固溶溫度對Al-Mg-Si-Cu合金材料性能的影響

劉華東 邵百明 倪雷 李大維

摘要：為研究不同固溶溫度對Al-Mg-Si-Cu合金力學性能、斷口形貌、金相組織和耐晶間腐蝕性能的影響，對6056鋁合金熱軋盤條在470～600 °C范圍內進行固溶處理、室溫水淬及人工時效，進行室溫拉伸性能測試和耐晶間腐蝕試驗，并結合光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析。結果表明：隨著固溶溫度升高，6056鋁合金顯微組織中Mg2Si更充分地溶解到基體，而未溶的富Fe和富Cu相沒有明顯變化。拉伸強度隨著固溶溫度升高而提升，在540 ℃左右到達峰值，固溶溫度升高到570 ℃和600 ℃時，強度變化很小，但伸長率隨著固溶溫度升高先提高后降低，耐晶間腐蝕性能隨著固溶溫度升高而降低。

關鍵詞：鋁合金 固溶溫度 力學性能 晶間腐蝕

中圖分類號：TG157；U465.2?? 文獻標志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230249

Effects of Solid Solution Temperature on Material Properties

of Al-Mg-Si-Cu Aluminum Alloy

Liu Huadong， Shao Baiming， Ni Lei， Li Dawei

（SAIC Motor Corporation Limited Passenger Vehicle Co.， Shanghai 201805）

Abstract： The hot-rolled wire rods of 6056 aluminum alloy were solution treated at 470～600 ℃， water quenched and artificially aged. The effects of different solution temperatures on the mechanical properties， fracture morphology， metallographic and intergranular corrosion resistance of Al-Mg-Si-Cu aluminum alloy were investigated by tensile property test at ambient temperature， intergranular corrosion resistance test， combined with optical microscopy， scanning electron microscopy and energy spectrum analysis. The results show that Mg2Si in the microstructure of 6056 aluminum alloy dissolves more fully into the matrix as the solid solution temperature increases， while the undissolved iron-rich and copper-rich phases do not show significant changes. The tensile strength increases with the increase of solid solution temperature， reaching a peak around 540 ℃. When the solid solution temperature increases to 570 ℃ and 600 ℃， the strength changes slightly， but the elongation first increases and then decreases with the increase of solution temperature. The intergranular corrosion resistance decreases with the increase of solid solution temperature.

Key words： Aluminum alloy， Solid solution temperature， Mechanical property， Intergranular corrosion

作者簡介：劉華東（1990—），男，工程師，學士學位，研究方向為緊固件材料開發和失效分析。

參考文獻引用格式：

劉華東， 邵百明， 倪雷， 等. 固溶溫度對Al-Mg-Si-Cu合金材料性能的影響[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 45-49.

LIU H D， SHAO B M， NI L， et al. Effects of Solid Solution Temperature on Material Properties of Al-Mg-Si-Cu Aluminum Alloy[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 45-49.

1 前言

為提高汽車輕量化水平，輕金屬和復合材料應用越來越廣泛，鋁合金、鎂合金和工程塑料逐漸替換了碳鋼材料，鎂合金的大量應用對連接技術提出了新的要求。目前，大多數結構件采用鋼制螺栓連接，而傳統碳鋼材料的熱膨脹系數與鎂合金材料差異很大，與鎂合金材料還存在較大電位差，容易發生電偶腐蝕。而鋁合金材料的熱膨脹系數和電位差與鎂合金材料接近，因此，鋁合金螺栓得到廣泛應用。

6056鋁合金是在傳統Al-Mg-Si合金的基礎上添加Cu以及其他少量合金元素形成Al-Mg-Si-Cu合金，經過T6處理后的強度和塑性均優于Al-Mg-Si合金，但晶間腐蝕傾向會隨Cu元素的添加而增加[1-2]。目前對6056鋁合金熱處理后相關性能研究不多，本文主要研究不同固溶溫度對以6056鋁合金為代表的Al-Mg-Si-Cu合金的力學性能、顯微組織以及耐晶間腐蝕等性能的影響，并探討相關機制。

2 試驗方案

試驗材料為國內某廠生產的6056鋁合金熱軋盤條，化學成分如表1所示。試樣分別在490 ℃、510 ℃、540 ℃、570 ℃和600 ℃溫度下固溶，保溫1 h后進行室溫水淬，最后在180 ℃溫度下人工時效6 h。

采用Ziwick-50 kN型電子拉伸機進行拉伸試驗，測量6056鋁合金在不同固溶溫度下的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。在Zwick EVO MA25型掃描電子顯微鏡下觀察試樣拉伸斷口形貌并對顯微組織進行能譜分析。將在不同溫度下固溶處理后的合金放置在腐蝕液（H2O（1 000 mL）+NaCl（20 g）+濃度為25%的HCl溶液）中2 h，溶液溫度控制在25 ℃左右。利用Zwick AxioCam MRc5型光學顯微鏡觀察腐蝕后試樣的晶間腐蝕形貌、腐蝕深度和合金熱處理后的顯微組織。

