史建超

摘 要：鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、塑性優(yōu)良、加工性能優(yōu)異、優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及耐腐蝕性，在工業(yè)上使用量?jī)H次于鋼。鋁合金是廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)材料，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。

關(guān)鍵詞：合金化;變形鋁合金;5XXX系鋁合金

大量研究表明，某些元素少量的添加就會(huì)顯著影響鋁合金的微觀組織和性能，所以合金化是提高鋁合金性能的重要途徑。

1、鋁合金研究的重點(diǎn)

一是合金的成份優(yōu)化設(shè)計(jì);二是采用新的冶煉鑄造方法[1]; 三是改進(jìn)熱處理制度，提高合金的力學(xué)性能;四是改進(jìn)擠壓軋制等成型工藝，獲得細(xì)小等軸晶或者超細(xì)晶材料。

2、5XXX系合金分析與討論

5XXX系合金以Mg為主要添加元素的不可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金[2]。在450℃時(shí)Mg的溶解度為17.4wt.%，隨著溫度的降低溶解度不斷降低。在室溫時(shí)溶解度降低至1.7wt.%。Mg元素小于3wt.%的合金穩(wěn)定性能高，在加工硬化狀態(tài)和退火狀態(tài)下不會(huì)在晶界處析出連接狀態(tài)的β（Mg2Al3）相，且對(duì)應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕不敏感。通過(guò)Al-Mg相圖分析可知，Al-Mg合金具有時(shí)效硬化效果，但是Al-Mg形成的β（Mg2Al3）相具有嚴(yán)重的沿晶界沉淀傾向形成連續(xù)的析出相。導(dǎo)致合金晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性增大，影響延展性、耐腐蝕性。此外，沿著晶界析出粗大的β（Mg2Al3）相導(dǎo)致焊接性能惡化。

5XXX系鋁合金中Mg元素一般為0.5wt.%-6.0wt.%。例如：5083合金為4.0wt.%-4.9wt.%，5059合金為5.0wt.%-6.0wt.%。此外，冷加工后的合金在室溫長(zhǎng)期放置也能緩慢析出β（Mg2Al3）相，使合金中Mg的固溶強(qiáng)化效果降低。因此，為了穩(wěn)定合金的加工性能和耐腐蝕性能，冷加工后需要進(jìn)行退火處理。

Zn元素：Zn元素在合金基體中與Mg元素形成η（MgZn2）和τ（Al2Mg3Zn3）相，η（MgZn2）在室溫時(shí)溶解度約為4wt.%-5wt.%，在共晶溫度時(shí)其溶解度約為28wt.%。η（MgZn2）和τ（Al2Mg3Zn3）相可以提高時(shí)效強(qiáng)化效果，降低塑性和抗應(yīng)力腐蝕性能。

Mn元素：Mn與Al共晶溫度為658℃，此時(shí)溶解度為1.82wt.%。添加部分Mn形成穩(wěn)定的MnAl6相。MnAl6質(zhì)點(diǎn)能阻止在退火過(guò)程中再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，有效抑制再結(jié)晶形核和長(zhǎng)大。MnAl6還能溶解合金中的雜質(zhì)Fe元素，形成形成漢字狀（MnFe）Al6相，可以抑制針狀Fe相的生成，減小Fe元素對(duì)合金的有害影響。但是，Mn元素添加量應(yīng)該嚴(yán)格控制，否則降低拉伸性能和機(jī)械加工性能。

Cu元素：Cu元素會(huì)降低鋁合金耐腐蝕性。但是Cu和Zn同時(shí)添加時(shí)，Cu原子可以溶解到η′（MgZn2）和η（MgZn2）相中，降低晶粒內(nèi)部和晶界上的電位差，提高抗應(yīng)力腐蝕性能。Cu元素還能提高合金強(qiáng)度、塑性以及疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。但是Cu元素添加超過(guò)一定量時(shí)，鋁合金抗腐蝕性會(huì)降低。目前，Cu元素對(duì)合金的影響存在一定的分歧，有研究指出Cu元素，可以降低析出相的臨界形核半徑、提高合金的形核速率、促進(jìn)GP區(qū)和η′（MgZn2）的形成，提高GP區(qū)和η′（MgZn2）的數(shù)量，提高合金的強(qiáng)度。也有學(xué)者認(rèn)為，添加Cu元素不起增強(qiáng)度作用，鋁合金中GP區(qū)主要是Zn和Mg形成的析出相，才是合金強(qiáng)化作用主要機(jī)制。

