Al-Mg-Si系铝合金的成分设计.ashx

同理，得到伸长率与Ｍｇｚ Ｓｉ质量分数的关系：
艿一１０．９８·Ｗ咖·２７
（５）
由图５可见，当№Ｓｉ质量分数在ｏ．４％～１．４％
内时，伸长率随Ｍ＆Ｓｉ质量分数的增加而下降。 将Ｔｈｅｒｍｏ．Ｃａｌｃ软件计算得出的Ａ１一Ｍｇ－Ｓｉ系
合金相图与试验得出的抗拉强度、伸长率数据结合， 由图６、图７进一步可见，抗拉强度值随Ｍｇｚ Ｓｉ含量
Ｔｈｅｍ伊Ｃａｌｃ软件［１０］，根据双亚点阵模型和最小自
由能计算原理，结合热力学数据库，计算出Ａｌ＿Ｍｇ＿ Ｓｉ系铝合金相图，得到固溶温度与ＭｇｚＳｉ含量的关 系图，并与试验数据对比，找到固溶温度、Ｍｇ。Ｓｉ含 量与陛能之间的关系，并用于成分设计。
２相图计算
２．１亚点阵模型 Ｈｉｌｌｅｒ等‘２１通过设定亚点阵模型来处理化学计
蝠
４
】．３９
Ｏ．８８
Ｏ．７９
Ｏ．６０
９７．７３
４试验结果与分析
试验合金的抗拉强度与Ｍ＆Ｓｉ质量分数的对
应关系见图４。经ｏｒｉｇｉｎ软件拟和，得到抗拉强度
与ＭｇｚＳｉ质量分数的关系：
巩一３２３．８０·Ｗ。＿４８
（４）
由图４可见，当Ｍ９２Ｓｉ质量分数在ｏ．４％～
１．４％内时，合金的抗拉强度随ＭｇｚＳｉ质量分数的 增加而上升。
ｄｉａｇｒ锄ｏｆ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ
ＡＨⅥ驴Ｓｉ ａ１１０ｙｓ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ Ｔｈｅｍｌｏ—Ｃａｌｃ ｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ
ｔｅＩｎｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ＾俺２ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｇｏｔ． Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｎｎｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆⅣ崦２ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ｖｓ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆｏｒ ｏｐｔｉｒＩｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ舢一Ｍｇ－ｓｉ ａｌｌｏｙｓ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｓ ｏｆ Ｍｇ ａｎｄ Ｓｉ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ
ｗ（Ｍ９２Ｓｉ）／％
Ｆｊ舀２
图２ Ａｌ－Ｍｇ牺系合金相图截面的局部放大图 １１ｌｅ ｐａｎ ｏｆ ｐｈａ鼬ｍａ『ａｍ辩ｃｔｉ帆ⅡｎｇｒＩｉｆｉｅｄ ｏｆ Ａｌ－Ｍｇ－ｓｉ
ａｌＩｌｍｉｍ哪ａｌｌｏｙ
自由能Ｇ毛的表达式为［１ ２｜：
Ｇｍ＝２ＲＴ∑ｙＡｌ，№ｌｎｙＡｌ’№＋Ｒ了、∑Ｋｉ，ｖｌｎｙＳｉ，ｖ
Ｄ ＼
溶解度曲线有所变化，但该系相图趋势保持不变。
同时，合金元素含量及热处理条件等对合金的力学
性能如强度、硬度也有直接影响。一方面，根据计算
万方数据
李晶，等：Ａ卜Ｍｇ～Ｓｉ系铝合金的成分设计 ——————————————————————————————————————————————————————————————一一一＿
