通过铸锭冶金法制备了不同铜、锰合金元素含量的6013合金,研究了不同元素含量对合金微观组织和室温拉伸力学性能的影响。研究结果表明:Mn在铸锭均匀化过程中能细化晶粒,但过量的Mn使合金组织脆化;Cu元素质量分数由0.9%提高到1.1%时,合金的T6态抗拉强度由290 MPa提高到305.6 MPa,提高了7.3%,伸长率也有所提高,组织也得到有效改善。 6013 alloys with different content of Cu and Mn alloy elements were prepared by ingot metallurgy. The results show that Mn can refine the grain in the process of ingot homogenization, but excessive Mn can embrittle the microstructure of the alloy. When the mass fraction of Cu element increased from 0.9% to 1.1%, the T6 tensile strength of the alloy increased from 290 MPa to 305.6 MPa, with an increase of 7.3%. The elongation and microstructure were also improved.
王翼猛,刘承武,冯凡,周晓远,陈文琳*
合肥工业大学,安徽 合肥
收稿日期:2019年6月6日;录用日期:2019年6月20日;发布日期:2019年6月27日
通过铸锭冶金法制备了不同铜、锰合金元素含量的6013合金,研究了不同元素含量对合金微观组织和室温拉伸力学性能的影响。研究结果表明:Mn在铸锭均匀化过程中能细化晶粒,但过量的Mn使合金组织脆化;Cu元素质量分数由0.9%提高到1.1%时,合金的T6态抗拉强度由290 MPa提高到305.6 MPa,提高了7.3%,伸长率也有所提高,组织也得到有效改善。
关键词 :铜、锰合金元素,6013铝合金,显微组织,力学性能
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6013铝合金在当今世界最先进的铝合金中,以其杰出熔铸性、塑性成形性及焊接性,中等的比强度、良好的抗腐蚀性、上等的损伤容限、优良的热暴露稳定性等一系列性能而备受关注。因为其具有良好的综合性能,在大型民用飞机、军用舰载飞机、轨道交通上具有重大应用前景 [
有研究表明随Mn含量的增加,Al-Mg-Si系合金中原本粗大的骨骼状AIFeSi相变为颗粒状的AIFeMnSi相,可以抑制再结晶晶粒长大 [
国内对6×××系铝合金的合金化和热处理等进行了大量研究,现今6061,6063,6005等合金及其改进型号己经占据了6系合金的80%以上,它们涵盖了抗拉强度180~360 MPa整个范围,但是对于6013合金的研究相对较少 [
实验用合金的主要化学成分(质量分数,%)如表1所示。合金的冶炼原料为高纯铝(99.99%)、Al-10%Mg中间合金、Al-20%Si中间合金,Al-20%Mn中间合金,Al-50%Cu中间合金。
合金序号 Alloy No. | Mg | Si | Cu | Mn | Al |
---|---|---|---|---|---|
0# | 0.95 | 0.75 | 0.9 | 0.35 | 剩余(Bal.) |
1# | 0.95 | 0.75 | 0.6 | 0.35 | 剩余(Bal.) |
2# | 0.95 | 0.75 | 1.1 | 0.35 | 剩余(Bal.) |
3# | 0.95 | 0.75 | 0.9 | 0.2 | 剩余(Bal.) |
4# | 0.95 | 0.75 | 0.9 | 0.8 | 剩余(Bal.) |
表1. 实验合金的主要化学成分(%)
金在石墨坩埚电阻炉中进行熔炼,并在水冷铜模中浇铸成100 mm × 50 mm × 20 mm的铸锭。铸态合金先进行540℃ × 8 h均匀化处理后,再进行四道热轧,五道冷轧,之后进行560℃ × 2 h的固溶处理和151℃ × 8 h + 191℃ × 8 h时效处理。将铸态试样用金相砂纸预磨后进行机械抛光,用0.5%HF酸进行腐蚀。在MR5000型金相显微镜下对腐蚀后的试样进行显微组织观察和分析。拉伸实验在SANS-100KN微型控制电子万能试验机上完成,拉伸速度为1 mm·min−1,每个状态测定3个试样取平均值。
