主元素改变对Al-8Mg-xSi合金微观组织和力学性能的影响

图 4 铸态 Al-8Mg-xSi 合金的布氏硬度值
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图 5 铸态 Al-8Mg-xSi 合金的力学性能 图 4 为 Al-8Mg-xSi 合金的布氏硬度值，随着 Si 含量 的增加，合金的硬度也随之增加，其中添加 2.6 wt.%Si 的合 金 #5 布氏硬度最高 (85.7)，较添加 1wt.%Si 的合金 #1 布氏 硬度 (93.1) 提升了 9%。图 5 为五种合金的拉伸试验结果。随
Mn 元素，分析可能是生成了少量 Al6Mn 相。 表 2 图中各点原子百分比
点 \ 元素（at.%） Al
Mg
Si
Mn
Ti
点1
74.32 25.61
0.00
0.04
0.03
点2
75.08 16.35
8.32
0.25
0.00
点3
82.14
7.08
1.54
9.23
0.01
2.2 XRD 物相分析
图 1 铸态 Al-8Mg-xSi 合金的扫描电镜图像 （ａ） 合金 １ ；（ｂ） 合金 ２ ；（ｃ） 合金 ３ ；（ｄ） 合金 ４ ；（ｅ） 合金 ５
图 3 铸态 Al-8Mg-xSi 合金的 XRD 图谱 图 3 为铸态 Al-8Mg-xSi 合金的 XRD 图谱。图谱主要 包含 α-Al 基体和 Mg2Si 相的衍射峰。由图 3 框内放大的 区域可以看出，随着 Si 添加量的增加，α-Al 的衍射峰逐渐 向更高角度移动。这是因为 Si 的原子半径（约 1.46Å）比 Al 的原子半径（约 1.82Å）小，且当 Si 原子固溶于 α-Al 基体 中时，晶面间距减小，根据布拉格方程 (2dsinθ=nλ)，增 加了 (200) 晶面的反射角。尽管强度较低，但也可以识别出 Mg2Si 的衍射峰。结果发现，随着 Si 含量的增加，Mg2Si 的 (200) 峰及其他峰都变得更加明显，这可能表明 Mg2Si 析出 物的增加。 2.3 力学性能
着 Si 含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度均得到提高， 总体呈上升趋势。其中合金 5 的强度最高，其抗拉强度和屈 服强度达到 254.9MPa 和 232.5MPa，相比于合金 1 分别提 升了 37.7MPa 和 26MPa。Mg2Si 相作为强化相起到了沉淀 强化的作用，可以增强合金的力学性能，但同时它作为一种 脆性相，体积分数过高的同时容易割裂基体，限制合金的延 伸率，导致延伸率降低。
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主元素改变对 Al-8Mg-xSi 合金微观组织和 力学性能的影响
朱清越
济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 ２５００２４
摘 要 ：本文在高镁铝合金的基础上设计了一系列成分，研究了 Ｓｉ 含量对 Ａｌ－８Ｍｇ－ｘＳｉ 合金显微组织和力学性能的影 响。研究结果表明 ：随着 Ｓｉ 含量的增加，晶界轮廓逐渐清晰，Ｍｇ２Ｓｉ 强化相体积分数增加。当 Ｓｉ 含量为 ２．６ｗｔ．％ 时合金的 综合力学性能最佳，硬度、抗拉强度和屈服强度分别达到了 ９３．１、２５４．９ＭＰａ 和 ２３２．５ＭＰａ，比添加 １ｗｔ．％Ｓｉ 的合金分别提 升了 ７．４、３７．７ＭＰａ 和 ２６ＭＰａ。其中，断裂机制由混合断裂转变为脆性断裂。 关键词 ：Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ 合金 ；高镁铝合金 ；微观组织 ；力学性能 中图分类号 ：ＴＧ１４６．２３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００２－５０６５（２０２４）０４－００８７－３
度不同的砂纸打磨，抛光至镜面，用凯勒试剂进行腐蚀后， 采用 TSCAN S-8000 型场发射扫描电子显微镜对合金微 观形貌和断口进行表征，采用 INCA-XMAX-50 能谱分析 仪分析样品的元素种类和元素分布，采用 D8 DISCOVER 型 X 射线衍射仪对合金进行物相分析。拉伸试验在型号为 WDG-1060 的微电子万能试验机机上进行，硬度测试使用 了 HRBUV-187.5 型硬度计来测量。
Effect of Change of Main Elements on Microstructure and Mechanical Properties of Al-8Mg-xSi Alloy
