范遠(yuǎn)博，王順成，周 楠，張思倩

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528137；3.廣東省科學(xué)院材料與加工研究所，廣東 廣州 510650)

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、易加工成形和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于建筑、電子電器、交通運(yùn)輸、機(jī)械裝備、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域[1-4]。Fe是鋁合金中不可避免的雜質(zhì)元素，主要來(lái)源于鋁錠和鑄造生產(chǎn)過(guò)程。陳勝遷等人[5-7]研究了Fe含量對(duì)鑄造鋁硅合金組織與力學(xué)性能的影響表明，過(guò)量的Fe在鋁硅合金中容易形成針狀β-Fe富鐵相，造成應(yīng)力集中，成為鋁硅合金斷裂的裂紋源和裂紋擴(kuò)展方向，從而降低鋁硅合金的強(qiáng)度和塑性。

Al-Zn-Mg-Cu系合金屬于可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金，隨著交通運(yùn)輸、機(jī)械裝備、航空航天和武器裝備等的發(fā)展，對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性能和疲勞性能都要求越來(lái)越高[8-11]。但迄今為止，未見研究雜質(zhì)元素Fe對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金組織性能影響的報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究了Fe含量對(duì)Al-5.2Zn-1.7Mg-0.5Cu合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料對(duì)象為Al-5.2Zn-1.7Mg-0.5Cu合金，采用純鋁錠(99.99%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、純鋅錠(99.9%)、純鎂錠(99.99%)和Al-50Cu合金熔煉配制，在100 kg熔鋁爐內(nèi)于750 ℃加熱熔化純鋁錠，然后加入純鋅錠、純鎂錠和Al-50Cu合金，攪拌熔化成鋁合金液，經(jīng)精煉除氣除雜和扒渣后，將鋁合金熔體鑄造成直徑100 mm、長(zhǎng)250 mm的Al-5.2Zn-1.7Mg-0.5Cu合金鑄棒，鑄造溫度為690 ℃。將Al-5.2Zn-1.7Mg-0.5Cu合金鑄棒再在5 kg石墨坩堝電阻爐內(nèi)加熱熔化、升溫至750 ℃，分別加入不同量的Al-20Fe合金，對(duì)應(yīng)合金中w(Fe)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%，攪拌，精煉除氣除雜和扒渣后，鑄造成直徑100 mm、長(zhǎng)200 mm不同F(xiàn)e含量的Al-5.2Zn-1.7Mg-0.5Cu合金鑄棒，經(jīng)SPECTROMAXx型直讀光譜儀測(cè)定，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of test alloy rods(wt/%)

在試驗(yàn)合金鑄棒橫截面二分之一半徑位置上取樣，試樣經(jīng)磨制和拋光后，在DMI3000M型金相顯微鏡上進(jìn)行觀察，在SU8220型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察和能譜分析。將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在DNS200型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸Fig.1 Shape and size of the tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為試驗(yàn)合金的金相顯微組織。圖3為試驗(yàn)合金的掃描電鏡顯微組織。表2為掃描電鏡物相能譜分析結(jié)果。從圖2可看到，隨著Fe含量的增加，合金中第二相的數(shù)量逐漸增加。結(jié)合表2掃描電鏡能譜分析結(jié)果，圖3中的球形狀化合物為T(AlZnMgCu)相和η(MgZn2)相，塊狀化合物為Al6(CuFe)相[12]，長(zhǎng)條針狀化合物為Al3Fe相。從圖3a可看到，未添加Fe元素時(shí)，合金中的Fe含量極低，合金基體上只有球形狀化合物T(AlZnMgCu)相和η(MgZn2)相。當(dāng)添加w(Fe)=0.1%的Fe元素時(shí)，合金基體上開始出現(xiàn)少量塊狀的Al6(CuFe)相，如圖3b所示。當(dāng)Fe含量增加到w(Fe)=0.2%時(shí)，合金基體上開始出現(xiàn)少量針狀的Al3Fe相，如圖3c所示。隨著Fe含量的繼續(xù)增加，針狀A(yù)l3Fe相的數(shù)量逐漸增加，分別如圖3d、e、f所示。

表2 試驗(yàn)合金的物相能譜分析結(jié)果Table 2 Energy spectrum analysis of phases inthe test alloys

2.2 力學(xué)性能

圖4為試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與Fe含量之間的變化曲線。圖5為試驗(yàn)合金的拉伸斷口形貌。

圖2 試驗(yàn)合金的金相顯微組織Fig.2 Metallographic microstructure of the test alloys

圖3 試驗(yàn)合金的SEM顯微組織Fig.3 SEM microstructures of the test alloys

從圖4可看到，未添加Fe元素時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度為292 N/mm2，伸長(zhǎng)率為6.7%。當(dāng)添加w(Fe)=0.1%的Fe元素時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度提高到301 N/mm2，伸長(zhǎng)率提高到7.1%。從圖3b可看到，添加w(Fe)=0.1%的Fe元素時(shí)，合金基體上開始出現(xiàn)少量塊狀A(yù)l6(CuFe)相，塊狀A(yù)l6(CuFe)相對(duì)鋁基體有彌散強(qiáng)化作用，因而提高了合金的強(qiáng)度。當(dāng)添加w(Fe)=0.2%的Fe元素后，合金的抗拉強(qiáng)度下降到285 N/mm2，伸長(zhǎng)率下降到6.3%。當(dāng)繼續(xù)增加Fe含量，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都繼續(xù)下降。當(dāng)w(Fe)增加到0.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度下降到253 N/mm2，伸長(zhǎng)率下降到5.3%。從圖5可看到，當(dāng)w(Fe)=0.2%以后，拉伸試樣的斷口形貌中韌窩的數(shù)量開始減少，解離斷裂面越來(lái)越多。對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，可發(fā)現(xiàn)斷口有針狀A(yù)l3Fe相。由于針狀A(yù)l3Fe相屬于硬脆相，細(xì)長(zhǎng)的針狀A(yù)l3Fe相會(huì)割裂鋁基體，容易造成應(yīng)力集中，成為合金斷裂的裂紋源和裂紋擴(kuò)展的方向，從而降低合金的強(qiáng)度和塑性，因此，w(Fe)超過(guò)0.2%以后，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨著Fe含量的增加而逐漸下降。

圖4 試驗(yàn)合金的拉伸力學(xué)性能隨Fe含量的變化曲線Fig.4 Variation curves of tensile mechanical properties of the test alloys with Fe content

圖5 試驗(yàn)合金的拉伸試樣斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of tensile specimens of the test alloys

3 結(jié) 論

1)Fe元素在Al-5.2Zn-1.7Mg-0.5Cu合金中以塊狀A(yù)l6(CuFe)相和針狀A(yù)l3Fe相形式存在，其中塊狀A(yù)l6(CuFe)相對(duì)合金有彌散強(qiáng)化作用，而針狀A(yù)l3Fe相會(huì)割裂鋁基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性。

2)添加w(Fe)=0.1%的Fe，F(xiàn)e元素在合金中主要以塊狀A(yù)l6(CuFe)相形式存在，合金的抗拉強(qiáng)度提高到301 N/mm2，伸長(zhǎng)率提高到7.1%。

3)當(dāng)w(Fe)超過(guò)0.2%后，F(xiàn)e在合金中主要以針狀A(yù)l3Fe相形式存在，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨著Fe含量的增加而逐漸下降。