ZL101A-T6合金力學(xué)性能分析及斷口

魏啟金 吳云波 盛曉菲

摘 ?要：文章通過力學(xué)性能檢測，斷口掃描電鏡分析等檢測手段，對ZL101A-T6合金進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：（1）ZL101A-T6合金平均抗拉強度295MPa，屈服強度246MPa，延伸率6.3%。（2）合金為韌性斷裂，斷口中存在大顆粒裂紋源。（3）合金的大韌窩內(nèi)的裂紋源為含F(xiàn)e相。（4）ZL101A-T6合金存在粗大枝晶，影響合金的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：ZL101A;T6;力學(xué)性能

中圖分類號：TG146.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2945（2020）01-0116-02

Abstract： In this paper， the ZL101A-T6 alloy was studied by means of mechanical property testing， fracture scanning electron microscopy analysis， etc. The following conclusions were obtained： （1）The average tensile strength of ZL101A-T6 alloy is 295 MPa， the yield strength is 246 MPa， and the elongation is 6.3%. （2）The alloy is ductile fracture， and there is a large particle crack source in the fracture. （3）The source of cracks in the large dimples of the alloy is the Fe-containing phase. （4）ZL101A-T6 alloy has coarse dendrites， which affects the mechanical properties of the alloy.

Keywords： ZL101A; T6; mechanical properties

ZL101A，通常稱為ZAlSi7MgA。該合金廣泛應(yīng)用于商用車，轎車，摩托車等車型[1]，具有流動性好，熱裂傾向低，線收縮小，氣密性佳等優(yōu)點。提高ZL101A-T6鋁合金的延伸率能夠擴寬合金的應(yīng)用范圍，取代部分變形鋁合金，降低制造成本，增加生產(chǎn)效率。當(dāng)前，針對ZL101A的研究熱點集中在稀土元素的添加[2-3]，復(fù)合材料[4]，熔鑄過程控制[5]，熱處理工藝[6-7]等。本文針對T6處理后的ZL101A進(jìn)行性能檢測和斷口分析，旨在給提升合金性能，擴寬合金應(yīng)用范圍提供參考。

1 ZL101A生產(chǎn)工藝及力學(xué)性能

ZL101A合金采用低壓鑄造工藝，生產(chǎn)工藝為：熔煉→加除渣劑、變質(zhì)劑、細(xì)化劑→人工攪拌→吹氬氣精煉→人工攪拌→靜置→密度/成分檢測→澆鑄。

ZL101A合金T6處理工藝為：固溶535℃（±5℃）×8h，時效工藝為：175℃（±5℃）×4h。

拉伸實驗在Instron 8032萬能材料力學(xué)拉伸機上進(jìn)行，拉伸速度為2mm/min。斷口觀察在FEI Sirion200場發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行，掃描電鏡工作電壓為20kV。

ZL101A主要成分為7.2%Si，0.43%Mg，0.12%Cu，0.2%Ti，0.45%Fe，0.05%Mn，0.05%Zn，Al余量。

表1為ZL101A-T6合金力學(xué)性能測試結(jié)果?？梢钥吹剑W(xué)性能均值為：抗拉強度295MPa，屈服強度246MPa，延伸率6.3%。

2 ZL101A-T6微觀組織觀察

圖1為斷口的掃描電鏡照片。照片顯示，合金斷口中主要以韌窩為主，韌窩尺寸約為8μm，尺寸較小，而且從掃描電鏡上觀察，韌窩較深。從斷口的形貌判斷，合金的延伸率應(yīng)該比較好，但實測均值只有6.3%。通過能譜分析（圖1b），發(fā)現(xiàn)這些韌窩內(nèi)存在Fe元素。

3 ZL101A-T6金相組織觀察

圖2為ZL101A-T6的金相組織。合金的一次枝晶的長度普遍超過200μm。說明合金的晶粒十分粗大，不利于合金綜合性能的提升。鑄錠中存在少量氣孔，尺寸較小。

4 分析討論

AlSi鑄造合金在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛[8]。其焊接性能優(yōu)異，化學(xué)成分簡單，生產(chǎn)過程相對容易控制。ZL101A為非常典型的AlSi合金，應(yīng)用范圍也很廣。ZL101A經(jīng)過T6熱處理后，其主要強化強為納米級的β"相，其主要化學(xué)成分為Mg2Si，與基體呈半共格，在位錯運動過程中起阻礙作用，因此能有效提升合金的強度。如果合金中只存在均勻分布的強化相，合金的力學(xué)性能會較為優(yōu)異。但是，通過斷口分析，發(fā)現(xiàn)合金的大韌窩處，存在含F(xiàn)e的物相。在鑄造鋁合金中，F(xiàn)e是雜質(zhì)，主要來源是原料、坩鍋及熔煉工具。含F(xiàn)e相相對于納米級的β"相，無強化作用，而且在變形過程中，因為硬度較高，且形狀不規(guī)則，容易成為裂紋源，導(dǎo)致合金開裂，性能下降。因此，F(xiàn)e含量必須加以控制。

從金相分析中可以看到，合金枝晶粗大，雖然經(jīng)過固溶時效處理，但是枝晶依舊大量存在。主要原因是凝固過程中，過量的Si因為熔點較高，提前凝固成初晶Si顆粒。這些Si顆粒隨著Al基體的凝固，被排擠到還未凝固區(qū)域，最后與周邊的Al液一起形成Al-Si共晶。所以Si顆粒一般都是分布在晶粒周邊。T6熱處理包含兩個部分：固溶+時效。固溶的作用是通過將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體。由于在共晶溫度（577℃）時硅在鋁中具有最大的溶解度1.65%，在室溫下的溶解度是0.05%。因此，在固溶處理過程中，溶解的Si元素數(shù)量很有限。大量的Si元素還是存在于Si顆粒中。這些Si顆粒嚴(yán)重阻礙了合金在固溶過程中晶粒的變化，比如無法消除枝晶。因此即使經(jīng)過固溶時效處理，合金內(nèi)依舊是大尺寸枝晶。合金中粗大的晶粒影響了合金的機械性能。晶粒細(xì)化和共晶體彌散分布都可以提高機械性能。因此，要想進(jìn)一步提升ZL101A的力學(xué)性能，就需要細(xì)化合金的晶粒。

5 結(jié)論

（1）ZL101A-T6合金平均抗拉強度295MPa，屈服強度246MPa，延伸率6.3%。

（2）合金為韌性斷裂，斷口中存在大顆粒裂紋源。

（3）合金的大韌窩內(nèi)的裂紋源為含F(xiàn)e相。

（4）ZL101A-T6合金存在粗大枝晶，影響合金的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

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