合金元素含量對(duì)A7N01-T4鋁合金微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響

何亞玲，張志斌，李明星，廖瀟壵，胡潔，王曉敏

（1.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031）

合金元素含量對(duì)A7N01-T4鋁合金微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響

何亞玲1，張志斌1，李明星1，廖瀟壵1，胡潔2，王曉敏1

（1.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031）

對(duì)A7N01鋁合金的Zn、Mg、Zr、Ti、Cu元素含量進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到四種軋制板材，并進(jìn)行自然時(shí)效。采用力學(xué)性能測(cè)試、金相組織觀察以及腐蝕試驗(yàn)，研究了合金元素含量對(duì)A7N01-T4鋁合金板材性能的影響。結(jié)果表明：Zr、Ti元素對(duì)合金顯微組織中晶粒大小有較大的影響；Zn、Mg含量的提高可明顯提高合金的強(qiáng)度，但高水平的Zn、Mg會(huì)降低合金的耐蝕性；微量Cu元素的添加有補(bǔ)充強(qiáng)化的作用，同時(shí)也能提高合金的耐蝕性。

合金元素；A7N01鋁合金；力學(xué)性能；晶間腐蝕；電化學(xué)

A7N01鋁合金具有較高的比強(qiáng)度，且成型性能和可焊性能好，廣泛用于航空領(lǐng)域以及高速列車車體、底架等設(shè)計(jì)中［1］。A7N01鋁合金的主要合金元素為Al、Zn、Mg，微量元素為Mn、Cr、Zr、Ti、Cu等，它們作為輔助元素被加入，可提高合金的綜合性能。雜質(zhì)元素一般為Fe、Si等，是不可避免的有害元素［2］。王國軍等人對(duì)7055鋁合金性能特點(diǎn)的分析表明，Zn、Mg是合金的主要強(qiáng)化元素，但含量過高會(huì)降低其韌性和耐應(yīng)力腐蝕性能；向7055合金中加入2％～3％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Cu元素能同時(shí)提高合金的強(qiáng)度、耐蝕性以及塑性［3］。本實(shí)驗(yàn)室在對(duì)三種Cu含量的A7N01鋁合金進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，含0.102％Cu的合金材料的耐蝕性最好，含0.062％Cu的合金材料次之，幾乎不含Cu的合金材料的耐蝕性最差，這表明微量元素Cu對(duì)Al-Zn-Mg合金的耐蝕性會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。文獻(xiàn)表明，Cr和Mn的加入可以減少液態(tài)金屬與固相的表面張力，從而增加異質(zhì)形核點(diǎn)的數(shù)量，改善其異質(zhì)形核效果，細(xì)化合金晶粒，同時(shí)也能改善合金的耐蝕性［4-6］。文獻(xiàn)表明，Zr可提高合金的再結(jié)晶終了溫度從而細(xì)化晶粒［7］。馮靜等在對(duì)釬焊態(tài)7072鋁合金顯微組織研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，Ti元素的添加對(duì)合金的晶粒尺寸影響微弱，但能有效阻礙再結(jié)晶［8］。

隨著我國高速列車的快速發(fā)展，鋁合金材料的國產(chǎn)化研究也倍受矚目。而A7N01鋁合金是源于日本的鋁合金，目前尚未完全明確其性能，為促進(jìn)國產(chǎn)化進(jìn)程，需從合金元素、熱處理制度等方面進(jìn)行研究。雖然合金元素有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，但范圍較為寬泛，為保障合金性能的穩(wěn)定性，本工作在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)選擇合金的主要強(qiáng)化元素和微量元素進(jìn)行含量設(shè)計(jì)，考察合金元素含量對(duì)合金力學(xué)性能、微觀組織及耐蝕性的影響，旨在為后續(xù)的研究工作提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

