Mn對(duì)Al-5Mg-0.6Ag-0.2Sc-0.1Zr合金組織性能的影響

陳日欣，朱 凱，張海濤，李寶綿，崔建忠

(1.東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110004；2.山東魏橋輕量化材料有限公司，山東 濱州 256215)

近些年，隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)Al-Mg系合金材料的變形性能和強(qiáng)度提出了更高的要求。5083鋁合金屬于典型的高鎂鋁合金，具有中等強(qiáng)度、高硬度、可焊接和耐腐蝕等特點(diǎn)[1]，適合機(jī)械加工。增加Mg含量可以增加固溶強(qiáng)化效果，然而，即使Mg含量增加到6.0%，其抗拉強(qiáng)度也僅為340 MPa，屈服強(qiáng)度為180 MPa[2]。鋁鎂合金中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常低于1%。 Mn有利于提高合金的抗蝕性和強(qiáng)度[3]，但是當(dāng)w(Mn)>1%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致合金晶粒粗化，影響合金性能。因此，為了滿足實(shí)際應(yīng)用中的高強(qiáng)度需求，需要在合金中加入一些其他元素。相關(guān)文獻(xiàn)[4-7]表明，在Al-Mg合金中加入Mn、Cr、Zr、Sc等合金元素，可以有效地釘扎位錯(cuò)，提高合金的再結(jié)晶溫度，抑制合金的再結(jié)晶，提高合金的強(qiáng)度。Sc和Zr的復(fù)合添加會(huì)形成Al3(Sc,Zr)強(qiáng)化相，這類強(qiáng)化相是均勻分布在基體中的納米級(jí)顆粒，其密度高且與基體保持共格的特點(diǎn)決定了該相可以阻礙位錯(cuò)遷移、穩(wěn)定晶界和亞晶界結(jié)構(gòu)[8-9]。Al3(Sc, Zr)相的粗化速率比Al3Sc相的更緩慢、熱穩(wěn)定性也更高[10]。一旦Al3(Sc,Zr) 粒子粗化，Sc、Zr產(chǎn)生的強(qiáng)度增加將不可逆轉(zhuǎn)地消失。Al3(Sc,Zr)相僅在高于合金熔化溫度溶解，所以粗化后的 Al3(Sc, Zr)粒子難以通過(guò)固溶時(shí)效處理的方法重新得到細(xì)小彌散分布的粒子。Ag的加入則可以彌補(bǔ)這一缺陷，李寶綿[11]等人發(fā)現(xiàn)含Ag的Al-4Mg合金能具有明顯的時(shí)效硬化。固溶時(shí)效處理得到的含 Ag 彌散強(qiáng)化相可彌補(bǔ)Al3(Sc, Zr)粒子粗化帶來(lái)的合金強(qiáng)度下降。

本試驗(yàn)研究了在Al-5Mg-0.6Ag-0.2Sc-0.1Zr合金中添加Mn元素對(duì)其組織性能的影響。通過(guò)陽(yáng)極覆膜試驗(yàn)、掃描電鏡觀察、室溫拉伸試驗(yàn)等分析了添加Mn元素后合金鑄態(tài)及均勻化后組織性能的變化，為開發(fā)新型高強(qiáng)5×××系鋁合金提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)合金制備

本試驗(yàn)中的Al、Mg、Ag以工業(yè)高純鋁、純鎂、純銀的形式加入，其余元素以Al-10Mn、Al-2Sc-1Zr中間合金的形式加入。在坩堝中通過(guò)鑄錠冶金法制備了3種不同成分的合金，銑面后鑄錠尺寸為150 mm×150 mm×25 mm，合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)合金的實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Measured chemical composition of test alloys(wt/%)

對(duì)鑄錠進(jìn)行320 ℃8 h+480 ℃16 h均勻化處理，然后將鑄錠加熱到460 ℃保溫1 h熱軋，熱軋開溫軋度控制在450 ℃～460 ℃，終軋溫度控制在350 ℃，從25 mm厚軋制成5.5 mm，熱變形量達(dá)78%。熱軋后的合金進(jìn)行400 ℃1 h退火后室溫冷軋至2 mm厚，冷軋變形量64%。合金的總變形量為92%。為后文表述方便，對(duì)熱軋后的合金進(jìn)行500 ℃1 h固溶處理稱為“熱軋+固溶”，對(duì)熱軋后的合金進(jìn)行500 ℃1 h+200 ℃10 h固溶時(shí)效處理稱為“熱軋+固溶時(shí)效”，對(duì)冷軋后的合金進(jìn)行500 ℃1 h固溶處理稱為“冷軋+固溶”，對(duì)冷軋后的合金進(jìn)行500 ℃1 h+200 ℃10 h固溶時(shí)效處理稱為“冷軋+固溶時(shí)效”。探討Mn元素對(duì)其鑄態(tài)、軋態(tài)以及熱處理態(tài)組織與性能的影響。

