D0L:10.13374h.issn1001-053x.2013.08.007 第35卷第8期 北京科技大学学报 Vol.35 No.8 2013年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2013 Zn含量对AlMgSiCu合金组织和力学性能的影响 曹零勇”，蔡元华四，崔华，张济山) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yhcaiustb@163.com 摘要使用常规铸锭冶金方法制备了不同Z如含量的AIMgSiCu合金.利用光学显微镜、扫描电镜、拉伸测试和纳米 压痕方法研究了Z如含量对铝合金微观组织和力学性能的影响.研究发现Zm元素能够轻微细化AlMgSiCu合金铸态组 织.随着合金中Z含量的增加，铸态铝合金的晶界变宽，晶界析出相增多.Z的添加未影响铸态合金的相组成和形貌. 随Zm含量的增加，铝合金的强度和延伸率呈现先增后降的变化趋势，添加质量分数0.5%Z可使合金具有最高的强 度，而0.75%Z使合金获得最高延伸率.对含Z如铝合金的纳米压痕测量表明：随着Z如含量的增加，铝合金的弹性模 量呈现逐步降低的趋势 关键词铝合金：锌：微观组织：力学性能 分类号TG146.2+1 Effect of Zn content on the microstructure and mechanical properties of AlMgSiCu alloys CAO Ling-yong1),CAI Yuan-hua),CUI Hua2),ZHANG Ji-shan1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yhcaiustb@163.com ABSTRACT AlMgSiCu alloys with different Zn contents were fabricated by conventional ingot metallurgy method. The effects of Zn content on the microstructures and mechanical properties of the alloys were investigated by optical microscopy,field emission scanning electron microscopy,tensile testing,and nanoindentation.It is found that Zn can slightly refine the as-cast grain structure of the alloys.The grain boundaries become broader and more precipitates can form along the grain boundaries with the increase of Zn content:but the addition of Zn does not affect the phase components and morphology of the alloys.When the Zn content increases,the strength and elongation of the alloys increase firstly and then decrease.The alloy with the Zn mass fraction of 0.5%has the highest tensile strength,but the elongation of the alloy with the Zn mass fraction of 0.75%is the largest.Nanoindentation measurement shows that the elastic modulus decreases gradually with the Zn content increasing. KEY WORDS aluminum alloys;zinc;microstructure;mechanical properties 随现代社会的高速发展，能源消耗、环境污染 泛地应用于航空航天和交通运输领域，成为理想的 以及随之而来的气候变化日益成为全球面临的重大 汽车轻量化材料四. 问题。为降低能源消耗，提高能源利用效率以及降 作为时效强化型合金，AlMgSiCu系铝合金的 低尾气排放，汽车工业正朝着轻量化和高效率的方 最佳强度性能是在峰时效状态下获得的2-.但是， 向发展.A1-Mg-Si系合金因其低密度、高比强度和 在汽车工业中，T4或T4P状态的AlMgSiCu合金 比刚度、较好的成形性能和抗腐蚀性能等优点，广 仅经历一个类似短暂人工时效处理的烤漆过程（烤 收稿日期：2012-06-16 基金项目：北京市自然科学基金资助项目(2112030)
