Al－3Si－0.6Mg－(Cu，Mn)合金薄板的组织性能

田　月，赵　刚，田　妮，刘　坤

(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳110819)



Al－3Si－0.6Mg－(Cu，Mn)合金薄板的组织性能

田月，赵刚，田妮，刘坤

(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳110819)

摘要:采用拉伸试验、金相、扫描电镜、透射电镜高分辨组织分析方法，研究了水冷铜模铸造的扁锭轧制的Al－3.0Si－0.6Mg－0.4Cu－0.6Mn－0.18Fe合金薄板经400℃至540℃不同温度保温30 min水淬、室温停放90 d (自然时效)后的组织和性能.结果表明:在6009合金基础上提高Si的质量分数至3%，有提高其强度的作用;该合金薄板经540℃×30 min固溶处理自然时效后屈服强度为180 MPa、抗拉强度为313 MPa、延伸率接近23%，其组织中存在Si结晶相及含Fe、Mn和少量Cu、Si的结晶相，以及尺寸小于0.5 μm的以含Mn为主并含少量Si和Fe的弥散相;提高其固溶处理温度至540℃，合金薄板的强度明显提高，其原因是析出强化产物尺寸增大，密度提高了.

关键词:Al－3.0Si－0.6Mg铝合金;结晶相;弥散相; GP区;高分辨透射电镜

6xxx系铝合金属于可热处理强化型铝合金，主要靠所添加的Si和Mg形成Mg2Si序列的GP区和β″等产物时效强化［1～4］.为了不降低Mg2Si序列的强化产物的溶解度，宁可Si过剩也不让Mg过剩［5］，而且过量的Si还有提高合金强度的作用［6］.另外比较6009、6010及6070合金的Si含量及其强度(其Si质量分数依次为0.6%～1.0%、0.8%～1.2%和1.0%～1.7%，抗拉强度依次为230、290、317 MPa［7～11］)可见，提高Si含量有提高合金强度的趋势.但目前常用的6xxx系合金中Si含量一般不超过2%［11］，进一步提高Si含量对6xxx系合金性能的影响，目前研究较少.本文的目的是在6009铝合金基础上将Si质量分数提高到3.0%时，研究其组织和力学性能的变化.

1　实验材料与方法

实验材料为在电阻炉石墨坩埚内熔炼后，经水冷铜模铸造的60 mm厚扁铸锭，其成分(质量分数/%)为: Al－3.0Si－0.6Mg－0.4Cu－0.6Mn －0.18Fe.铸锭均匀化处理后，切头铣面，热轧和冷轧至1 mm厚薄板.薄板经400至540℃不同温度保温30 min水淬、室温停放90d(自然时效)后，机械加工成轴向平行于轧向的板状拉伸样品，其尺寸如图1所示.采用AG－X100kN电子万能材料试验机和德国产SMP10型电导仪分别测定样品的力学性能和电导率，采用10 mlHF +5 ml HCl + 5 ml HNO3+380 mlH2O混合酸腐刻金相样品，借助OLYMPUS GX71光学显微镜及场发射JEM2100F透射电镜观察合金显微组织.在SSX－550型扫描电镜及附带的DX－4型能谱仪上确定合金相成分(加速电压为15 kV).

图1　拉伸试样尺寸Fig.1 Size of specimen for the tensile test

2　实验结果与讨论

2.1实验合金薄板热处理后的力学性能和电导率

经不同温度保温30 min后水淬并在室温自然时效90 d的Al－3.0Si－0.6Mg－0.4Cu－0.6Mn－0.18Fe合金薄板的纵向力学性能及电导率如图2所示.可见，在400～540℃范围随着处理温度的升高合金的强度单调增加，电导率单调降低.电导率可以表征合金中溶质原子溶入基体的程度，随着处理温度的升高，合金淬火态电导率单调降低，表明合金基体中溶入了更多的溶质原子，导致时效强化能力增强，因此合金的强度随处理温度升高而单调增加.当处理温度升高至540℃时，合金中可溶的第二相基本溶入合金基体，可能导致其延伸率上升.本实验合金除Si的质量分数提高到3%外，其他成分与6009合金相差不大，但前者经540℃固溶处理自然时效后其抗拉强度可达313 MPa，而后者经565℃固溶处理自然时效后其抗拉强度仅为230 MPa［6］，表明在普通6xxx系基础上提高Si含量，可以提高合金的强度.

