Si含量对5056铝合金显微组织与性能的影响

马惠宁　李雅静

摘要：将不同含量的Si（从1%到9%）加入5056铝合金中，再将同等含量的分成两组，其中一组经过固溶加时效处理。分别对各组试样进行金相显微组织观察和布氏硬度测试，探究Al-Mg-Si合金中不同Si元素含量对组织和合金力学性能的影响，以及热处理对同含量试样组织和力学性能的影响。试验结果表明：随着Si元素含量的增加，合金力学性能呈单调上升趋势。

Abstract： Join the different content of Si （from 1% per cent to 9% per cent） in 5056 aluminum alloy， then the same content is divided into two groups， the aging is carried into one set of solid solution. Metallographic microstructure observation and Brinell hardness test are carried out for each group to explore the effect of the different Si content in Al-Mg-Si alloy on the microstructure and mechanical properties and the effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of the sample with the content. Test results indicate that with the increase of Si in elements， the mechanical properties of alloy are monotone on the rise.

关键词：5056铝合金；第三元素Si；显微组织；力学性能

Key words： 5056 aluminum alloy；the third element Si；microstructure；mechanical properties

中图分类号：TS912+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）05-0142-03

0 引言

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。稀土元素加入铝合金中，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次枝晶间距，减少合金中的气体和杂志，并使杂质相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇铸成锭，对工艺性能有着明显的改善[1]。

铝镁合金铝板主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。以Mg为主要添加元素的铝合金，由于它抗蚀性好，又称防锈铝合金。镁铝合金既有金属的强度，而且重量又轻于散热，抗压性较强，能满足3C产品高度集成化、轻薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽和散热的要求[2]。

Al-Mg合金是铸造铝合金中耐腐蚀性能最高的一类合金，尤其是抗电化学腐蚀的能力强，在固溶装填，Mg全部溶解，合金成为单一的α固溶体，整个铸件构成一个等位体，在腐蚀介质中不易发生电化学腐蚀[4]。即使组织中存在Mg2Al3时，其电极电位较基体Al更低，在腐蚀介质中，形成铝基体为阴极、Mg2Al3为阳极时的许多微电池，Mg2Al3被腐蚀，铸件表面形成单一的α固溶体，腐蚀过程中断。

从Al-Mg二元状态图可看到：镁在铝中有很大的固溶度，在共晶温度（723K）时其最大的固溶度达17.4%，而且镁原子半径比铝大13%，镁大量溶于固溶体后，就使得晶格产生较大的畸变，故Al-Mg合金有很高的固溶强化作用[5]。随着含镁量的增加，合金机械性能亦显著增加。

Al-Mg合金的机械性能壁厚效应是比较大的，因此合金缩松倾向较大，铸件厚大处由于冷却凝固较慢，易产生缩松和晶粒粗大。同时，由于厚大处在液态停留时间较长，易氧化和与水汽反应，而产生晶间氧化和气孔，缩松的存在促进了晶间氧化的发展，故Al-Mg合金在壁厚增加时，机械性能下降。Al-Mg合金自然时效严重，在长期使用中β相沿晶界不斷析出，使塑性大大降低，甚至开裂。在铸造Al-Mg系合金中，加入Zn，Cu，Ag等元素，将降低Mg原子的扩散速度，控制了析出相的形状和尺寸，从而改善了合金的自然时效稳定性。

而硅铝合金是用量最大的硅合金。硅铝合金是一种强复合脱氧剂，在炼钢过程中代替纯铝可提高脱氧剂利用率，并可净化钢液，提高钢材质量[7]。硅铝合金密度小，热膨胀系数低，铸造性能和抗磨性能好，用其铸造的合金铸件具有很高的抗击冲击能力和很好的高压致密性，可大大提高使用寿命，常用其生产航天飞行器和汽车零部件。Al-Si合金在共晶温度577°C时，硅在固溶体中的最大溶解度为1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。

所以若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为Mg2Si。镁和硅的质量比为1.73：1。设计Al-Mg-Si系合金成分时，基体上按此比例配置镁和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，为了提高强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低而减速小。变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。

本课题通过研究不同含量的Si元素对5056合金力学性能的影响规律，并考察5056合金的组织与性能之间关系。并研究热处理工艺对5056合金组织和性能的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

纯硅粉、5056Al-Mg合金。

根据Al-Mg 、Al-Si二元相图以及Mg、Si含量对合金的性能影响的图分析，经过计算设计方案如下。

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1.2 热处理

为测试Si的不同添加量以及热处理前后试样性能并观察热处理后内部结构的改变，我们将试样分成A、B两组，其中B组做热处理。

1.3 材料力学性能测试

本实验对试样进行布氏硬度测试。试样为有色金属，且硬度较小，在表面测试五次硬度值以减小试验误差，故选用直径为5mm的压头，试验力为2452N，试验力保持时间为30s。

注意：试验选用5mm的压头，在查表求硬度值时将所测得的压痕直径乘以2后再查表。

2 实验数据分析

2.1 金相组织分析

图1是试样打磨抛光后的金相照片，左边为热处理前试样，右边为热处理后的试样，从上至下按Si的含量依次增加排列，放大倍数均为100倍。（左边是A组，右边是B组）

由图1可明显看出：随着Si含量的增加，合金晶粒总体呈现逐渐减小的趋势，但在含量到2℅时，晶粒大小却异常增大，其可能是第2相Mg2Si的溶解度降低所导致。5%和9%样品组织很均匀，合金中由于组织均匀，因此具有良好的耐腐蚀性和硬度。

2.2 硬度分析

表2是熱处理前后不同Si含量试样硬度值的比较。

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Si含量为0-2%时，Si与Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量过剩，降低了Mg2Si相在基体中的溶解度，所以强化作用不大，而且降低了合金的塑性，此时Si为有害杂质。

综合合金相图可见，晶粒度与硬度之间的对应关系，即晶粒越小，硬度越大大。

3 结论

①Al-Mg-Si合金为不可热处理合金；

②添加5.00%Si和9.00%Si的铸态样品硬度比未添加的硬度分别提高了66.8%和77.5%，说明第三元素Si的添加能显著提高铸态Al-Mg合金的机械性能；

③晶粒度及硬度之间呈现对应关系，晶粒越小，硬度越大，热处理后的晶粒比热处理之前的晶粒要大，机械性能也低；

④Si含量为0-2%时，Si与Mg形成Mg2Si相，由于Mg含量过剩，降低了Mg2Si相在基体中的溶解度，所以强化作用不大，而且降低了合金的塑性。

参考文献：

[1]有色金属及其热处理编写组著，有色金属及其热处理[M].北京：国防工业出版社，1981：29-142.

[2]周晓霞，张仁元，刘银峁.稀土元素在铝合金中的作用和应用[J].应用天地，2003（6）：18.

[3]翟春泉，曾小勤，丁文江，等.铝合金的开发与利用[J].机械工程材料，2001，25（1）：6.

[4]彭斌辉.镁铝合金性质研究及测定原理[J].实用技术，2004（1）.

[5]张小明，柴惠芬，王笑天.燃烧合成TiAl合金结构转变动力学的端部淬火熄灭法分析[J].稀有金属材料工程，1999，28（03）.

[6]陈瑞润，丁宏升，郭景杰，等.冷坩埚连续熔凝法制备Ti47Al53合金扁锭[J].特种铸造及有色合金，2008，28（02）.

[7]闫蕴琪.超高纯Al-Mg-Cu合金的力学性能[J].稀有金属快报，2002（9）.

[8]王家炽，黄积荣，林建生.金属的凝固度其控制[M].北京：机械工业出版社，1983.