35 8 Vol. 35 No. 8 2013 8 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug. 2013 Zn AlMgSiCu 1)1) 2)1) 1) 100083 2) 100083 E-mail: yhcaiustb@163.com Zn AlMgSiCu . Zn . Zn AlMgSiCu . Zn . Zn . Zn 0.5% Zn 0.75% Zn . Zn Zn . TG146.2+1 Effect of Zn content on the microstructure and mechanical properties of AlMgSiCu alloys CAO Ling-yong 1), CAI Yuan-hua 1) , CUI Hua 2), ZHANG Ji-shan 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: yhcaiustb@163.com ABSTRACT AlMgSiCu alloys with different Zn contents were fabricated by conventional ingot metallurgy method. The effects of Zn content on the microstructures and mechanical properties of the alloys were investigated by optical microscopy, field emission scanning electron microscopy, tensile testing, and nanoindentation. It is found that Zn can slightly refine the as-cast grain structure of the alloys. The grain boundaries become broader and more precipitates can form along the grain boundaries with the increase of Zn content; but the addition of Zn does not affect the phase components and morphology of the alloys. When the Zn content increases, the strength and elongation of the alloys increase firstly and then decrease. The alloy with the Zn mass fraction of 0.5% has the highest tensile strength, but the elongation of the alloy with the Zn mass fraction of 0.75% is the largest. Nanoindentation measurement shows that the elastic modulus decreases gradually with the Zn content increasing. KEY WORDS aluminum alloys; zinc; microstructure; mechanical properties . . Al-Mg-Si [1]. AlMgSiCu [2−4]. T4 T4P AlMgSiCu ( 2012–06–16 (2112030) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.08.007
第8期 曹零勇等：Zn含量对AIMgSiCu合金组织和力学性能的影响 ·1041· 漆制度通常为180℃保温30min),合金板材不可能 别采用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM),金相 达到峰时效，而是处于一个严重的欠时效状态，难 和扫描电镜的试样制备采用标准的金相试样制备方 以充分发挥合金的强度潜力.因此，提高烤漆过程 法，侵蚀剂为Keller试剂. 中AlMgSiCu合金板材的沉淀强化效果，将有利于 力学性能测试在MTS810和Nano Indenter II 提高合金服役性能 纳米显微力学探针上进行 为了提高AlMgSiCu合金在烤漆过程中沉淀强 2 实验结果及讨论 化效应，进而提高该类合金的服役性能，研究人员 进行了大量的研究工作，其中涉及铝合金成分优 2.1Zn含量对合金微观组织的影响 化调整5-12、介于固溶处理和时效处理间的预处 在控制温度扫描条件下，差示扫描热分析能够 理3-17)以及固溶处理制度18) 精确地测量样品中的热量交换，从而能够精确地检 涉及成分优化调整的研究工作主要集中在 测出能引起吸热或放热反应的相变过程.