2.2实验合金薄板热处理后金相组织及扫描电镜能谱分析

图3为实验合金薄板分别经400，490，540℃保温30 min，水淬并在室温停放90 d后腐刻前后的金相组织照片.可见，未腐刻样品的金相组织中主要存在深灰色和浅灰色尺寸不一的两类结晶相.随着处理温度升高，深灰色结晶相中尺寸细小的数量明显减小，尺寸较大的数量和尺寸略有减小，表明提高处理温度有助于深灰色结晶相向基体的溶入，但浅灰色结晶相的数量和尺寸均无明显变化，如图3( a) ( b) ( c)所示.图3( d)为合金薄板经490℃保温30 min水淬并室温停放90 d腐刻后的金相组织，与其未腐刻的组织(图3 ( b) )相比，基体中还出现尺寸小密度较高的弥散相.这表明该合金经490℃固溶处理后其金相组织中除基体外还存在两种尺度的产物，即尺寸较大的结晶相和密度较高的弥散相，另外基体中还应该有自然时效析出的GP区等产物.

图2　合金薄板经不同温度保温30 min 水淬自然时效后力学性能和电导率随处理温度的变化Fig.2 Variations of mechanical properties and electrical conductivity of the alloy sheets after natural aging by water quenching following heat treatment for 30 min at different temperatures

图4为实验合金薄板分别经400，470，540℃保温30 min水淬并在室温停放90d后的扫描电镜组织照片.此时合金薄板的扫描电镜组织中除基体外均存在三种形状不规则的产物，即尺寸差异较大的亮白色相，及略有球化的块状灰色相和黑色产物.合金薄板经540℃×30 min固溶处理水淬后扫描电镜组织中的亮白色相即为金相组织中的浅灰色相，扫描电镜能谱分析证明它为含Fe 和Mn及少量Cu和Si的结晶相，见图4( c)探测点1的能谱分析结果;而灰色相和黑色产物即为金相组织中的深灰色产物，其中灰色相为Si相，见图4( c)探测点2的能谱分析结果，黑色产物多半是结晶相脱落留下的坑.合金薄板经400℃×30 min保温水淬后组织的黑色产物中还包括少量的Mg2Si相，经540℃×30 min固溶处理后它们溶入合金基体.扫描电镜中所观察到的这三种产物随固溶处理温度升高的变化规律与金相组织中其所表现出的规律是相互对应的.

图3　合金薄板经不同温度保温30 min水淬自然时效后的金相显微组织Fig.3 Metallographic microstructures of the alloy sheets after natural aging by water quenching following heat treatment for 30 min at different temperatures( a)—未腐刻－400℃; ( b)—未腐刻－490℃; ( c)—未腐刻－540℃; ( d)—腐刻后－490℃

图4　合金薄板经不同温度保温30 min水淬后自然时效90d的扫描照片及能谱分析结果Fig.4 SEM images and spectrum analysis of the alloy sheets after natural aging by water quenching following heat treatment for 30 min at different temperatures( a)—400℃; ( b)—470℃; ( c)—540℃; ( d)—图4　( c)探测点的能谱分析结果

图5　合金薄板经490℃保温30 min水淬后自然时效90 d的透射电镜组织及能谱分析结果Fig.5 TEM images and spectrum analysis of the alloy sheets after natural aging for 90 days following heat treatment for 30 min at 490℃( a)—TEM照片; ( b)—图5　( a)探测点的能谱分析结果

图6　合金薄板经不同温度保温30 min水淬后自然时效90d的高分辨照片Fig.6 HRTEM images of the alloy sheets after natural aging by water quenching following heat treatment for 30 min at different temperatures( a)—490℃; ( b)—540℃

2.3透射电镜能谱及高分辨组织形貌分析

合金薄板分别经490及540℃保温30 min固溶处理并在室温自然时效90d后，基体中存在大量的尺寸小于0.5 μm的弥散相，它们主要是铸锭均匀化过程中析出的产物，其数量尺寸和分布主要受均匀化的条件影响，随固溶处理温度变化不明显.这些弥散相有阻碍位错运动的作用，对合金强度和塑性均有一定的贡献［12，13］.图5为实验合金薄板经490℃×30 min固溶处理水淬室温停放90d后的透射电镜组织，可见合金中的弥散相尺寸差别较大.能谱分析表明它们是以含Mn为主并含少量Si和Fe的弥散相，见图5( b)能谱分析结果.