依據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISH4000－1999《鋁及鋁合金板和帶》［9］的相關(guān)規(guī)定，通過正交法對(duì)A7N01中的Zn、Mg、Zr、Ti、Cu五種元素含量進(jìn)行設(shè)計(jì)，列出每種元素的含量范圍及元素含量的目標(biāo)值（在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，每一個(gè)元素均設(shè)低水平和高水平兩個(gè)水平值），代入各元素含量的具體目標(biāo)值，設(shè)計(jì)出每組試驗(yàn)的參數(shù)，以進(jìn)行多種成分原材料的生產(chǎn)。由于影響鋁合金性能的元素較多，考慮到試驗(yàn)實(shí)際操作時(shí)的可行性，將兩種元素合設(shè)為一因素，故本次正交表采用四因素，其中Zn、Mg作為因素①，Mn、Cr作為因素②，Zr、Ti作為因素③，Cu單獨(dú)作為因素④，并對(duì)每組因素設(shè)計(jì)兩個(gè)水平值，即二水平，故有正交設(shè)計(jì)表L8（24）。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS H4000－1999中A7N01鋁合金板材的具體化學(xué)成分及合金元素含量設(shè)計(jì)表如表1和表2所示。

表1 A7N01的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Standard chemical composition of A7N01（mass）％

表2 合金元素含量設(shè)計(jì)表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Design table of alloying element content（mass）％

對(duì)自然時(shí)效后的四種不同成分的A7N01鋁合金板材進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)試儀器采用QSN750火花直讀光譜儀，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Chemical composition of alloys（mass）％

由表3可見，1～4號(hào)樣品中的Mn、Cr含量比較接近，3號(hào)、4號(hào)樣品中的Zn、Mg、Zr、Ti含量比1號(hào)、2號(hào)樣品中的高，1號(hào)、3號(hào)樣品中的Cu含量較低，2號(hào)、4號(hào)樣品中Cu含量較高。

1.2 試驗(yàn)方法

將四種鋁合金分別采用線切割法取樣、鑲樣、預(yù)磨、拋光后使用混合酸腐蝕，對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察，顯微鏡采用型號(hào)為ProgRes C5的蔡司顯微鏡。依據(jù)GB／T 228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在WDW-3100型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm／min，試驗(yàn)結(jié)果取4組測(cè)量值的平均值。硬度試驗(yàn)依據(jù)GB／T 4340.1－2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分》標(biāo)準(zhǔn)，采用HV-10B型維氏硬度計(jì)，分別對(duì)四種材料隨機(jī)打20個(gè)硬度點(diǎn)，取其平均值。試驗(yàn)載荷為3 kg，載荷時(shí)間為10 s。依據(jù)《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每組試驗(yàn)4個(gè)平行試樣。

電化學(xué)試驗(yàn)在CS310型電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用三電極測(cè)試體系，其中參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極，試樣工作面積為10 mm×10 mm，非工作面積用環(huán)氧樹脂封裝。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行測(cè)量，電解質(zhì)為3.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl溶液，采用磁力攪拌以盡量避免濃差極化，掃描速率為1 mV／s，電位掃描范圍為－0.6～0.3 V。文中電位若無特指，均相對(duì)于SCE。

晶間腐蝕試驗(yàn)依據(jù)GB／T 7998－2005《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸為40 mm× 25 mm×6 mm，先用乙醇去除試樣表面油污，然后將其浸入10％氫氧化鈉溶液中5～15 min，洗凈后再浸入30％硝酸溶液中，直至表面光潔。試驗(yàn)溶液為57 g／L NaCl+10 mL／L H2O2。試樣表面積與試驗(yàn)溶液體積間的比值小于20 mm2／mL。試驗(yàn)溫度為（35±2）℃，時(shí)間為6 h。經(jīng)腐蝕試驗(yàn)的試樣，在垂直主變形方向的一端切去5 mm，磨制和拋光后不經(jīng)浸蝕，通過JSM-6490LV型掃描電鏡以及ProgRes C5型蔡司顯微鏡觀察試樣深度方向的腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織觀察

由圖1可見，四種合金材料經(jīng)軋制后，其晶?？v向顯微形貌呈扁平的、長(zhǎng)條狀，晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)。四種材料在晶粒的基體上分布有較多的析出相，高Zn、Mg含量的3號(hào)、4號(hào)試料的析出相比1號(hào)、2號(hào)試樣的更細(xì)小彌散，且3號(hào)、4號(hào)試樣的晶粒尺寸也明顯小于1號(hào)、2號(hào)試樣的。由于3號(hào)和4號(hào)試樣的Zr、Ti元素均處于高水平，而Mn、Cr、Zr、Ti這些微量元素的加入可起到細(xì)化晶粒的作用，減小晶粒度，進(jìn)而提高合金的綜合力學(xué)性能。