因此，差 Cn5-6l、Mg1、Si7,1川、Mn2等对铝合金性能及 示扫描热分析技术广泛地用来表征时效强化型铝合 析出行为的影响，而铝合金中常用的合金化元素Z如 金中的强化相的析出或溶解行为. 对AlMgSiCu合金组织和性能的影响研究较少 Zm含量对铸态AlMgSiCu合金热物性的影响 本文通过制备不同Zm含量的AlMgSiCu系合 如图1所示.可以明显看出图中有两个强度相差悬 金，研究Zn含量对AlMgSiCu合金微观组织和性能 殊的吸热峰1和2，吸热峰2对应于铝合金熔化， 的影响，以期在不降低铝合金成形性能的前提下， 而吸热峰1则对应于铸态合金中共晶相的溶解或 通过添加适量廉价的Zm元素提高车用AlMgSiCu 熔化.吸热峰1对应区域的放大如图1中插图所 合金板材的力学性能. 示，而其对应温度参数见表2.由此可见，随合金 中Z含量的增加，吸热峰1的起始反应温度和峰 1实验材料及方法 值温度均向低温方向漂移，当Z如的质量分数超过 研究用A1 MgSiCu合金的成分如表1所示.研 0.75%后，吸热峰1的起始温度和峰值温度趋于恒 究合金采用感应炉在高纯石墨坩埚中熔炼，所用原 定，变化不大， 材料分别为电解纯铝、99.99%Mg、99.9%Zm以及 不同Z含量的铝合金铸态组织如图2所示. A1Si20、A1Cu50中间合金.熔炼合金熔体在钢模中 可以看出：Zm的添加能起到轻微细化AlMgSiCu合 浇铸成尺寸为150mm×120mm×30mm的铸锭.合 金铸态组织的作用：随Z如含量的增加，晶粒尺寸 金铸锭经过均匀化、热轧至3.5mm,随后将热轧 轻微降低，但当合金中Z质量分数超过0.75%时 板进行中间退火处理，然后将经过中间退火处理的 铸态铝合金的晶粒尺寸变化不明显.同时，随着合 3.5mm铝合金板冷轧至0.9mm. 金中Z如含量的增加，铸态铝合金的晶界变宽，晶 3.5mm热轧板的峰时效处理制度为：550℃固 界析出相增多. 溶保温2h,随后水冷至室温，然后180℃时效12 对0.5Zn和1.0Zm铝合金晶界处的能谱分析表 h:冷轧板的T4处理制度为盐浴炉中550℃固溶2 明，Zm元素偏聚于晶界处，Zm含量越高，富Z如区 mim后水冷，然后室温放置14d:铝合金板材的模 域越宽，Zm在晶界的这种富集见图3.Zm元素在 拟烤漆处理制度为180℃保温30min. 晶界的偏聚行为可由A-Z如二元合金相图解释，在 A-Zn相图的富铝端，溶质原子Zn的平衡分配系 表1 AlMgSiCu合金化学成分（质量分数） C<1(Cs为凝固相中溶质的浓度，CL Table 1 Chemical composition of the studied AlMgSiCu al- 数k知= 为剩余液相中溶质的浓度)，先凝固部分Z加含量较 loys % 低，后凝固的晶界部分Z如含量较高：合金中Zn含 合金Ig Si Cu Zn Fe Mn A00.80.80.5 ≤0.2≤0.2余量 量越高，后凝固的熔体中Z加含量也就越高，剩余 Al 0.80.80.5 0.50 ≤0.2 ≤0.2 余量 熔体的熔点也就越低，导致晶界的宽度增加 A2 0.80.80.50.75 ≤0.2 ≤0.2 余量 研究还表明，铸态铝合金中含有多种金属间化 A30.80.80.51.00≤0.2≤0.2 余量 合物相，包括Mg2Si、Al2Cu、AIMgSiC四元相（可 差示扫描热分析(DSC)在NETZSCH STA 能是Q相)和富铁相，但未检测到富Z的析出相， 449C型示差扫描热分析仪上进行，试样升温速度 这可能与Z如在铝基体中固溶量有关（在654K温 为10℃mim-1,试样质量约30mg.组织分析分 度下，铝可以固溶83.1%的Zm,室温下铝亦可以固
1042 北京科技大学学报 第35卷 溶约2%的Zm),铝合金中不超过1%的Z加添加，尚 。-0Z1 不足以形成富Z如金属间化合物相，而以固溶方式 。-0.5Zm 4-0.75Zm 存在于铝合金基体中 -1.0Z1 对铝合金中富铁相的金相观察（图4）和成分分 析（表3）表明，添加Z如元素不影响AIMgSic1合 20830840850860870- 金中富铁相组成和形貌，铸态合金中针状富铁相为 温度/K Als FeSi型阝相和Al4FeSi2型δ相，骨骼状的富铁 相为Al15Fe3Si2型的a相 表2吸热峰1的温度参数 300 400 500 600700 800 9001000 温度/K Table 2 Temperature parameters of the endothermic peak IK 图1Zn含量对铸态AlMgSiCu合金热物性的影响 合金 A0 Al A2 A3 Fig.1 Effect of Zn content on thermal properties of as-cast 起始温度 839.6 838.5 837.9 838.0 AlMgSiCu alloys 峰值温度 852.8 851.1 849.4 849.4 b) 200m 200um d 200中m 2004m 图2不同Zn含量铝合金的铸态组织.(a)A0:(b)A1:(c)A2:(d)A3 Fig.2 Microstructures of as-cast AlMgSiCu alloys with different Zn additions:(a)A0:(b)Al:(c)A2:(d)A3 Zm521 BZ10S-11 Z-4正 Zn-38 40 um 0 图3晶界处Zn元素的分布图.(a)A1:(b)A3 Fig.3 Distribution of Zn along grain boundaries:(a)Al:(b)A3
