性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Mn含量超過0.1%時，塊狀A(yù)l9(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(qiáng)度和塑性均達(dá)到最大值。

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

1 熱力學(xué)模擬計(jì)算方法及原理

CALPHAD是在熱力學(xué)理論和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫支持下的相圖計(jì)算。核心原理為根據(jù)已知熱力學(xué)相平衡數(shù)據(jù)，確定低組元各相的熱力學(xué)描述，然后通過遞推優(yōu)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(dá)式為：

(1)

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

組元i在各相中的化學(xué)勢相等，即有

(2)

μi(α)=μi(β)

(3)

2 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)以Al-Mg-Si-Cu合金為研究對象，借助熱力學(xué)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(yàn)合金成分見表1。

采用純度為99.7%工業(yè)鋁錠、工業(yè)純鎂和工業(yè)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(xù)鑄造方式制備出試驗(yàn)合金，鑄錠直徑為φ198 mm。鑄錠經(jīng)560 ℃×8 h均勻化處理后，在2000T擠壓機(jī)上擠壓，用線水冷淬火，斷面形狀為“口”字型。型材經(jīng)185 ℃×8 h時效處理后，采用AG-X100KNH萬能試驗(yàn)機(jī)對擠壓態(tài)合金強(qiáng)度和折彎性能進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 相組成及微觀組織

利用熱力學(xué)分析方法對三種合金相組成進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果見圖1。從圖中可以看出，三種合金均會出現(xiàn)Mg2Si、Al5Cu2Mg8Si6結(jié)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(xué)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(zhì)原子團(tuán)簇→GP區(qū)(球狀)→亞穩(wěn)β″(針狀)→亞穩(wěn)β′(棒狀)→穩(wěn)態(tài)β-Mg2Si相(片狀)。在時效過程中，合金的硬度和強(qiáng)度會在GP區(qū)開始產(chǎn)生，而β″相的析出使合金的強(qiáng)度和硬度達(dá)到峰值。從上述脫溶析出過程，GP區(qū)、β″、β′相能有效地提高合金的強(qiáng)度，其中β″強(qiáng)化效果最好，是峰時效的產(chǎn)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(jié)構(gòu)、成分及位相關(guān)系，認(rèn)為β″成分為Mg5Si6。

圖3為Al-Mg-Si經(jīng)180 ℃×8 h時效處理后的力學(xué)性能。從圖中可以看出， 1#試樣的屈服和抗拉強(qiáng)度分別為310、330 MPa；2#試樣的屈服和抗拉強(qiáng)度分別為297、324 MPa。1#試樣的強(qiáng)度要高于2#試樣。這是因?yàn)槠渌睾肯嗤瑫r，1#試樣的Si含量大于2#試樣，見圖1的模擬分析結(jié)果。文獻(xiàn)[8]指出過剩Si容易導(dǎo)致原子團(tuán)簇，且原子團(tuán)簇中Mg、Si的摩爾比值近似等于1時，β″相更易析出，均勻細(xì)小分布在基體上，提高合金的整體強(qiáng)度，從而達(dá)到強(qiáng)化效果。李建國等[9]研究Al-Mg-Si時效析出相過程中發(fā)現(xiàn)Si加入量越多，時效析出相越多，時效強(qiáng)化效果也越理想，過剩Si可增加Al-Mg-Si合金中析出相的數(shù)量，這與本試驗(yàn)結(jié)果相符。從圖2也可以看出，1#試樣強(qiáng)化相β″含量大于2#試樣，圖1熱力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果也與之相符。因此，過剩Si可促進(jìn)強(qiáng)化相β″均勻析出，是1#試樣強(qiáng)度高于2#試樣的主要原因。

3#試樣屈服和抗拉強(qiáng)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(qiáng)化相所需的Si，而AlMnSi相的強(qiáng)化作用低于強(qiáng)化相β″，因而合金強(qiáng)化效果減弱。文獻(xiàn)[2]提出人工時效過程中，Mn在強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化效果要優(yōu)于高M(jìn)n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?yàn)?#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(xué)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(fā)生了再結(jié)晶；而3#試樣沿擠壓方向呈現(xiàn)出纖維變形組織，無再結(jié)晶組織。這是因?yàn)镸n具有提高合金的再結(jié)晶溫度，抑制再結(jié)晶和細(xì)化晶粒的作用。3#試樣的再結(jié)晶溫度高于1#試樣，從而提高了1#試樣粗晶層厚度，而導(dǎo)致其韌性比3#試樣差，彎曲角度也小于3#試樣。

4 結(jié)論

1)過剩Si可促進(jìn)強(qiáng)化相β″均勻析出，提高合金的強(qiáng)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(qiáng)化相β″數(shù)量，弱化合金的強(qiáng)化效果，導(dǎo)致Mn含量高的合金，其時效后的力學(xué)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(jié)晶程度要低于Mn含量低的合金，而折彎性能優(yōu)于Mn含量低的合金。

(a)1#試樣；(b)3#試樣圖5 試驗(yàn)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