由圖2可見，1號(hào)和2號(hào)試樣表面有明顯的粗晶層，1號(hào)試樣的粗晶層厚度約為60～70μm，2號(hào)試樣的粗晶層厚度約為100μm，與1號(hào)和2號(hào)試樣相比，3號(hào)試樣的粗晶層厚度明顯有所下降，約為20μm，4號(hào)試樣的粗晶層不明顯。結(jié)合合金成分來看，1號(hào)、2號(hào)試樣中Zr、Ti元素處于低水平，而Zr、Ti元素有細(xì)化晶粒的作用，也可提高合金的再結(jié)晶溫度，合金一般在經(jīng)熱處理后均可得到未再結(jié)晶組織［9-10］。故在A7N01鋁合金中，微量元素對(duì)合金顯微組織中晶粒大小及粗晶層都有很大的影響。因而在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)適當(dāng)提高Zr、Ti元素含量可促進(jìn)晶粒細(xì)化，減少粗晶的形成。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

由表4可見，四種合金的伸長(zhǎng)率比較接近，而拉伸強(qiáng)度和硬度有一定差別。3，4號(hào)試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都整體高于1號(hào)和2號(hào)試樣的。結(jié)合合金元素含量來看，1號(hào)、2號(hào)試樣中的Zn、Mg處于低水平，而3號(hào)、4號(hào)試樣中的Zn、Mg處于高水平。Zn、Mg元素是鋁合金中的主要強(qiáng)化相，一般可形成η（MgZn2）相和T（Al2Mg2Zn3）相，提高材料的強(qiáng)度［11-14］。其中，4號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高，其Zr、Ti元素和Cu元素均處于高水平，合金中加入微量的Ti（0.1％～0.35％）、Zr（0.1％～0.3％）元素，可在合金中形成細(xì)小的不溶TiAl3、Zr Al3等金屬間化合物，其質(zhì)點(diǎn)與Al有相同的點(diǎn)陣類型和相近的點(diǎn)陣常數(shù)，均可作為Al固溶體的結(jié)晶核心而起細(xì)化晶粒的作用，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度［7，11-12］。而Cu元素可與Mg、Zn元素形成強(qiáng)化相S（Cu Mg Al2）提高合金的強(qiáng)硬度，有一定的補(bǔ)充強(qiáng)化作用［7，15］。因此4號(hào)試樣的硬度達(dá)到最大值。

表4 4種合金的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of alloys

由表4還可見，3號(hào)和4號(hào)試樣的平均沖擊吸收功較大，即沖擊韌性較好，而1號(hào)和2號(hào)試樣的沖擊吸收功較低，尤其1號(hào)試樣的沖擊吸收功是四種試樣中最低的。3號(hào)和4號(hào)試樣中分布有較多細(xì)小的彌散強(qiáng)化相，它們可通過細(xì)化合金晶粒，提高合金的強(qiáng)度的同時(shí)，提高合金的韌性。

2.3 耐蝕性測(cè)試

2.3.1 晶間腐蝕

由圖3可見，2號(hào)試樣表面發(fā)生了輕微的腐蝕，1號(hào)表面線狀腐蝕條紋沿軋制方向發(fā)展，3號(hào)和4號(hào)試樣表面均沿軋制方向分布著較深的線狀條紋腐蝕槽，3號(hào)試樣表面還可見清晰的網(wǎng)狀晶粒邊界，表明3號(hào)試樣發(fā)生了明顯的晶間腐蝕。通過測(cè)量四種試樣的晶間腐蝕深度，并按GB／T 7998－2005對(duì)其進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，可得四種材料抗晶間腐蝕能力的順序?yàn)?號(hào)＞1號(hào)＞4號(hào)＞3號(hào)。A7N01鋁合金經(jīng)長(zhǎng)期自然時(shí)效后，晶粒內(nèi)會(huì)析出亞穩(wěn)相η′（MgZn2）及G.P區(qū)，晶界上則會(huì)出現(xiàn)平衡析出相η（MgZn2）及無沉淀析出相（PFZ），在腐蝕介質(zhì)中，電位較負(fù)的晶界析出相成為陽極發(fā)生溶解而導(dǎo)致晶間腐蝕［16］，故高Zn、Mg含量的3，4號(hào)試樣的晶間腐蝕最為嚴(yán)重。在四種合金中1號(hào)和3號(hào)試樣均為Cu含量低的合金，而1號(hào)試樣的腐蝕深度大于2號(hào)試樣的，3號(hào)試樣的腐蝕深度大于4號(hào)試樣的，表明適當(dāng)提高Cu元素的含量可改善晶間結(jié)構(gòu)，從而改善材料的沿晶腐蝕性能。