第8期 曹零勇等：Zn含量对AlMgSiCu合金组织和力学性能的影响 ·1043· 之处于T4状态，然后测试其力学性能.另外，将T4 态的铝合金薄板进行2%的预拉伸变形，然后进行 180℃下30min人工时效处理，模拟汽车生产线上 的烘烤处理，模拟烘烤后的铝合金板材同样进行力 学性能测试.铝合金板材不同状态的力学性能测试 结果如图5所示. 从图5(a)可以看出：无论是在T4态，还是在 模拟烤漆处理态，含0.5%Z如的铝合金强度是最高 的，当合金中Z加质量分数大于0.5%后，随Z如含 0四 Mag =150X WD=21mm EHT =20.00kV Signal A =QBSD 量的增加，强度呈现降低的趋势：Z如含量对T4态 图4背散射模式下A1合金的扫描电镜微观组织 和烘烤态的铝合金延伸率的影响趋势是一致的，如 Fig.4 Back-scattered SEM micrograph of the Al alloy 图5(b)所示，随Z如含量的增加，延伸率有所升 高，Z如质量分数为0.75%时铝合金的延伸率达到最 2.2Zn含量对铝合金力学性能的影响 高值，Z如质量分数为1%时延伸率又略有降低；而 将不同含Z如量的铝合金冷轧板在盐浴炉中进 在T4态时，含0.75%Zm的铝合金延伸率显著高于 行固溶处理，随后立即水冷并室温放置14d后，使 其他铝合金，这种现象有待于深入研究和分析 表3铸态A1合金中富铁相的成分 Table 3 Compositions of Fe-rich intermetallic compounds in the as-cast Al alloy 原子数分数/% 位置 形状 Al Si Mn (Fe+Mn)/Si 相 Cu Fe 参考文献 A 骨骼状 72.69 9.97 1.06 13.19 3.09 1.630 a-Al15(FeMn)3Si2 19 B 针状 73.51 13.85 11.61 1.03 0.910 B-Al(FeMn)Si 191 针状 79.77 12.91 5.72 1.07 0.526 δ-Al4(FeMn)Si2 [20 般来讲，应变强化指数是反映铝合金均匀 如图6和图7所示. 变形能力的重要指标，材料的合金化处理对n值影 从图6可以明显看出，随合金中Z如含量的增 响不大.铝合金中Zm含量对n值的影响如图5(b) 加，铝合金的弹性模量是逐渐降低的，当铝合金中 所示.从图中可以看出含0.5%Z如的铝合金的n值 Zm质量分数高于0.5%时，铝合金的弹性模量随Z加 略高于其他三种铝合金. 含量的增加而明显降低，铝合金微区硬度的变化趋 在室温情况下，铝基体可固溶2%左右的Z. 势与合金的弹性模量变化趋势相类似，也是在Z如 若铝基体同时固溶其他合金化元素的条件下，因固 质量分数高于0.5%时，硬度降低较为明显 溶元素间的相互作用或影响，基体所能固溶的Zm 弹性模量作为金属材料的本征特性，微观上是 含量会有所降低.综合考虑这两方面的因素，铝合 原子、离子或分子之间键合强度的反映，凡能影响 金A1 MgSiCu合金中添加不超过1%的Zn,在T4或 金属原子间键合强度的因素均能影响材料的弹性模 烤漆条件下，即使能够形成含Z加的沉淀相或原子 量.针对本研究用A1 MgSiC1合金而言，如果添 团簇，但也因其较为细小的尺寸和较少的析出颗粒 加的Z知以第二相的形式析出，Zn原子对铝原子 数量，扫描电镜或透射电镜难以直接观察到含Z如 间相互作用力的影响很小或近乎无影响，也就几 沉淀相或原子团簇的存在， 乎不影响铝合金基体的弹性模量：而当Z如原子 纳米压痕测量技术作为一种测试材料力学性 以置换的方式固溶于铝基体时，较小原子半径的 能的新手段和新方法，越来越受到重视.纳米压痕 如原子会拉大基体铝原子间的距离，使周围铝原 测量技术不仅能连续记录载荷和位移数据，实施动 子产生松弛，减弱铝原子间的键合力，从而导致 态自动测量，得到较为准确的力学性能，还因其压 弹性模量降低.Z如添加对本研究用铝合金弹性模 头小，能够准确测量和反映材料的微区力学性能. 量的影响，从另一个侧面间接地说明Z固溶于铝 因此，本文利用纳米压痕的方法，研究了Z如含量 基体 对峰时效状态铝合金相关力学性能的影响，其结果 从不同Z如含量铝合金纳米压痕的位移载荷曲