Zr和Cr元素：Zr元素形成高溫難溶解的Al3Zr粒子，在凝固過(guò)程中作為形核質(zhì)點(diǎn)，增加形核數(shù)量。并且Al3Zr粒子能提高合金的再結(jié)晶溫度。但是，當(dāng)Zr的含量超過(guò)0.17wt.%時(shí)，鑄錠中形成的Al3Zr變得粗大，影響合金的塑性。所以，添加Zr的含量應(yīng)低于0.15wt.%。Cr元素的作用與Mn元素的作用相似，同時(shí)添加Cr元素可提高鋁合金的焊接強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力、降低焊接熱裂紋的傾向。但是Zr和Cr兩種元素總添加一般不超過(guò)0.35wt.%。超過(guò)0.35wt.%時(shí)，易形成粗大金屬間化合物降低材料的力學(xué)性能。

Fe元素：一般認(rèn)為Fe元素是雜質(zhì)元素盡量降低，F(xiàn)e元素一般控制在0.4wt.%以下。。700℃時(shí)，F(xiàn)e溶解度可以達(dá)到2wt.%，800℃時(shí)，鋁合金熔體中Fe的溶解度能夠達(dá)到5wt.%。當(dāng)溫度降低到室溫時(shí)，F(xiàn)e溶解度約為0.05wt.%。Fe元素與Al形成陰極，降低耐腐蝕性能。Fe元素容易形成難溶的粗大針狀脆性化合物，割裂基體連續(xù)性成為裂紋的形核位置，產(chǎn)生孔隙，成為裂紋源，降低力學(xué)性能。

Si元素：少量的Si元素可與Mg元素形成較粗大的骨骼狀Mg2Si相，降低一部分Mg元素的溶解。在高溫條件下，Mg2Si相溶解度很小，使得Mg2Si一直保留鑄造時(shí)的形態(tài)。部分Mg元素被Mg2Si束縛，消耗一定Mg元素，使這部分Mg元素不能起到固溶強(qiáng)化作用。而且粗大的Mg2Si具有脆性，易產(chǎn)生應(yīng)力集中作用，降低合金的延伸率。

Ti元素：少量Ti可形成尺寸較小的TiAl3彌散質(zhì)點(diǎn)。具有較高熔點(diǎn)且與Al是共格關(guān)系，可以在凝固過(guò)程中作為形核中心質(zhì)點(diǎn)。析出TiAl3彌散質(zhì)點(diǎn)很難繼續(xù)聚集和溶解，具有彌散強(qiáng)化效果。

稀土元素：稀土元素具有較高的化學(xué)活性，能與大部分元素相互作用。在鋁合金中，常用的稀土元素有Sc（鈧）、Ce（鈰）、La（鑭）等元素。（1）凈化熔體、提高熔體的流動(dòng)性、減少雜質(zhì)相和氣孔的產(chǎn)生。（2）形成的高溫質(zhì)點(diǎn)，在凝固過(guò)程中作為形核中心，細(xì)化晶粒。（3）形成的第二相彌散質(zhì)點(diǎn)，起到均勻化彌散強(qiáng)化的作用，（4）提高再結(jié)晶溫度。（5）使有害雜質(zhì)分布均勻，提高材料的綜合力學(xué)性能。

Sc元素：添加的Sc元素可以細(xì)化晶粒、再結(jié)晶抑制作用和提高再結(jié)晶溫度。形成Al3Sc相，其晶格常數(shù)為a=0.410nm的面心立方結(jié)構(gòu)，與鋁合金的晶格常數(shù)極其相似，是鋁合金在凝固過(guò)程中的理想形核劑。Sc元素添加能夠降低在變形過(guò)程中的熱裂紋敏感性。

Ce元素：Ce元素與Al元素可以形成共晶化合物，Al與CeAl4共晶溫度為673℃。Ce溶解度很小，不能起到固溶強(qiáng)化作用。Ce可以降低鋁合金的表面張力，提高鋁合金的鑄造性能。

La元素： La元素與Al元素形成的是共晶化合物，共晶溫度為642℃，共晶點(diǎn)溫度時(shí)的成份約為12wt.%。La固溶度為0.05wt.%，固溶度較小。形成的金屬間化合物L(fēng)aAl4在較高溫度時(shí)屬于四方晶系，在溫度較低時(shí)屬于六方晶系。La對(duì)鋁合金的晶格常數(shù)和電導(dǎo)率無(wú)影響。

3、結(jié)論

鋁及其合金是強(qiáng)度不高而塑性良好的金屬材料。強(qiáng)度和硬度隨著鋁合金中添加的溶質(zhì)元素的增加而增加，延伸率隨著合金元素的添加而降低。且合金的力學(xué)性能與添加的合金元素以及微觀組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]G.A.Edwards， K.Stiller， G.L.Dunlop， et al.The precipitation sequence in Al–Mg–Si alloys[J].Acta mater， 1998， 46（11）： 3893-2904.

[2]J.Gao， J.D.Quesnrl.Enhancement of the Stress Corrosion Sensitivity of AA5083 by Heat Treatment[J].Metallurgical and Materials Transactions A， 2011， 42（2）： 356-364.