3 試驗結果

3.1 力學性能

圖1為6056鋁合金經過不同溫度固溶處理并時效后的力學性能變化趨勢，當固溶溫度由470 ℃升高至540 ℃時，合金的拉伸強度和屈服強度分別由307 MPa和254 MPa升高至422 MPa和368 MPa，斷后延伸率由9%升高至15%。隨著固溶溫度進一步升高，強度存在輕微下降，而延伸率明顯下降。

圖2為拉伸斷口形貌：圖2a～圖2d為固溶溫度為470～540 ℃時合金拉伸試樣斷口形貌，斷口分布著大量橢圓形或圓形韌窩，且韌窩分布均勻；圖2e和圖2f分別為固溶溫度為570 ℃和600 ℃合金試樣拉伸斷口形貌，斷口韌窩數量明顯變少，同時還伴有較多的二次裂紋，局部呈現出類似冰糖狀的沿晶特征。

3.2 顯微組織

6056鋁合金經不同溫度固溶處理后的顯微組織如圖3所示，組織主要為α-Al基體和第二相，其中，第二相主要有塊狀黑色粒子A和尺寸稍小一點的褐色粒子B，如圖3a所示。隨著固溶溫度升高，塊狀黑色粒子A逐漸減少，當溫度升高至570 ℃和600 ℃時，合金顯微組織中已經沒有明顯的黑色粒子，而褐色粒子B的數量沒有隨溫度升高而發生明顯變化。

對顯微組織中A和B 2種第二相粒子進行能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）掃描，能譜掃描峰圖如圖4所示，黑色粒子A主要含有Al、Mg和Si，其各元素質量分數分別約為48.6%、28.5%和19.0%，可以判斷其主要為初生的Mg2Si相。而褐色粒子B主要含有Al、Si、Mn、Fe和Cu，其質量分數分別為72%、5%、10.5%、9.1%和1.2%，可以判斷這些殘留相主要為富Fe相和富Cu相。

因此，隨著固溶溫度的升高，初生的Mg2Si相逐漸溶解到基體中，數量減少，固溶溫度越高，Mg2Si相的溶解越充分。殘留的富Fe相和富Cu相相對穩定，數量沒有隨著溫度升高而發生明顯變化。

3.3 晶間腐蝕

圖5和圖6分別為固溶溫度為540 ℃時的合金晶間腐蝕后的表面形貌和腐蝕裂紋縱向形貌?？梢钥闯?，合金晶界發生了明顯腐蝕，腐蝕沿著晶界呈網狀分布，部分晶粒已相互脫離。同時，腐蝕在晶界附近向晶粒內部擴展，形成黑色的腐蝕坑洞[3-4]。

不同溫度固溶處理的合金腐蝕深度不同，圖7為在合金晶間腐蝕深度隨固溶溫度升高的變化趨勢。其中，在固溶溫度為470 ℃時合金晶間的腐蝕深度最淺，最大晶間腐蝕深度為210.0 μm。隨著固溶溫度的升高，在490～600 ℃時的合金晶間腐蝕最大深度分別為254.7 μm、302.6 μm、335.9 μm、341.8 μm和357.6 μm，逐漸加深。

4 分析討論

6056鋁合金屬于Al-Mg-Si-Cu時效強化合金，其脫溶分解是一個較為復雜的過程，大致可以簡化為：過飽和固溶體、Mg和Si的原子團簇、GP區、 β″相、β′相與Q′相、β相與Q相。其中β″相與基體保持共格關系，可以最大限度地阻礙位錯運動，提高合金強化效果[5-7]。因此，6056鋁合金強度高低主要取決于合金內β″相的析出數量。隨著固溶溫度的升高，合金中越來越多的Mg2Si相溶解到基體中，合金基體中溶質原子的濃度越高，在后續的淬火以及時效處理時得到的彌散析出強化相（β″相）也越多，析出強化效果越明顯，這也是在固溶溫度為470～540 ℃時，隨著固溶溫度的升高，合金拉伸強度得到顯著提高的重要原因。

圖8為固溶溫度為570 ℃時的合金晶界形貌，可以發現，固溶溫度為570 ℃時合金局部區域已經出現三角晶區，晶界變寬，此時合金已經出現過熱，抗拉強度下降到570 ℃時的412 MPa和600 ℃時的409 MPa。強度下降幅度較小的原因可能為Mg2Si相固溶更充分，使強度沒有出現急劇下降，但此時合金的延伸率明顯下降，同時拉伸斷口形貌韌窩變少，開始出現了二次裂紋和沿晶特征，說明晶界結合力已經出現弱化，這些均與固溶溫度過高有關。由于合金在固溶溫度為570 ℃時已發生過熱，在570～600 ℃溫度變化下其強度未發生明顯變化，但延伸率有所下降，耐晶間腐蝕能力也有所降低。