·1044 北京科技大学学报 第35卷 线上（图7）可以看出，在0.75%Zm以下，随Zn的 当合金中Z如质量分数超过0.75%时，载荷又有所 增加，相同压入深度所需的载荷呈现降低的趋势， 增加，这与所测得的微区硬度变化是一致的 400 0.40 。-T4态延伸率 (a) 。T4态抗拉强度。T4态屈服强度 (b) ☆烘烤态抗拉强度。烘烤态屈服强度 烘烤态延仲率 350 0.35 T4态硬化指数 300 150 0.15 100 0.10 0.00 0.250.500.751.00 0.00 0.250.500.75 1.00 Zn的质量分数/% Z的质量分数/% 图5Z含量对铝合金板材力学性能的影响.(a)强度：(b)延伸率和应变强化指数 Fig.5 Effect of Zn content on the mechanical properties of the Al alloys:(a)strength:(b)elongation and hardening index 90 2.50 (a) (b) 89 2.25 2.00 87 1.75 85 84 1.25 83 1.00 0.00 0.250.500.75 1.00 0.00 0.250.500.751.00 Zm的质量分数/% Z知的质量分数/% 图6Zn含量对铝合金微区力学性能的影响.(a)弹性模量：(b)硬度 Fig.6 Effect of Zn content on the mechanical properties of the Al alloy in micro-scaled area:(a)elastic modulus;(b)hardness 3结论 键合强度有关：同时，铝合金弹性模量的变化也间 (1)Zm元素能够轻微细化A1 MgSiC1合金铸态 接地证明了所添加的Z以固溶态的方式存在于铝 组织，但其细化效果有限，当Z如的质量分数超过 合金中 0.75%时，铸态铝合金晶粒尺寸趋于不变.随着合金 50 。-A0 中Z如含量的增加，铸态铝合金的晶界变宽，晶界 。-A1 40 A2 析出相增多，但未发现富Zm相形成. -A3 (2)添加0.5%Z如可使T4态和烘烤态铝合金 30 获得较高的强度，超过此含量后，铝合金的强度随 20 Zm含量的增加而逐渐降低：铝合金的延伸率随Zm 含量的增加同样呈现先增后降的变化趋势，在添加 10 0.75%Z如时获得最高延伸率.Zm含量对铝合金的应 变强化指数影响不大 (3)对不同Z如含量铝合金的纳米压痕测量表 200 400600 800 1000 位移/nm 明：AlMgSiCu铝合金中添加不超过1%Zm的情况 下，随铝合金中Z如含量的增加，铝合金的弹性模 图7不同Z含量铝合金的位移载荷曲线 量呈现逐步降低趋势，微区硬度也具有相似的变化， 这可能与半径较小的Z如原子削弱了铝基体原子间 Fig.7 Displacement vs.load curves for AlMgSiCu alloys with different Zn contents
第8期 曹零勇等：Zn含量对AIMgSiCu合金组织和力学性能的影响 ·1045. 参考文献 The influence of alloy composition on precipitates of the Al-Mg-Si system.Metall Mater Trans A,2005,36(3):691 [1]Sarkar J,Kutty TR G,Wilkinson DS,et al.Tensile prop- [12]Han Y,Ma K,Li L,et al.Study on microstructure erties and bendability of T4 treated AA6111 aluminum and mechanical properties of Al-Mg-Si-Cu alloy with high alloys.Mater Sci Eng A,2004,369(1/2):258 manganese content.Mater Des,2012,39:418 [2]Wang X,Esmaeili S,Lloyd D J.The sequence of precip- [13 Shen C H.Pre-treatment to improve the bake-hardening itation in the Al-Mg-Si-Cu alloy AA6111.Metall Mater response in the naturally aged Al-Mg-Si alloy.J Mater Trans A,2006,37(9):2691 Sci Technol,2011,27(3):205 [3]Buha J,Lumley R N,Crosky A G,et al.Secondary precip- [14 Birol Y.Impact of pre-ageing on age hardening response itation in an Al-Mg-Si-Cu alloy.Acta Mater,2007,55(9): of twin-belt cast AlMgiSiCu sheet.J Mater