5XXX系鋁合金的研究現狀

史建超

摘 要：鋁合金具有密度低、強度高、塑性優良、加工性能優異、優良的導電性、導熱性以及耐腐蝕性，在工業上使用量僅次于鋼。鋁合金是廣泛應用的基礎材料，已經成為國民經濟的重要支柱。

關鍵詞：合金化;變形鋁合金;5XXX系鋁合金

大量研究表明，某些元素少量的添加就會顯著影響鋁合金的微觀組織和性能，所以合金化是提高鋁合金性能的重要途徑。

1、鋁合金研究的重點

一是合金的成份優化設計;二是采用新的冶煉鑄造方法[1]; 三是改進熱處理制度，提高合金的力學性能;四是改進擠壓軋制等成型工藝，獲得細小等軸晶或者超細晶材料。

2、5XXX系合金分析與討論

5XXX系合金以Mg為主要添加元素的不可熱處理強化的變形鋁合金[2]。在450℃時Mg的溶解度為17.4wt.%，隨著溫度的降低溶解度不斷降低。在室溫時溶解度降低至1.7wt.%。Mg元素小于3wt.%的合金穩定性能高，在加工硬化狀態和退火狀態下不會在晶界處析出連接狀態的β（Mg2Al3）相，且對應力腐蝕和剝落腐蝕不敏感。通過Al-Mg相圖分析可知，Al-Mg合金具有時效硬化效果，但是Al-Mg形成的β（Mg2Al3）相具有嚴重的沿晶界沉淀傾向形成連續的析出相。導致合金晶間腐蝕和應力腐蝕敏感性增大，影響延展性、耐腐蝕性。此外，沿著晶界析出粗大的β（Mg2Al3）相導致焊接性能惡化。

5XXX系鋁合金中Mg元素一般為0.5wt.%-6.0wt.%。例如：5083合金為4.0wt.%-4.9wt.%，5059合金為5.0wt.%-6.0wt.%。此外，冷加工后的合金在室溫長期放置也能緩慢析出β（Mg2Al3）相，使合金中Mg的固溶強化效果降低。因此，為了穩定合金的加工性能和耐腐蝕性能，冷加工后需要進行退火處理。

Zn元素：Zn元素在合金基體中與Mg元素形成η（MgZn2）和τ（Al2Mg3Zn3）相，η（MgZn2）在室溫時溶解度約為4wt.%-5wt.%，在共晶溫度時其溶解度約為28wt.%。η（MgZn2）和τ（Al2Mg3Zn3）相可以提高時效強化效果，降低塑性和抗應力腐蝕性能。

Mn元素：Mn與Al共晶溫度為658℃，此時溶解度為1.82wt.%。添加部分Mn形成穩定的MnAl6相。MnAl6質點能阻止在退火過程中再結晶過程，提高再結晶溫度，有效抑制再結晶形核和長大。MnAl6還能溶解合金中的雜質Fe元素，形成形成漢字狀（MnFe）Al6相，可以抑制針狀Fe相的生成，減小Fe元素對合金的有害影響。但是，Mn元素添加量應該嚴格控制，否則降低拉伸性能和機械加工性能。

Cu元素：Cu元素會降低鋁合金耐腐蝕性。但是Cu和Zn同時添加時，Cu原子可以溶解到η′（MgZn2）和η（MgZn2）相中，降低晶粒內部和晶界上的電位差，提高抗應力腐蝕性能。Cu元素還能提高合金強度、塑性以及疲勞強度等力學性能。但是Cu元素添加超過一定量時，鋁合金抗腐蝕性會降低。目前，Cu元素對合金的影響存在一定的分歧，有研究指出Cu元素，可以降低析出相的臨界形核半徑、提高合金的形核速率、促進GP區和η′（MgZn2）的形成，提高GP區和η′（MgZn2）的數量，提高合金的強度。也有學者認為，添加Cu元素不起增強度作用，鋁合金中GP區主要是Zn和Mg形成的析出相，才是合金強化作用主要機制。

