Si含量對(duì)5056鋁合金顯微組織與性能的影響

馬惠寧　李雅靜

摘要：將不同含量的Si（從1%到9%）加入5056鋁合金中，再將同等含量的分成兩組，其中一組經(jīng)過固溶加時(shí)效處理。分別對(duì)各組試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察和布氏硬度測(cè)試，探究Al-Mg-Si合金中不同Si元素含量對(duì)組織和合金力學(xué)性能的影響，以及熱處理對(duì)同含量試樣組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著Si元素含量的增加，合金力學(xué)性能呈單調(diào)上升趨勢(shì)。

Abstract： Join the different content of Si （from 1% per cent to 9% per cent） in 5056 aluminum alloy， then the same content is divided into two groups， the aging is carried into one set of solid solution. Metallographic microstructure observation and Brinell hardness test are carried out for each group to explore the effect of the different Si content in Al-Mg-Si alloy on the microstructure and mechanical properties and the effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of the sample with the content. Test results indicate that with the increase of Si in elements， the mechanical properties of alloy are monotone on the rise.

關(guān)鍵詞：5056鋁合金；第三元素Si；顯微組織；力學(xué)性能

Key words： 5056 aluminum alloy；the third element Si；microstructure；mechanical properties

中圖分類號(hào)：TS912+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）05-0142-03

0 引言

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。稀土元素加入鋁合金中，使鋁合金熔鑄時(shí)增加成分過冷，細(xì)化晶粒，減少二次枝晶間距，減少合金中的氣體和雜志，并使雜質(zhì)相趨于球化。還可降低熔體表面張力，增加流動(dòng)性，有利于澆鑄成錠，對(duì)工藝性能有著明顯的改善[1]。

鋁鎂合金鋁板主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強(qiáng)其硬度。以Mg為主要添加元素的鋁合金，由于它抗蝕性好，又稱防銹鋁合金。鎂鋁合金既有金屬的強(qiáng)度，而且重量又輕于散熱，抗壓性較強(qiáng)，能滿足3C產(chǎn)品高度集成化、輕薄化、微型化、抗摔撞及電磁屏蔽和散熱的要求[2]。

Al-Mg合金是鑄造鋁合金中耐腐蝕性能最高的一類合金，尤其是抗電化學(xué)腐蝕的能力強(qiáng)，在固溶裝填，Mg全部溶解，合金成為單一的α固溶體，整個(gè)鑄件構(gòu)成一個(gè)等位體，在腐蝕介質(zhì)中不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕[4]。即使組織中存在Mg2Al3時(shí)，其電極電位較基體Al更低，在腐蝕介質(zhì)中，形成鋁基體為陰極、Mg2Al3為陽極時(shí)的許多微電池，Mg2Al3被腐蝕，鑄件表面形成單一的α固溶體，腐蝕過程中斷。

從Al-Mg二元狀態(tài)圖可看到：鎂在鋁中有很大的固溶度，在共晶溫度（723K）時(shí)其最大的固溶度達(dá)17.4%，而且鎂原子半徑比鋁大13%，鎂大量溶于固溶體后，就使得晶格產(chǎn)生較大的畸變，故Al-Mg合金有很高的固溶強(qiáng)化作用[5]。隨著含鎂量的增加，合金機(jī)械性能亦顯著增加。

Al-Mg合金的機(jī)械性能壁厚效應(yīng)是比較大的，因此合金縮松傾向較大，鑄件厚大處由于冷卻凝固較慢，易產(chǎn)生縮松和晶粒粗大。同時(shí)，由于厚大處在液態(tài)停留時(shí)間較長，易氧化和與水汽反應(yīng)，而產(chǎn)生晶間氧化和氣孔，縮松的存在促進(jìn)了晶間氧化的發(fā)展，故Al-Mg合金在壁厚增加時(shí)，機(jī)械性能下降。Al-Mg合金自然時(shí)效嚴(yán)重，在長期使用中β相沿晶界不斷析出，使塑性大大降低，甚至開裂。在鑄造Al-Mg系合金中，加入Zn，Cu，Ag等元素，將降低Mg原子的擴(kuò)散速度，控制了析出相的形狀和尺寸，從而改善了合金的自然時(shí)效穩(wěn)定性。