图6为实验合金薄板经490℃及540℃×30 min固溶处理水淬室温停放90 d后的( 110)晶面上的透射电镜高分辨组织照片，其中圈出的位置为溶质原子聚集区，即GP区.比较图6 ( a)和( b)可见，固溶处理温度由490℃提高到540℃，实验合金薄板中GP区的密度和长度均明显增加.证明固溶温度由490℃提高到540℃，合金基体中溶入了更多溶质原子，淬火后基体中具有更多过饱和溶质，因此自然时效析出了更多的GP区，也揭示了随着处理温度的升高合金的强度单调增加及电导率单调降低的原因.当固溶处理温度升高到540℃时，由于GP区的数量和尺寸增大，阻碍位错运动，使合金强度明显提高.另外由于部分结晶相逐渐溶入基体，使其数量减少，形状圆化，有利于合金塑性提高，因此当固溶处理温度升高到540℃时合金薄板的延伸率又有所提高.

3　结论

(1) Al－3.0Si－0.6Mg－0.4Cu－0.6Mn－0.18Fe合金经540℃×30 min固溶处理自然时效后的屈服强度为180 MPa、抗拉强度为313 MPa、延伸率接近23%，证明在6009合金基础上将Si的质量分数提高到3%，有提高其强度的作用.

(2) Al－3.0Si－0.6Mg－0.4Cu－0.6Mn－0.18Fe合金薄板经540℃×30 min固溶处理自然时效后组织存在Si结晶相及含Fe，Mn和少量Cu，Si的结晶相，而且基体上还分布着尺寸小于0.5 μm的以含Mn为主并含少量Si和Fe的弥散相.

( 3)固溶处理温度由490℃提高到540℃，实验合金的强度明显提高的原因是析出强化产物尺寸大，密度高了.

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Microstructure and properties of Al－3Si－0.6Mg－( Cu，Mn) alloy sheet

Tian Yue，Zhao Gang，Tian Ni，Liu Kun
( Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials ( Ministry of Education)，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:After storage at room temperature for 90 days by water quenching following heat treatment at a temperature range from 400℃to 540℃for 30 minutes，the microstructure and properties of A.l－3.0Si－0.6Mg－0.4Cu－0.6Mn－0.18Fe alloy sheet were investigated by tensile test，optical microscopy，scanning electron microscopy，transmission electron microscopy and high resolution transmission electron microscopy.The results showed when silicon content rises to 3% on the basis of 6009 alloy，the strength of the alloy will increase.After natural aging following solution treatment at 540℃for 30 minutes the yield strength，tensile strength and elongation of the alloy sheet reach 180 MPa，313 MPa and nearly 23% respectively.There are mainly three kinds of phases except for the alloy matrix in Al－0.6Mg－3.0Si－0.4Cu－0.6Mn－0.18Fe alloy sheet after a treatment，that is，Si crystalline phase，Fe，Mn crystalline phase with a small amount of Cu and Si，and a dispersal phase mainly consisted of Mn with a size less than 0.5 μm.Because when the solution treatment temperature is increased to 540℃，the size and density of the precipitation are increased，strength of the alloy sheet remarkably rises.

Key words:Al－3Si－0.6Mg aluminum sheet; constituent; dispersoid; GP zone; high resolution transmission electron microscopy

作者简介:田月( 1992—)，女，硕士研究生，E－mail: 562463553@ qq.com;赵刚( 1952—)，男，教授，博士生导师.

基金项目:国家自然科学基金项目( 51371045)，中央高校基本科研业务费资助( N130410003)，新世纪优秀人才支持计划项目( NCET－12－0110).

收稿日期:2015-05-27.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.012

中图分类号:TG 146.21

文献标识码:A

文章编号:1671-6620( 2015) 04-0061-06