ZHU Qing-yue
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎ， Ｊｉｎａｎ ２５００２４， Ｃｈｉｎａ Abstract: Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｌ－８Ｍｇ－ｘＳｉ ａｌｌｏｙ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｐｒｏｆｉｌｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ｃｌｅａｒｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｇ２Ｓｉ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｓｉ ｉｓ ２．６ｗｔ．％， ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ， ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｒｅ ９３．１， ２５４．９ＭＰａ ａｎｄ ２３２．５ＭＰａ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ７．４， ３７．７ＭＰａ ａｎｄ ２６ＭＰａ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ １ ｗｔ．％ Ｓｉ． Ａｍｏｎｇ ｔｈｅｍ， ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃｈａｎｇｅｓ ｆｒｏｍ ｍｉｘｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ． Keywords: Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ ａｌｌｏｙ； Ｈｉｇｈ Ｍｇ－ａｄｄｅｄ Ａｌ ａｌｌｏｙ； Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
Al-Mg-Si 合金 (6×××) 因其低密度、优良的综合力 学性能、耐蚀性和成型性等优点而被广泛应用于交通运输、 船舶制造和汽车零部件等领域 [1，2]。为响应国家节能减排的 号召，开发一种轻质高强的铝合金成为了实现汽车轻量化的 研究热点。
在 Al-Mg 合金中，增加镁含量可以提高合金的强度 [3]， 然而，当镁含量超过 5 wt.% 时，过量的镁会导致在晶界形 成连续的共晶 Al-Al3Mg2 相网络，从而对力学性能产生不 利影响 [4，5]。镁含量在 5wt.% 及以上的高强度 Al-Mg 合金 还没有商业化，由此可见，开发含有更高镁含量的合金具有 挑战性。Si 元素可以细化晶粒，并改善了合金的流动性 [6]。 Mg2Si 相作为 Al-Mg-Si 合金的主要强化相，其形态与数 量对合金的性能有着重要的影响 [7，8]，因此合理调控铝合金 中 Mg 和 Si 的比例提高 Al-Mg-Si 合金的性能起着至关 重要的作用。研究人员发现，在 Al-Mg-Si 合金中通过适 当添加微量元素 (Mn、Zr、Ti、La 以及 Ce 等 )，可以细化晶 粒，有效改善合金力学性能 [9，10]。例如，在合金中加入适量 的锰，促进亚微米级别的 Al(FeMn)Si 相和 Al6Mn 相的生成
图 1 为添加不同 Si 含量后合金的 SEM 显微组织。显微 组 织 主 要 由 白 色 初 生 α-Al 基 体 相、灰 色 的 Al3Mg2 相 和 黑色汉字状的 Mg2Si 相组成，起初 α-Al 基体相较为粗大， 且无明显轮廓，随着 Si 含量的增加，晶界轮廓清晰，被分割 成相对独立的组织。高倍观察下，Al3Mg2 相呈现灰色不规 则块状，随着 Si 含量的增加，黑色 Mg2Si 相体积分数增加， 且形貌变得更细，由最初的长条状、点状更趋于汉字状和片 状，并在晶界处聚集生长，而 Al3Mg2 相逐渐减少，Si 含量 达 到 2.6 wt.%( 合 金 #5) 时，组 织 内 基 本 上 看 不 到 Al3Mg2 相，这说明随着 Si 含量的增加，与合金中 Mg 元素优先生成 Mg2Si 相，既消耗了 Mg 原子，又降低了 Al3Mg2 相的体积 分数 。 [12]
1.4
0.6
0.15
Bal.
