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Al-Mg-Si系铝合金成分设计

摘 要：本文通过对Al-Mg-Si系铝合金成分设计相关文献的查阅，深入对铝合金中合金元素元素对微观组织性能影响、Al-Mg-Si系铝合金热处理及析出相研究现状，以及铝合金成分设计进行总结探讨。 关键字：Al-Mg-Si系铝合金，析出相，成分设计 引言

为避免合金设计过程中的盲目性和复杂性，以及对复杂工程结构材料的长期研究和反复使用验证过程中，研究者们开发了多种实用设计方法如元素当量法、与电子理论相关的方法以及使用Thermo-Calc软件计算相图对铝合金成分设计进行优化设计等方法[1-3],并用来进行合金的开发与制备。本文先对Al-Mg-Si系铝合金中合金元素在成分设计中的影响和作用做总结，继而通过元素在热处理过程中沉淀析出相的生成规律做简要概述，最后对合金元素进行调整来优化合金组织及性能。 合金元素影响

Mg元素。镁对铝的强化是明显的，每增加1％镁，抗拉强度大约升高34MPa[4]。M.S. Salleh[5]等研究者对Al-Si-Cu合金触变成形研究中，发现一定量（1.2wt%）Mg元素的加入可以细化α-Al及共晶硅组织，并在T6热处理下，触变合金力学性能显著改善。

Si元素。改善合金流动性的主要元素。从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。但析出Si易形成硬点，使切削性变差，一般将温度保持在共晶点以下。此外，Si可改善抗拉强度、硬度、切削性及高温强度。在Al-Mg-Si合金中，Si不是杂质而是作为主要合金元素加入，它与Mg形成主要强化相Mg2Si(β)相，其平衡重量比为Mg2Si=1.73, 当Mg含量过剩时，Mg2Si在固溶体中的溶解度会降低，影响其强化效果；而当Si含量过剩，合金虽稍有晶间腐蚀倾向，但合金的强度

较高[6]。何立子[7]通过实验研究得出，Si含量增加，合金时效硬化和强度提高，并认为是由于时效强化相β”的析出密度增加所致。

Cu元素。Cu在铝合金中具有明显的时效强化效果，铜含量在4％~6.8％时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这个范围。在Al-Mg-Si系铝合金中，Cu主要影响合金强度、耐蚀性以及焊接性。并对Cu合金化作用包括析出序列、析出相结构进行较深的研究。

Mn元素。Mn能阻止铝合金再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6，减小铁的有害影响。在研究Mn对Al-Mg-Si-Cu铝合金组织和性能影响中。何立子[7]等人发现Mn含量增加，合金的时效硬化性降低，当Mn质量分数超过0.35%时，继续添加Mn将同时增加合金中粗大夹杂相和细小弥散相的数量。不利于合金性能。

Fe元素。杂质元素Fe一般在合金中和Al3Si形成AlFeSi金属间化合物，如果处理不当，这些金属间化合物会对合金的挤压性能有害。 Al-Mg-Si系铝合金热处理研究

国内许多研究者对Al-Mg-Si系铝合金热处理制度进行了研究，中南大学马政等人[8]研究了一种新型Al-Mg-Si-Cu合金热处理工艺参数对其力学性能的影响。指出合金最佳热处理制度为520℃×（40~120）min固溶，160℃×10h时效，时效延迟时间应控制在3h之内。常州大学李海等人[9]采用DSC研究了Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu铝合金连续升温时效析出行为，结果表明Cu显著地提高了Al-Mg-Si合金的时效硬化效果和速率，这与Cu的添加降低了析出激活能密切相关。现在对Al-Mg-Si中沉淀强化相做简要概述。

Al-Mg-Si合金沉淀序列以及沉淀相。一般认为其主要析出序列为：过饱和固溶体(SSSS)团簇/GP区亚稳的β”相亚稳的β’相平衡β相

当少量的Cu元素或者过剩的Si元素被加入到Al-Mg-Si系合金中去以后，其时效析出序列又可被描述为:SSSS 团簇/GP区亚稳的β”相亚稳的β’+Ul+U2+B’/Q’相平衡的β+Q相。其中，团簇和GP区是球形，它们和Al基体完全共格，并在后续时效析过程中，可以作为β”的形核位置，β”通常被认为是这个系列合金的最主要强化相。β’、Ul、U2和B’/Q’相则出现在β”相之后，它们一般具有棒状或者板状形貌。这些相几乎和β’相同时从Al基体中析出。常州大学李海[6]等研究者对Al-Mg-Si铝合金和Al-Mg-Si-Cu铝合金原子团簇中各个相激活能进行计算，指出Cu的添加降低析出激活能，而致Al-Mg-Si-Cu合金的时效硬度明显高于Al-Mg-Si合金。湖南大学研究者[10]对Al-Mg-Si-Cu合金欠时效、峰值时效及过时效状态下原子团簇的观察并进行疲劳试验，发现峰值时效状态下存在β”相并认为β”相仍然可能是最主要的强化相。

铝合金强化机制[6]。共格应变场强化。一般认为，由于析出相的结构和点阵参数与基体不同，在其周围就会产生不均匀畸变区，从而形成共格应变场。根据析出相与基体之间的几何关系，可将它们的界面分为：完全共格界面，半共格界面，非共格界面以及具有较小错配的完全共格界面。在Al-Mg-Si-Cu合金中，团簇和GP基本上是和Al基体完全共格；β”相仅仅在沿其b轴方向和Al基体共格；β和Q相则与Al基体非共格；至于β’、U1、U2和Q’相，仍旧不清楚它们与Al基体之间的共格关系。位错切过析出相颗粒强化。若析出相颗粒位于位错的滑移面上，且析出相不太硬时，位错线可以切过析出相而强行通过，当位错切过析出相颗粒时，不仅需要克服析出相颗粒所造成的应力场，而且由于析出相颗粒被切成两部分，增加了表面能，并改变了析出相内部原子之间的关系，引起系统能量升高，产生合金强化。位错绕过析出相颗粒强化。随着析出相颗粒不断长大,在滑移面上运动着的位错若遇到坚硬不可变形的第二相粒子时，将受到粒子的阻挡而弯曲,随着外应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇时,正负号位错彼此抵消，形成了包围着粒子的位错环而被留下来，而位错线的其余部分则可继续向前移动。