1.2 陽(yáng)極覆膜試驗(yàn)

陽(yáng)極覆膜試驗(yàn)表征合金晶粒大小。采用東北大學(xué)EPM實(shí)驗(yàn)室的陽(yáng)極覆膜穩(wěn)壓電源，電壓設(shè)為20 V。電源陰極連接鉛塊，電源陽(yáng)極連接試樣。覆膜液采用氟硼酸溶液，氟硼酸與水的體積比為1∶16。用鑷子將試樣部分浸入覆膜溶液，電流為0.2 A，保持一定時(shí)間。

1.3 硬度測(cè)試

采用452-SVD型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì)，對(duì)不同成分的合金進(jìn)行硬度測(cè)試。采用400#、600#、800#、1000#、2000#的砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，硬度測(cè)試的載荷為4.9 N，加載時(shí)間為15 s,對(duì)合金樣品的不同位置進(jìn)行10次測(cè)試，去掉最大和最小值后，取平均值作為該合金樣品的硬度值。

1.4 室溫拉伸試驗(yàn)

用東北大學(xué)ATM實(shí)驗(yàn)室CMT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能測(cè)量試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 16865-2013的尺寸制取拉伸試樣。根據(jù)GB228-87《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行拉伸，拉伸速度為 2 mm/min。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定合金材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，每種成分的合金測(cè) 3 個(gè)試樣，取其均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Mn元素對(duì)鑄態(tài)Al-5Mg-0.6Ag-0.2Sc-0.1Zr合金晶粒尺寸和性能的影響

圖1為試驗(yàn)合金的鑄態(tài)偏光顯微組織圖。圖2為試驗(yàn)合金的平均晶粒尺寸。從圖1和圖2中可以看出，隨著 Mn含量的增加，合金的晶粒尺寸不斷變大。 1#合金中無(wú)Mn元素，合金的晶粒尺寸最小，平均晶粒尺寸為31.1μm，晶粒為十分細(xì)小的等軸晶，在晶界處出現(xiàn)了大量的第二相，這表明Ag, Sc和Zr的聯(lián)合細(xì)化效果最好。

圖1 試驗(yàn)合金鑄態(tài)偏光顯微組織Fig.1 As-cast polarized microstructures of test alloys

圖2 試驗(yàn)合金鑄態(tài)的平均晶粒尺寸Fig.2 Average grain size in as-cast test alloys

表2為試驗(yàn)合金的維氏硬度。由表2可知，3#合金的硬度值最大，2#合金的次之，3#合金的硬度比1#合金的硬度高1.65 HV。其原因應(yīng)該與Mn在基體中的固溶強(qiáng)化有關(guān)，盡管1#合金的晶粒更為細(xì)小，但由Ag、Sc和Zr聯(lián)合細(xì)化產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化效果不如Mn產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化效果好。

表2 試驗(yàn)合金的鑄態(tài)維氏硬度(HV)Table 2 Vickers hardness of as-cast alloys(HV)

試驗(yàn)合金鑄態(tài)室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，三種合金的抗拉強(qiáng)度相差不多；合金的屈服強(qiáng)度隨著Mn含量的增加而增加，3#合金的屈服強(qiáng)度比1#合金的增加了16.2 MPa；合金的伸長(zhǎng)率隨著Mn含量的增加而明顯降低，3#合金的伸長(zhǎng)率比1#合金降低了7.1%。這主要是因?yàn)?#合金中w(Mn)=0.4169%，合金中形成大尺寸長(zhǎng)條塊狀的Al6(Mn, Fe)相沿晶界分布，使強(qiáng)度提高，塑性降低。

圖3 試驗(yàn)合金鑄態(tài)室溫力學(xué)性能Fig.3 Room temperature tensile properties of as-cast test alloys

