5XXX系铝合金的研究现状

史建超

摘 要：铝合金具有密度低、强度高、塑性优良、加工性能优异、优良的导电性、导热性以及耐腐蚀性，在工业上使用量仅次于钢。铝合金是广泛应用的基础材料，已经成为国民经济的重要支柱。

关键词：合金化;变形铝合金;5XXX系铝合金

大量研究表明，某些元素少量的添加就会显著影响铝合金的微观组织和性能，所以合金化是提高铝合金性能的重要途径。

1、铝合金研究的重点

一是合金的成份优化设计;二是采用新的冶炼铸造方法[1]; 三是改进热处理制度，提高合金的力学性能;四是改进挤压轧制等成型工艺，获得细小等轴晶或者超细晶材料。

2、5XXX系合金分析与讨论

5XXX系合金以Mg为主要添加元素的不可热处理强化的变形铝合金[2]。在450℃时Mg的溶解度为17.4wt.%，随着温度的降低溶解度不断降低。在室温时溶解度降低至1.7wt.%。Mg元素小于3wt.%的合金稳定性能高，在加工硬化状态和退火状态下不会在晶界处析出连接状态的β（Mg2Al3）相，且对应力腐蚀和剥落腐蚀不敏感。通过Al-Mg相图分析可知，Al-Mg合金具有时效硬化效果，但是Al-Mg形成的β（Mg2Al3）相具有严重的沿晶界沉淀倾向形成连续的析出相。导致合金晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性增大，影响延展性、耐腐蚀性。此外，沿着晶界析出粗大的β（Mg2Al3）相导致焊接性能恶化。

5XXX系铝合金中Mg元素一般为0.5wt.%-6.0wt.%。例如：5083合金为4.0wt.%-4.9wt.%，5059合金为5.0wt.%-6.0wt.%。此外，冷加工后的合金在室温长期放置也能缓慢析出β（Mg2Al3）相，使合金中Mg的固溶强化效果降低。因此，为了稳定合金的加工性能和耐腐蚀性能，冷加工后需要进行退火处理。

Zn元素：Zn元素在合金基体中与Mg元素形成η（MgZn2）和τ（Al2Mg3Zn3）相，η（MgZn2）在室温时溶解度约为4wt.%-5wt.%，在共晶温度时其溶解度约为28wt.%。η（MgZn2）和τ（Al2Mg3Zn3）相可以提高时效强化效果，降低塑性和抗应力腐蚀性能。

Mn元素：Mn与Al共晶温度为658℃，此时溶解度为1.82wt.%。添加部分Mn形成稳定的MnAl6相。MnAl6质点能阻止在退火过程中再结晶过程，提高再结晶温度，有效抑制再结晶形核和长大。MnAl6还能溶解合金中的杂质Fe元素，形成形成汉字状（MnFe）Al6相，可以抑制针状Fe相的生成，减小Fe元素对合金的有害影响。但是，Mn元素添加量应该严格控制，否则降低拉伸性能和机械加工性能。

Cu元素：Cu元素会降低铝合金耐腐蚀性。但是Cu和Zn同时添加时，Cu原子可以溶解到η′（MgZn2）和η（MgZn2）相中，降低晶粒内部和晶界上的电位差，提高抗应力腐蚀性能。Cu元素还能提高合金强度、塑性以及疲劳强度等力学性能。但是Cu元素添加超过一定量时，铝合金抗腐蚀性会降低。目前，Cu元素对合金的影响存在一定的分歧，有研究指出Cu元素，可以降低析出相的临界形核半径、提高合金的形核速率、促进GP区和η′（MgZn2）的形成，提高GP区和η′（MgZn2）的数量，提高合金的强度。也有学者认为，添加Cu元素不起增强度作用，铝合金中GP区主要是Zn和Mg形成的析出相，才是合金强化作用主要机制。

Zr和Cr元素：Zr元素形成高温难溶解的Al3Zr粒子，在凝固过程中作为形核质点，增加形核数量。并且Al3Zr粒子能提高合金的再结晶温度。但是，当Zr的含量超过0.17wt.%时，铸锭中形成的Al3Zr变得粗大，影响合金的塑性。所以，添加Zr的含量应低于0.15wt.%。Cr元素的作用与Mn元素的作用相似，同时添加Cr元素可提高铝合金的焊接强度和抗应力腐蚀能力、降低焊接热裂纹的倾向。但是Zr和Cr两种元素总添加一般不超过0.35wt.%。超过0.35wt.%时，易形成粗大金属间化合物降低材料的力学性能。

Fe元素：一般认为Fe元素是杂质元素尽量降低，Fe元素一般控制在0.4wt.%以下。。700℃时，Fe溶解度可以达到2wt.%，800℃时，铝合金熔体中Fe的溶解度能够达到5wt.%。当温度降低到室温时，Fe溶解度约为0.05wt.%。Fe元素与Al形成阴极，降低耐腐蚀性能。Fe元素容易形成难溶的粗大针状脆性化合物，割裂基体连续性成为裂纹的形核位置，产生孔隙，成为裂纹源，降低力学性能。

Si元素：少量的Si元素可与Mg元素形成较粗大的骨骼状Mg2Si相，降低一部分Mg元素的溶解。在高温条件下，Mg2Si相溶解度很小，使得Mg2Si一直保留铸造时的形态。部分Mg元素被Mg2Si束缚，消耗一定Mg元素，使这部分Mg元素不能起到固溶强化作用。而且粗大的Mg2Si具有脆性，易产生应力集中作用，降低合金的延伸率。

Ti元素：少量Ti可形成尺寸较小的TiAl3弥散质点。具有较高熔点且与Al是共格关系，可以在凝固过程中作为形核中心质点。析出TiAl3弥散质点很难继续聚集和溶解，具有弥散强化效果。

稀土元素：稀土元素具有较高的化学活性，能与大部分元素相互作用。在铝合金中，常用的稀土元素有Sc（钪）、Ce（铈）、La（镧）等元素。（1）净化熔体、提高熔体的流动性、减少杂质相和气孔的产生。（2）形成的高温质点，在凝固过程中作为形核中心，细化晶粒。（3）形成的第二相弥散质点，起到均勻化弥散强化的作用，（4）提高再结晶温度。（5）使有害杂质分布均匀，提高材料的综合力学性能。

Sc元素：添加的Sc元素可以细化晶粒、再结晶抑制作用和提高再结晶温度。形成Al3Sc相，其晶格常数为a=0.410nm的面心立方结构，与铝合金的晶格常数极其相似，是铝合金在凝固过程中的理想形核剂。Sc元素添加能够降低在变形过程中的热裂纹敏感性。

Ce元素：Ce元素与Al元素可以形成共晶化合物，Al与CeAl4共晶温度为673℃。Ce溶解度很小，不能起到固溶强化作用。Ce可以降低铝合金的表面张力，提高铝合金的铸造性能。

La元素： La元素与Al元素形成的是共晶化合物，共晶温度为642℃，共晶点温度时的成份约为12wt.%。La固溶度为0.05wt.%，固溶度较小。形成的金属间化合物LaAl4在较高温度时属于四方晶系，在温度较低时属于六方晶系。La对铝合金的晶格常数和电导率无影响。

3、结论

铝及其合金是强度不高而塑性良好的金属材料。强度和硬度随着铝合金中添加的溶质元素的增加而增加，延伸率随着合金元素的添加而降低。且合金的力学性能与添加的合金元素以及微观组织结构有密切关系。

参考文献：

[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.