含量的增加，在同一温度下析出的Ｍ９２ｓｉ含量也随 之增加，因此合金强度、硬度也相应升高；并且在镁、 硅含量相同的情况下，低于共晶温度固溶时，温度越 高，溶解到过饱和固溶体中的Ｍ＆Ｓｉ数量越多，时 效时析出的Ｍｇ。Ｓｉ颗粒也越多，合金的性能也相应 提高。所以，Ｍｇｚ Ｓｉ的析出数量与尺寸是决定Ａｌ— Ｍｇ＿Ｓｉ系合金性能的主要因素。一为此，作者运用
ＣＥＭ）。其基本思路是，在大多数有序相和结晶相 中不同原子的排列是有序的，每一元素倾向于进入
即固溶温度和Ｍ＆Ｓｉ质量分数的关系，见图３。
一种特殊类型的晶格位置上，因此可以将晶格进一 步细分为亚晶格（也称为亚点阵），每一组元占据特 定的晶格。
假设两个亚点阵都含有两个元素，最简单的情 景可以表示为（Ａ，Ｂ）。（Ｃ，Ｄ）。。
出的相图，可以得到强化相Ｍｇ。Ｓｉ的质量分数与温 度的关系；另一方面，可能Ｍｇ。Ｓｉ的质量分数与强
的变化趋势同温度与ＭｇｚＳｉ含量的关系吻合较好，
度性能也有对应的函数关系，所以设计下列试验以
山一
找出温度、ＭｇｚＳｉ质量分数与强度三者的联系。
茎 ＼
｛毯
３试验方法
释 氧
堰
将纯铝、纯镁、Ａｌ－９．１５％Ｍｎ合金及Ａ１—１２％Ｓｉ
Ａｌ，Ｍｇ
Ｓｉ，Ｖ
划
赠
＋∑ｙ（Ｓ１，ｖ）Ａ１∑ｙＡｌ，ＭｇｏＧ（Ａｌ’№）２ｓｉ
（２）
式中 ∑‰，№为铝，镁的原子分数之和；∑坻。ｖ为
⑧，Ｖ的原子分数之和，Ｖ代表空位，ｙｖ—ｏ；Ｒ为常 数。
根据此模型并结合热力学数据库可以获得Ａｌ— Ｍｇ－Ｓｉ系固溶体中各种固溶相的形成自由能。
如上所述，根据热力学模型建立了体系吉布斯 自由能的表达式。由热力学原理可知，体系在恒温、 恒压下达到平衡的充分必要条件是自由能的微小变 化必须大于或等于零，通常采用等化学位法和自由 能最小法［”１进行相关的热力学计算。用Ｔｈｅｒｍ旷 Ｃａｌｃ软件计算理想状态下，镁，硅原子比为２：１时 的相图（图１）。为了详细研究Ａ１—Ｍ驴Ｓｉ系铝合金 截面相图，将图１局部放大，见图２。、ｊ
在以往对Ａ１－Ｍ驴Ｓｉ系合金的研究中，着重考察 的是该系时效析出的序列［６］以及时效温度、时间对 析出相形态、数量和力学性能的影响［７＿９］，而较少涉 及该系合金成分的优化设计。Ａ卜Ｍｇ＿Ｓｉ系铝合金 中的主要强化相是Ｍｇ。Ｓｉ，在一定范围内，随着镁、硅
收稿日期：２００５一０８—２３；修订日期：２００５—１１—１７ 基金项目：上海市科委纳米基金资助项目（０３５２ｎＨｌ０９９） 作者简介：李晶（１９８０一），女，上海人，硕士研究生。 导师：邵光杰教授
圈６合金固溶温度、Ｍ氆Ｓｉ质量分数与抗拉强度的关系
Ｆｉ孚６ ＲｅＩａｔｉ鲫ｓｈｊｐ ｏｆ ｔ咖ｐｅｍｔ砒，Ｍ啦ｓｉ洲Ｉｔｅｎｔ ａｌＩｄ ｔ哪ｉｌｅ
ｓｔ代ｎｇｔｌＩ ｏｆ ＡＨⅦ争Ｓｉ ａＩＩｏｙ
ｐ ＼
＼琴
魁
褂
赠
出
垂
ｗ（Ｍ９２Ｓｉ）／％
图７合金固溶温度、Ｍ盘ｓｉ质量分数与伸长率的关系
更嬉７ Ｒｄａｔｉｏ哪ｈｉｐ ｏｆｔ岫悌瞳ｔｕｎ。Ｍ留Ｓｉ啪ｔ蛳ｔ ａＩｌｄ ｅｌ佃辨ｔｉ叽 ｏｆ址Ｍ争ｓｊ枷ｏｙ
能；Ｔ为温度。式中第一部分为参考态；第二部分是
基于每个亚点阵内均为随机混合的理想混合熵项；
Ｕ
＼
第三部分是过剩摩尔自由能。
醚 赠
２．２ Ａｌ＿Ｍ乎Ｓｉ系相图计算
Ａｌ—Ｍｇ－ｓｉ系统采用双亚点阵统计热力学模型
进行计算。Ａ１一Ｍｇ－Ｓｉ固溶体中有Ｍｇ。Ｓｉ、铝及大量
的空位（Ｖ）等，可以看作由两个亚点阵组成，其形式 为（Ａｌ，Ｍｇ）。（ｓｉ，Ｖ）。令亚点阵Ｉ中的组元为Ａｌ， Ｍｇ，亚点阵Ⅱ中的组元为Ｓｉ，Ｖ。假定仅考虑三个 不同组元原子间的相互作用，每一亚点阵均取亚规 则溶液模型，则体系（Ａｌ，Ｍｇ）ｚ（Ｓｉ，Ｖ）的摩尔吉布斯