2.2 Mn元素對(duì)軋制后不同熱處理態(tài)下Al-5Mg-0.6Ag-0.2Sc-0.1Zr合金組織和性能的影響

圖4為合金熱軋板在不同熱處理狀態(tài)下的室溫拉伸性能。由于2#合金鑄態(tài)強(qiáng)度較3#合金的低，因此，以下只針對(duì)1#和3#合金進(jìn)行對(duì)比。由圖4a和4b可知，與1#合金相比，3#合金熱軋板抗拉強(qiáng)度提升11.1 MPa，屈服強(qiáng)度提升19.8 MPa，伸長(zhǎng)率下降2.1%；合金經(jīng)固溶處理后，3#合金熱軋板抗拉強(qiáng)度提升12.1 MPa，屈服強(qiáng)度提升6.1 MPa，伸長(zhǎng)率下降5.8%；合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后，3#合金熱軋板抗拉強(qiáng)度提升16.8 MPa，屈服強(qiáng)度提升5.1 MPa，伸長(zhǎng)率下降5.4%。強(qiáng)度的提升與Al6(Mn, Fe)相有關(guān)，該相對(duì)位錯(cuò)和晶界有釘扎作用。3#合金經(jīng)熱軋+固溶時(shí)效后其綜合力學(xué)性能最佳，其熱軋板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到384.2 MPa、241.7 MPa和21.9%。

圖4 試驗(yàn)合金熱軋板在不同熱處理狀態(tài)下的室溫拉伸性能Fig.4 Tensile properties of test alloy hot-rolled plates at room temperature under different heat treatment conditions

圖5為合金冷軋板在不同熱處理狀態(tài)下的室溫拉伸性能。由圖5a和圖5b可知，與1#合金相比，3#合金冷軋板抗拉強(qiáng)度提升26.8 MPa，屈服強(qiáng)度提升28.3 MPa，伸長(zhǎng)率下降4.7%；合金經(jīng)固溶處理后，3#合金冷軋板抗拉強(qiáng)度提升8.5 MPa，屈服強(qiáng)度提升14.6 MPa，伸長(zhǎng)率下降4.7%；合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后，3#合金冷軋板抗拉強(qiáng)度提升26.8 MPa，屈服強(qiáng)度提升22.4 MPa，伸長(zhǎng)率僅下降0.3%。兩種合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后，在鋁基體中有大量時(shí)效析出的T相Mg32(Al,Ag)49[12]，該相的沉淀硬化作用使得合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相比于固溶態(tài)都有很大的提高，伸長(zhǎng)率有所降低。3#合金經(jīng)冷軋+固溶時(shí)效后綜合力學(xué)性能最佳,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了442.4 MPa、301.3 MPa和18.8%。

圖5 試驗(yàn)合金冷軋板在不同熱處理狀態(tài)下的室溫拉伸性能Fig.5 Tensile properties of test alloy cold-rolled sheets at room temperature under different heat treatment conditions

2.3 試驗(yàn)合金的拉伸斷口形貌

圖6為試驗(yàn)合金板材經(jīng)固溶時(shí)效后試樣的拉伸斷口形貌。從圖6可以看出，經(jīng)固溶處理后1#合金和3#合金斷口均存在韌窩，無(wú)明顯的脆斷現(xiàn)象，屬于典型的韌性斷裂，說(shuō)明塑性良好。合金經(jīng)熱軋+固溶時(shí)效后，3#合金的韌窩明顯變淺；合金經(jīng)冷軋+固溶時(shí)效后，3#合金的韌窩也明顯變淺，這主要是由于Mn的加入，使得合金的強(qiáng)度提高，塑性下降所致。尺寸較大的韌窩底部存在第二相粒子和開裂的晶粒，就相關(guān)文獻(xiàn)[13]推測(cè)為Sc、Zr富集的Al3(Sc, Zr)相粒子。

3 結(jié) 論

1)鑄態(tài)Al-5Mg-0.6Ag-0.2Sc-0.1Zr合金中Mn的加入會(huì)破壞Ag、Sc、Zr聯(lián)合細(xì)化效果，隨著Mn含量的增加，鑄態(tài)晶粒尺寸增大，添加w(Mn)=0.4%，鑄態(tài)合金的晶粒尺寸由31.1 μm增大到92.7 μm。

2)Mn的加入提高了合金的強(qiáng)度，但明顯降低了合金的伸長(zhǎng)率，主要是由于硬而脆的第二相Al6(Mn,Fe)的影響。

3)經(jīng)500 ℃1 h固溶+200 ℃10 h時(shí)效處理后，Al-5Mg-0.4Mn-0.6Ag-0.2Sc-0.1Zr合金的綜合力學(xué)性能最好，其熱軋板材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為 384.2 MPa、241.7 MPa和 21.9%；冷軋板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為 442.4 MPa、301.3 MPa和18.8%。與未添加Mn的合金相比，w(Mn)=0.4%的熱軋板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高16.8MPa和5.1MPa,伸長(zhǎng)率降低5.4%；冷軋板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高26.8 MPa和22.4 MPa，伸長(zhǎng)率僅降低0.3%。