Zr和Cr元素：Zr元素形成高溫難溶解的Al3Zr粒子，在凝固過程中作為形核質點，增加形核數量。并且Al3Zr粒子能提高合金的再結晶溫度。但是，當Zr的含量超過0.17wt.%時，鑄錠中形成的Al3Zr變得粗大，影響合金的塑性。所以，添加Zr的含量應低于0.15wt.%。Cr元素的作用與Mn元素的作用相似，同時添加Cr元素可提高鋁合金的焊接強度和抗應力腐蝕能力、降低焊接熱裂紋的傾向。但是Zr和Cr兩種元素總添加一般不超過0.35wt.%。超過0.35wt.%時，易形成粗大金屬間化合物降低材料的力學性能。

Fe元素：一般認為Fe元素是雜質元素盡量降低，Fe元素一般控制在0.4wt.%以下。。700℃時，Fe溶解度可以達到2wt.%，800℃時，鋁合金熔體中Fe的溶解度能夠達到5wt.%。當溫度降低到室溫時，Fe溶解度約為0.05wt.%。Fe元素與Al形成陰極，降低耐腐蝕性能。Fe元素容易形成難溶的粗大針狀脆性化合物，割裂基體連續性成為裂紋的形核位置，產生孔隙，成為裂紋源，降低力學性能。

Si元素：少量的Si元素可與Mg元素形成較粗大的骨骼狀Mg2Si相，降低一部分Mg元素的溶解。在高溫條件下，Mg2Si相溶解度很小，使得Mg2Si一直保留鑄造時的形態。部分Mg元素被Mg2Si束縛，消耗一定Mg元素，使這部分Mg元素不能起到固溶強化作用。而且粗大的Mg2Si具有脆性，易產生應力集中作用，降低合金的延伸率。

Ti元素：少量Ti可形成尺寸較小的TiAl3彌散質點。具有較高熔點且與Al是共格關系，可以在凝固過程中作為形核中心質點。析出TiAl3彌散質點很難繼續聚集和溶解，具有彌散強化效果。

稀土元素：稀土元素具有較高的化學活性，能與大部分元素相互作用。在鋁合金中，常用的稀土元素有Sc（鈧）、Ce（鈰）、La（鑭）等元素。（1）凈化熔體、提高熔體的流動性、減少雜質相和氣孔的產生。（2）形成的高溫質點，在凝固過程中作為形核中心，細化晶粒。（3）形成的第二相彌散質點，起到均勻化彌散強化的作用，（4）提高再結晶溫度。（5）使有害雜質分布均勻，提高材料的綜合力學性能。

Sc元素：添加的Sc元素可以細化晶粒、再結晶抑制作用和提高再結晶溫度。形成Al3Sc相，其晶格常數為a=0.410nm的面心立方結構，與鋁合金的晶格常數極其相似，是鋁合金在凝固過程中的理想形核劑。Sc元素添加能夠降低在變形過程中的熱裂紋敏感性。

Ce元素：Ce元素與Al元素可以形成共晶化合物，Al與CeAl4共晶溫度為673℃。Ce溶解度很小，不能起到固溶強化作用。Ce可以降低鋁合金的表面張力，提高鋁合金的鑄造性能。

La元素： La元素與Al元素形成的是共晶化合物，共晶溫度為642℃，共晶點溫度時的成份約為12wt.%。La固溶度為0.05wt.%，固溶度較小。形成的金屬間化合物LaAl4在較高溫度時屬于四方晶系，在溫度較低時屬于六方晶系。La對鋁合金的晶格常數和電導率無影響。

3、結論

鋁及其合金是強度不高而塑性良好的金屬材料。強度和硬度隨著鋁合金中添加的溶質元素的增加而增加，延伸率隨著合金元素的添加而降低。且合金的力學性能與添加的合金元素以及微觀組織結構有密切關系。

參考文獻：

[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.