而硅鋁合金是用量最大的硅合金。硅鋁合金是一種強(qiáng)復(fù)合脫氧劑，在煉鋼過程中代替純鋁可提高脫氧劑利用率，并可凈化鋼液，提高鋼材質(zhì)量[7]。硅鋁合金密度小，熱膨脹系數(shù)低，鑄造性能和抗磨性能好，用其鑄造的合金鑄件具有很高的抗擊沖擊能力和很好的高壓致密性，可大大提高使用壽命，常用其生產(chǎn)航天飛行器和汽車零部件。Al-Si合金在共晶溫度577°C時(shí)，硅在固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少，這類合金一般是不能熱處理強(qiáng)化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。

所以若鎂和硅同時(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強(qiáng)化相為Mg2Si。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73：1。設(shè)計(jì)Al-Mg-Si系合金成分時(shí)，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，為了提高強(qiáng)度，加入適量的銅，同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對(duì)抗蝕性的不利影響。Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨(dú)加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強(qiáng)化作用。

本課題通過研究不同含量的Si元素對(duì)5056合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，并考察5056合金的組織與性能之間關(guān)系。并研究熱處理工藝對(duì)5056合金組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

純硅粉、5056Al-Mg合金。

根據(jù)Al-Mg 、Al-Si二元相圖以及Mg、Si含量對(duì)合金的性能影響的圖分析，經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)方案如下。

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1.2 熱處理

為測(cè)試Si的不同添加量以及熱處理前后試樣性能并觀察熱處理后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，我們將試樣分成A、B兩組，其中B組做熱處理。

1.3 材料力學(xué)性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。試樣為有色金屬，且硬度較小，在表面測(cè)試五次硬度值以減小試驗(yàn)誤差，故選用直徑為5mm的壓頭，試驗(yàn)力為2452N，試驗(yàn)力保持時(shí)間為30s。

注意：試驗(yàn)選用5mm的壓頭，在查表求硬度值時(shí)將所測(cè)得的壓痕直徑乘以2后再查表。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 金相組織分析

圖1是試樣打磨拋光后的金相照片，左邊為熱處理前試樣，右邊為熱處理后的試樣，從上至下按Si的含量依次增加排列，放大倍數(shù)均為100倍。（左邊是A組，右邊是B組）

由圖1可明顯看出：隨著Si含量的增加，合金晶粒總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但在含量到2℅時(shí)，晶粒大小卻異常增大，其可能是第2相Mg2Si的溶解度降低所導(dǎo)致。5%和9%樣品組織很均勻，合金中由于組織均勻，因此具有良好的耐腐蝕性和硬度。

2.2 硬度分析

表2是熱處理前后不同Si含量試樣硬度值的比較。

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Si含量為0-2%時(shí)，Si與Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量過剩，降低了Mg2Si相在基體中的溶解度，所以強(qiáng)化作用不大，而且降低了合金的塑性，此時(shí)Si為有害雜質(zhì)。

綜合合金相圖可見，晶粒度與硬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即晶粒越小，硬度越大大。

3 結(jié)論

①Al-Mg-Si合金為不可熱處理合金；

②添加5.00%Si和9.00%Si的鑄態(tài)樣品硬度比未添加的硬度分別提高了66.8%和77.5%，說明第三元素Si的添加能顯著提高鑄態(tài)Al-Mg合金的機(jī)械性能；

③晶粒度及硬度之間呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，晶粒越小，硬度越大，熱處理后的晶粒比熱處理之前的晶粒要大，機(jī)械性能也低；

④Si含量為0-2%時(shí)，Si與Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量過剩，降低了Mg2Si相在基體中的溶解度，所以強(qiáng)化作用不大，而且降低了合金的塑性。

參考文獻(xiàn)：

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