3
8.0
1.8
0.6
0.15
Bal.
4
8.0
2.2
0பைடு நூலகம்6
0.15
Bal.
5
8.0
2.6
0.6
0.15
Bal.
2024年 2月下 世界有色金属 87
C 化学化工 hemical Engineering
1.2 试验方法 从 浇 铸 好 的 铸 锭 上 锯 切 下 所 需 测 试 的 试 样，经 过 粗 糙
2 试验结果与分析 2.1 微观组织
Al3Mg2 相。点 2 含 有 Al、Mg、Si 三 种 元 素，为 Mg2Si 相。 另外对白色不规则相点 3 进行分析，发现里面含有大量 Mn
元素，根据图 2(b-f) 的 EDS 面扫描结果，同样可以确定汉
字状的相为镁硅两种元素的化合物。另外，白色相含有少量
图 2 合金 2 的面扫描元素分布 为了更加清晰直观的表现 Al3Mg2 相和 Mg2Si 相的形 貌和分布，对合金 #2(Al-8Mg-1.4Si) 进行能谱分析，表 2 为通过计算得出的各点的原子百分比，其中 1 点 EDS 分析 结果显示，不规则块状相主要由 Al、Mg 两种元素组成，为
88 世界有色金属 2024年 2月下
收稿日期 ：２０２３－１２ 作者简介 ：朱清越，女，生于 １９９９ 年，山东济宁人，研究生，研究方向 ： Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ 合金、７０７５ 铝合金等。
[11]，这也有利于主要强化相 Mg2Si 的均匀分布，提高合金的 综合力学性能。
以前的研究主要集中在使用微合金化元素来优化合金 成分和增强合金性能。对于主要合金化元素如何影响的系 统 研 究 很 少，对 于 高 镁 含 量 的 铝 合 金 的 研 究 也 较 少。为 了 进一步研究综合性能良好的 Al-Mg-Si 合金，本文以铸造 Al-8Mg-xSi 合金为研究对象，研究了不同 Si 含量对 Al8Mg-xSi（x=1、1.4、1.8、2.2、2.6）合 金 组 织 演 变 和 力 学 性能的影响。
渐增加且变细，Al3Mg2 相体积分数逐渐减少，晶界轮廓也 逐渐清晰。
（2）随着 Si 含量的增加，合金的综合力学性能不断提 高。其中，添加 2.6wt.%Si 的铝合金力学性能最佳，硬度、 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 分 别 达 到 93.1、254.9 MPa 和 232.5 MPa，但延伸率不断下降。合金的断裂方式由混合断裂逐渐 转变为脆性断裂。
依次加入到铝熔液中。当所有合金完全熔化时，加入精炼剂、
Al-Ti-B 细化剂。保温 1min 左右后扒渣，将熔体以适当的
速率倒入预热至 200℃的金属模具中浇铸成型，随室温冷却。
表 1 Al-Mg-xSi 合金化学成分 (wt.%)
合金
Mg
Si
Mn
Ti
Al
1
8.0
1.0
0.6
0.15
Bal.
2
8.0
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
本试验以纯铝锭、纯镁锭、Al-20Si、Al-10Mn 和 Al-
6Ti 中间合金为原料，通过改变 Si 的含量，按照原料配比
共设计了五种成分，如表 1 所示。采用常规铸造方法制备合
金，首先将纯铝锭放入预热至 400℃的石墨坩埚中，加热至
720℃。铝熔化后，将镁锭和中间合金按顺序在指定温度下
合金断口表面形貌如图 6 所示。Si 含量较低时，组织内 含有少量韧窝，同时伴随着河流花样的撕裂边缘，为混合断 裂。随着 Si 含量的增加，合金中开始出现块状方形解理面和 放射状的解理台阶，且数量越来越多，表明合金已经由混合 断裂转变为脆性断裂，使得韧性降低。这也验证了前面的拉 伸试验结果。
3 结论 （1）随着 Si 含量的增加，合金内 Mg2Si 相体积分数逐