鋁合金材料晶間腐蝕的敏感性與晶界上的組織強度相關[8-10]。晶界具有較高的界面能，在時效過程中，晶界附近的溶質原子容易向晶界上偏聚形成連續析出相，從而使得晶界周圍形成了無沉淀析出帶（Precipitation Free Zone，PFZ）。由于PFZ區域溶質原子較少，其電位比晶內和晶界析出相低，成為陽極，在腐蝕介質作用下形成腐蝕原電池，從而發生晶間腐蝕。當固溶溫度不足時，合金內的初生Mg2Si沒有完全溶解到基體中，后續時效強化過程中析出的強化相也會隨之變少。而晶界上析出相會直接影響晶間腐蝕敏感性，導致完全固溶處理的合金比未完全固溶處理的合金更容易發生晶間腐蝕，因此，隨著固溶溫度的升高，晶間腐蝕深度也隨之增大。當固溶溫度過高時，合金過熱，晶界加寬，晶間結合力變弱，這會使得晶界上組織發生不均勻變化，增大與晶界周圍PFZ之間的電位差，提高晶間腐蝕敏感性，更容易發生晶間腐蝕。

5 結論

a.拉伸力學試驗結果表明：在固溶溫度為470～540 ℃時，隨著固溶溫度的升高，抗拉強度、屈服強度和延伸率均升高，在固溶溫度為540 ℃時到達峰值。在固溶溫度達到570 ℃后，提高固溶溫度會使抗拉強度和屈服強度輕微下降，而延伸率已出現明顯下降。觀察拉伸斷口形貌，固溶溫度為470～540 ℃時拉伸斷口微觀形貌均為韌窩狀，且韌窩深淺和數量隨著固溶溫度升高而出現變深、變少的趨勢。而固溶溫度為570～600 ℃時拉伸斷口形貌雖然也有韌窩，但有明顯的二次裂紋以及局部類似冰糖狀的沿晶特征，這表明該溫度下材料的晶界結合力已經弱化，強度和塑性出現下降。

b.金相顯微組織和EDS能譜掃描結果表明，在固溶溫度為470°C～540°C時，隨著固溶溫度升高，初生的Mg2Si溶解度逐漸增加，固溶強化效果也隨之增強。在固溶溫度為570～600 ℃時，顯微組織中已經沒有初生的Mg2Si。另一方面，殘留的富Fe相和富Cu相受固溶溫度變化影響較小，在金相顯微組織上沒有明顯變化。

c.耐晶間腐蝕試驗結果表明，晶間腐蝕深度隨固溶溫度升高而加深。在固溶溫度為470 ℃時，晶間腐蝕程度最小，隨著固溶溫度的升高，合金中越來越多的Mg2Si溶解到基體中，在后續時效強化中也會伴隨著更多的強化相在晶界處析出，提高了合金晶間腐蝕的敏感性，晶間腐蝕深度也隨之提高。當固溶溫度為570～600 ℃時，晶界加寬，晶間腐蝕傾向更明顯，腐蝕也更加嚴重。

參考文獻：

[1] 趙喆. 鋁合金螺栓的研制及其在發動機上的應用[J]. 機械研究與應用， 2018， 31（3）： 161-163+171.

[2] 李瑞雷， 袁峰， 曹培元， 等. 熱處理工藝對汽車螺栓用6056鋁合金線材組織和性能的影響[J]. 上海金屬， 2021， 43（5）： 50-55.

[3] 侯丹丹， 單際強， 曹國華， 等. T6態6082鋁合金的晶間腐蝕行為[J]. 金屬熱處理， 2017， 42（10）： 209-215.

[4] 侯丹丹. 6082鋁合金的微觀組織演變規律和晶間腐蝕行為研究[D]. 長春： 長春理工大學， 2017.

[5] 曹培元， 袁峰， 李瑞雷， 等. 雙級時效對Al-Mg-Si-Cu合金力學性能和耐晶間腐蝕性能的影響[J]. 上海金屬， 2022， 44（1）： 50-55.

[6] 劉勝膽， 陳小連， 張端正， 等. 固溶溫度對6082鋁合金顯微組織與性能的影響[J]. 中國有色金屬學報， 2015， 25（3）： 582-588.

[7] 楊文超. Al-Mg-Si-Cu系6005A合金的時效硬化行為及析出相的微觀結構表征[D]. 長沙： 中南大學， 2011.

[8] 鄧楨楨， 郭世杰， 紀艷麗， 等. 不同固溶制度對6082鋁合金力學性能和腐蝕性能的影響[J]. 材料熱處理學報， 2021， 42（3）： 64-72.

[9] 李慎蘭， 黃志其， 蔣福利， 等. 固溶溫度對6061鋁合金組織和性能的影響[J]. 材料熱處理學報， 2013， 34（5）： 131-136.

[10] 李有功， 李秋梅， 周龍， 等. 時效制度對7075鋁合金晶間腐蝕行為的影響[J]. 有色金屬加工， 2020， 49（2）： 45-47+37.