Sci,2010, 3015 45(24):6727 [4]Esmaeili S,Wang X,Lloyd D,et al.On the precipitation- hardening behavior of the Al-Mg-Si-Cu alloy AA6111. [15]Abid T,Boubertakh A,Hamamda S.Effect of pre-aging and maturing on the precipitation hardening of an Al-Mg- Metall Mater Trans A,2003,34(3):751 Si alloy.J Alloys Compd,2010,490(1/2):166 (5]Jin M,Li J,Shao G J.The effects of Cu addition on the [16]Yassar R S,Field D P,Weiland H.The effect of cold de- microstructure and thermal stability of an Al-Mg-Si alloy. J Alloys Compd,2007,437(1/2):146 formation on the kinetics of the B"precipitates in an Al- [6]Marioara C D,Andersen S J,Stene T N,et al.The effect Mg-Si alloy.Metall Mater Trans A,2005,36(8):2059 of Cu on precipitation in Al-Mg-Si alloys.Philos Mag, [17]Yassar R S,Field D P,Weiland H.The effect of predefor- 2007,87(23):3385 mation on the B"and B'precipitates and the role of Q' [7]Gaber A,Afify N,Mostafa M S,et al.Effect of heat phase in an Al-Mg-Si alloy:AA6022.Scripta Mater,2005, treatment on the precipitation in Al-lat.%Mg-zat.%Si 53(3):299 (x=0:0.6,1.0 and 1.6)alloys.J Alloys Compd,2009, [18]Mori K,Maki S,Ishiguro M.Improvement of product 477(1/2):295 strength and formability in stamping of Al-Mg-Si alloy [8]Zhang H F,Zheng Z Q,Lin Y,et al.Effects of Ag addi- sheets having bake hardenability by resistance heat and tion on the microstructure and thermal stability of 6156 artificial aging treatments.Int J Mach Tools Manuf,2006, alloy.J Mater Sci,2012,47(9):4101 46(15):1966 [9]Wang S M,Matsuda K,Kawabata T,et al.Variation of [19]Hosseinifar M,Malakhov D V.The sequence of inter- age-hardening behavior of TM-addition Al-Mg-Si alloys. metallics formation during the solidification of an Al-Mg- J Alloys Compd,2011,509(41):9876 Si alloy containing La.Metall Mater Trans A,2011,42(3): [10]Wong K M C,Daud A R,Jalar A.Microhardness and ten- 825 sile properties of a 6XXX alloy through minor additions [20]Cai Y H,Liang R G,Hou L G,et al.Effect of Cr and Mn of Zr.J Mater Eng Perform,2009,18(1):62 on the microstructure of spray-formed Al-25Si-5Fe-3Cu al- [11]Marioara C D,Andersen S J,Zandbergen H W,et al. loy.Mater Sci Eng A,2011,528(12):4248