第３０卷第９期 ２００６年９月
机械 工程 材 料 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｖ０１．３０ Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２００６
Ａｌ—Ｍｇ—Ｓｉ系铝合金的成分设计
李晶，金曼，费碉。邵光杰 （上海大学材料科学与工程学院，上海２０００７２）
摘要：采用Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ软件计算了Ａｌ－Ｍｇ＿Ｓｉ系相图，得到了固溶温度与Ｍ９２Ｓｉ含量的关
量比，后又提出了亚点阵模型、化合物能量模型和四 元交互系鞍座形自由能参考面的概念［１１３。该模型 也称为化合物能量模型（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｍｏｄｅｌ，
万方数据
李晶，等：Ａ１一Ｍｇ—Ｓｉ系铝合金的成分设计 ————————————————————————————————————————————————————————————————一
图２中曲线ＡＢ表示硅的溶解度曲线，在热处理 时，通常认为添加的镁在固溶时全部溶解到基体中，
在随后时效过程中又以№Ｓｉ相的形式析出。将图 ２中ＡＢ段溶解度曲线转化为№Ｓｉ的溶解度曲线，
ｎ晷３
图３合盒固溶温度与Ｍ戤Ｓｉ质量分数的关系
Ｒｅｌａｔｉ伽枷ｐ ｂｅｔｗ嘲ｔｅｍｐｅ憎ｔｕ代柚ｄ Ｍ弛Ｓｉ ｏ咖ｔ阴ｔ ｉＩｌ 从ＭｇＩｓｉ ａｌＩｏｙｓ
ｉｎ枷ｏｙｓ
热处理后，按照ＧＢ ６３９７～１９８６标准加工成９５ ６ ｍｍ
的拉伸试棒。在ＣＭＴ５３０３ ３ ｏｏｏ ｋＮ微电子控制万
能试验机上进行拉伸，拉伸速率为２ ｍｍ／ｍｉｎ，每种
摹 ＼
成分作３个试样，取平均值。
僻 出
理想状态下镁与硅按质量比１．７３：１形成
廷
ＭｇｚＳｉ，但在合金的实际配比中，一般添加过剩的硅
关键词：Ａ卜Ｍｇ＿Ｓｉ系铝合金；相图；Ｍ９２Ｓｉ；抗拉强度
中图分类号：ＴＧｌ４６．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００一３７３８（２００６）０９一００３５一０４
１１ｌｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｌ—Ｍ乎Ｓｉ Ａｌｌｏｙｓ
ＬＩ Ｊｉｎｇ，ＪＩＮ Ｍａｎ，ＦＥＩ Ｙ耻，ＳＨＡｏ Ｇｕａｎｇ＿ｊｉｅ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ａｌｌｏｙｓ ａｓ、＾陀１１ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ａＨｌｏｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， １Ｖｋ２ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｒｌｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．（ｂｎｓｉｄｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ａｒｒｌｏｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍ９２ Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ
单位结构式的摩尔自由能表达式为：
Ｇ。一２ｊｘ？Ｇｉ一粥。怕。 （１）
ｉ
式中 ∑Ｘｉ为ｉ元素的原子分数之和；ｏＧ为纯ｉ
元素的自由能；ｓｍ为摩尔混合熵；ＥＧ。为过剩自由
．Ｕ ＼ 越 赠
ｗ（Ｍｇ ２Ｓｉ）／％ 图１ Ａｌ—Ｍ乎Ｓｊ系合金相图截面
尉吕１ １１Ｉｅ ｐｌｍ辩ｄｉ醒憎ｍ ｓ∞ｔｊ鲫ｏｆ Ａｌ＿Ｍｇ－Ｓｊ ａＪ哪ｌｉｌｌ岫ａｎｏｙ
系曲线。以优化Ａ卜Ｍ乎Ｓｉ系铝合金成分为目的，选取不同镁、硅含量的合金进行拉伸试验，得到了
Ｍ９２Ｓｉ含量与抗拉强度的关系曲线。根据固溶温度、Ｍ９２ Ｓｉ含量及抗拉强度三者之间的关系以及
铝合金对强度性能的要求，可以计算镁、硅含量，并可参照固溶温度、Ｍｇ。ｓｉ含量及伸长率的关系设 计出满足一定要求的Ａｌ－Ｉ以ｇ－Ｓｉ系铝合金的成分。
表１试验合金的化学成分（质量分数／％）
Ｔａｂ．１ Ｃ（粕ｐ鸺ｉｔｉ伽ｏｆ ｔｌＩｅ ｔ郫ｔｅｄ ａｌｌｏｙｓ（ｍａ鼯／％）
时
山
试样
Ｍ９２Ｓｉ
Ｍｇ
ｓｊ
Ｍｎ
Ａｌ
Ｕ
苫
＼
＼
１
０．３９
Ｏ．２５
Ｏ．４３
Ｏ．６０
９８．７２
划
趟
赠ห้องสมุดไป่ตู้
２
Ｏ．６２
Ｏ．３９
Ｏ．５５
Ｏ．６０
９８．４６
骥 辅
３
Ｏ．９９
Ｏ．６３
Ｏ．６４
Ｏ．６０
９８．１３
ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ａ１一Ｍｇ。Ｓｉ ａ１１０ｙ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：伽一Ｍｇ—Ｓｉ ａｌｌｏｙ；ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ；Ｍ９２Ｓｉ；ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
１引 言
传统的材料开发方式通常采用“试错法（ｔｒｉａｌ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ）”，即通过大量的试验和经验来选择材料 的成分及制备工艺参数，不但消耗大量的人力和物 力，而且不利于系统地探讨材料改性的机理。随着 科学技术及计算机技术的发展，用理论计算来获得 高组元体系相图的方法逐渐发展起来［１叫］，并用于 材料的设计和制备。
以补充其它杂质元素造成硅的损耗。配制合金时先
设定ＭｇｚＳｉ的质量分数，计算出所需镁和平衡态硅
ｗ（Ｍ９２Ｓｉ）／％
的质量分数，再加上过量的硅，就可以得出硅元素的 总含量。经化学分析，成分见表１。
图５合金伸长率与Ｍ强Ｓｉ质量分数的关系
ｅｌｏＩ喇ｉ强ａｎｄ Ｆ培５ Ｒｄａｔｉｏ璐Ｋｐ ｏｆ
Ｍ弛Ｓｉ ｅｏｎｔ哪ｔ ｉｎ ａＩｌｏｙｓ
用０ｒｉｇｉｎ数据分析软件拟和，得到固溶温度与
ＭｇｚＳｉ质量分数的关系为：
ｚ—０１·ｗ６ｌ
（３）
式中￡为固溶温度，℃；ｗ为Ｍｇｚ Ｓｉ的质量分数；
口１为系数，ｎ１—３３２．５６；６１为指数，６１＝ｏ．２０；口１·６１
是曲线的斜率，表示曲线上升的快慢。
在Ａｌ＿Ｍｇ－Ｓｉ系铝合金中，改变镁、硅元素的含
量、固溶温度或添加其它合金元素都会使Ｍｇｚ Ｓｉ的
合金按照一定添加顺序、配比放人坩埚炉中熔化，连
铸成声１００ ｍｍ的圆锭。然后在５３０℃进行１２ ｈ均
匀化处理，挤压成ｊ＆２０ ｃｍ×２０ ｃｍ的铝棒。每种试 样截取一定长度在５３０℃固溶２ ｈ，１７０℃时效８ ｈ
图４合金抗拉强度与Ｍ出Ｓｉ质量分数的关系
Ｍ戬Ｓｉ咖ｔｅｎｔ Ｆｉ晷４ Ｒｅｌａ“伽ｓｌＩｉｐ ｏｆ ｔ印ｓｉｌｅ ｓｔｒｅｌｌｇｔｌＩ ａｌｌｄ