2.3.2 極化曲線

由表5可見，四種試樣的自腐蝕電位相近，從腐蝕熱力學(xué)角度分析，自腐蝕電位越低，越易發(fā)生腐蝕，即1號(hào)試樣最易發(fā)生腐蝕。而從腐蝕動(dòng)力學(xué)角度分析，3號(hào)試樣的自腐蝕電流密度最大，說明其腐蝕速率最快，耐蝕性最差，與晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)論相一致。試驗(yàn)表明，提高Zn、Mg含量可提高材料的強(qiáng)度，但會(huì)降低材料的耐蝕性。Cu元素含量較高的2，4號(hào)試樣的腐蝕電流密度分別比1號(hào)，3號(hào)試樣的小，表明Cu元素的添加能提高合金的耐蝕性，因?yàn)镃u原子可溶入η（MgZn2）及η′（MgZn2）相中，降低晶界和晶內(nèi)的電位差，從而提高了鋁合金的耐蝕性［3］，但高Zn、Mg含量的3號(hào)，4號(hào)試樣的腐蝕速率比較接近，這表明Cu元素的耐腐蝕效果不明顯。

表5 四種合金的極化曲線擬合結(jié)果Tab.5 Fitting results of polarization curves for 4 kinds of alloys

3 結(jié)論

（1）Zr、Ti含量處于高水平的3號(hào)、4號(hào)試樣的晶粒尺寸較小、邊緣層的粗晶少。故在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，適當(dāng)提高微量元素的含量，可細(xì)化晶粒、減少粗晶進(jìn)而提高合金的綜合力學(xué)性能。

（2）合金的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度受主要元素Zn、Mg及微量元素Cu的影響較大，Zn、Mg含量較高的3號(hào)、4號(hào)試樣在晶粒基體上分布有較多彌散的強(qiáng)化析出相，從而使合金的強(qiáng)硬度和韌性提高，Cu元素則可起到補(bǔ)充強(qiáng)化的作用。但3號(hào)、4號(hào)試樣的晶間腐蝕以及電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，隨著Cu元素含量的增加，合金的耐蝕性適當(dāng)增加。所以在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可適當(dāng)降低Zn、Mg元素含量，提高Cu元素的含量。

（3）A7N01鋁合金是一種耐蝕性較差的鋁合金，因而提高其耐蝕性是改善其綜合性能的重要途徑。

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Influences of Contents of Alloying Elements on Microstructure and Properties of A7N01 Aluminum Alloy

HE Ya-ling1，ZHANG Zhi-bin1，LI Ming-xing1，LIAO Xiao-yao1，HU Jie2，WANG Xiao-min1
（1.School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The element contents of Zn，Mg，Zr，Ti and Cu in A7N01 aluminum alloy were designed，and 4 kinds of rolled sheets after natural aging were gained.The influences of alloying element contents on properties of A7N01 aluminum alloy sheet were studied by basic mechanical property test，microstructure observation and corrosion test.The results showed that Zr and Ti elements had a great influence on the grain size in alloy microstructure；Zn and Mg were the main strengthening elements，but high levels of Zn and Mg made the anti-corrosion properties declined to a certain extent.The addition of a little amount of Cu had a reinforcement effect and improved the corrosion resistance of alloy.

alloying element；A7N01 aluminum alloy；mechanical property；intergranular corrosion；electrochemistry

TG172

：A

：1005-748X（2016）11-0908-05

10.11973／fsyfh-201611011

2015-07-08

張志斌（1958－），教授，博士，主要從事生物醫(yī)學(xué)材料、功能材料與復(fù)合材料性能研究，028-87603480，zzb183＠163.com