Al-Mg-Si（-Mn, Zr）合金的微观组织及力学性能研究

youjiang

铝合金材料能够满足产品轻量化、大型化及复杂结构的需求，其现代工业应用量仅次于钢铁。铝合金具有密度低、比强度高、塑性好、导电导热能力强、加工成型性能优异以及耐腐蚀性良好的特征，在航天航空、武器装备、交通运输、机械建筑、冶金化工、能源等领域得到广泛的应用。全世界80%的铝挤压产品都是用6XXX系铝合金制成，但是强度制约了其应用。为了扩大6XXX系铝合金的使用范围，其力学性能和耐腐蚀性能有待进一步提高。

本研究以Al-Mg-Si合金和添加Mn、Zr的Al-Mg-Si合金为对象，系统地研究了添加Mn、Zr元素和采用不同铸造凝固方式对合金力学性能和微观组织的影响，重点研究了时效析出和轧制对材料强度的影响机制。利用XRD分析，计算Al-Mg-Si系合金的晶格常数及主要合金元素的固溶度；通过DSC分析，研究Al-Mg-Si合金和6XXX-XMn-YZr（质量百分数）合金的时效动力学行为，获得了表观激活能并确定其动力学方程。

通过研究铸造原始态微观组织及固溶度计算，分析添加Mn、Zr元素及水冷铜模铸造对合金微观组织的影响和对合金力学性能的作用。水冷铜模铸造减少了元素偏析，提高了主要合金元素的固溶度：Mg的固溶度提高7%～12%；Si的固溶度提高10%～14%；Mn的固溶度提高10%。同时，结合EDS能谱分析等手段，确定出铸造原始态合金的结晶相。

为了消除合金内部成分不均匀性和非平衡组织，对铸态合金进行均匀化热处理。通过DSC分析，确定了合金的过烧温度；结合金相组织观察，确定了合金的热处理制度为560℃×3h。合金经过均匀化处理后，析出相形貌发生了改变。对于均匀化处理合金，Mg元素的固溶度比铸态提高30%左右，Mn、Si元素的固溶度提高超过50%，从理论上说明了均匀化处理的作用。研究表明，力学性能最好的是均匀化处理的水冷铜模铸造6XXX-XMn-XZr合金，其抗拉强度达到286MPa、屈服强度为127MPa、延伸率为18%。

时效后水冷铜模铸造的6XXX-XMn-YZr合金，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为356MPa、230MPa、21%；轧制后水冷铜模铸造的6XXX-XMn-YZr合金，其抗拉强度达到363MPa、屈服强度为217MPa、延伸率为9%。两种方式均明显提高了6061合金的强度。

轧制Al-Mg-Si和6XXX-XMn-YZr合金在3.5%（质量分数）的NaCl溶液中的腐蚀实验结果表明，水冷铜模铸造合金腐蚀速率低于铁模铸造合金，添加Mn、Zr的Al-Mg-Si合金耐腐蚀性能优于Al-Mg-Si合金。

普通该系合金强度为150-290MPa，该研究的6XXX-xMn-yZr铝合金材料最高强度为363MPa，且不损失6XXX系合金的腐蚀性能。