五种合金的显微组织如图1,图2所示。由图1中可以看出,随Mn含量的增加,Mn会代替AIFeSi相中的部分Fe而构成AIFeMnSi相,使原本粗大的骨骼状或汉字形的AIFeSi相变为颗粒状的AIFeMnSi相,这种弥散的颗粒相对合金再结晶中的晶界迁移有阻碍作用。而且随着合金中不可溶结晶相及弥散粒子数量增加,对晶界具有钉扎作用,阻碍再结晶晶粒长大。由图2中可以看出,在Al-Mg-Si合金中添加少量的Cu可以促进合金中强化相粒子的析出以及在时效过程中原子团簇和GP区的形成。这主要是因为Cu和Mg、Si结合在一起,在合金中形成了Cu/Mg/Si复合团簇,这些复合团簇的形成可以作为GP区优先形核的位置,加速形成了细小及高密度的团簇和GP区。Mg原子和Si原子偏聚团附近的这种Cu原子和空位的偏聚,就会为析出相的均匀形核提供有利场所,并加快合金的时效强化过程。
图1. 合金改变Cu元素含量时显微组织:(a) No.0合金;(b) No.1合金;(c) No.3合金
图2. 合金改变Mn元素含量时显微组织:(a) No.0合金;(b) No.3合金;(c) No.4合金
五种合金的力学性能如表2所示。由图3可知,随着铜元素含量上升,屈服强度、抗拉强度及延伸率都得到提高。其中,因为1组中Cu元素含量较少,Mg/Cu比例值较大,形成θ相,θ相的过渡相强化效果较差;Mg/Cu比例值减小时,Cu含量上升,形成S相,强化效果变好;当Mg/Cu > 1.08,如2组时,形成Q + θ相,强化效果最好。
由图4可知,随着锰元素含量上升,屈服强度、抗拉强度及延伸率均出现先上升后下降的趋势。由0组和3组对比可知,在Al-Mg-Si合金中加人一定量的Mn,Mn与Fe可以相互替代,形成多元相,代替β-AlFeSi相中的部分Fe而构成β-AlFeMnSi相,改善β相的生成与生长,使β相由针状向块状、团状a相转变,消除Fe的有害作用。
同时,Mn的加入促进了均匀化处理过程中长针状的β-AlFeMnSi相向粒状的α-AlFeMnSi相转变,改善了合金的性能。另外,这种含Mn的α相弥散颗粒可作为合金时效强化相β’(Mg2Si)的非均匀成核核心,促进β’相的析出,从而强化合金,使合金获得较好的强塑性配合。4#组力学性能较0#组下降是由于Mn热稳定性很高,且在铝基体中的扩散速度很慢,含Mn第二相在固溶处理过程中不能消失,消耗了一部分Si,造成Mg2Si数量明显减少,降低了合金的强度。
合金序号 Alloy No. | 0#对照组 | 1#低铜组 | 2#高铜组 | 3#低锰组 | 4#高锰组 |
---|---|---|---|---|---|
抗拉强度 (MPa) | 290.2 | 268.4 | 305.6 | 272.5 | 282.6 |
屈服强度 (MPa) | 258.3 | 232.6 | 274.8 | 241.2 | 253.6 |
伸长率(%) | 9.2 | 8.6 | 10.2 | 8.9 | 9.1 |
表2. 合金力学性能
图3. 铜含量变化时拉伸性能变化:(a) 抗拉强度及屈服强度变化;(b) 伸长率变化
图4. 锰含量变化时拉伸性能变化:(a) 抗拉强度及屈服强度变化;(b) 伸长率变化
随着Mn元素含量增加,6013合金晶粒得到显著细化,在伸长率基本不变的基础上抗拉强度得到提高,但Mn质量分数超过3.5 wt%时会引起组织粗晶脆化,不利于力学性能。
随着Cu元素质量分数由0.9%提高到1.1%,合金的T6态抗拉强度由290 Mpa提高到305.6 MPa,后者伸长率相对于Cu含量较低的合金也提高了10%,材料力学性能得到优化。
王翼猛,刘承武,冯凡,周晓远,陈文琳. Mn和Cu对6013铝合金组织及力学性能的影响 Effect of Mn and Cu on Microstructure and Mechanical Properties of 6013 Aluminum Alloy[J]. 冶金工程, 2019, 06(02): 111-115. https://doi.org/10.12677/MEng.2019.62016