劉華東 邵百明 倪雷 李大維

摘要：為研究不同固溶溫度對(duì)Al-Mg-Si-Cu合金力學(xué)性能、斷口形貌、金相組織和耐晶間腐蝕性能的影響，對(duì)6056鋁合金熱軋盤(pán)條在470～600 °C范圍內(nèi)進(jìn)行固溶處理、室溫水淬及人工時(shí)效，進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試和耐晶間腐蝕試驗(yàn)，并結(jié)合光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析。結(jié)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(méi)有明顯變化。拉伸強(qiáng)度隨著固溶溫度升高而提升，在540 ℃左右到達(dá)峰值，固溶溫度升高到570 ℃和600 ℃時(shí)，強(qiáng)度變化很小，但伸長(zhǎng)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(guān)鍵詞：鋁合金 固溶溫度 力學(xué)性能 晶間腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：TG157；U465.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jiǎn)介：劉華東（1990—），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)榫o固件材料開(kāi)發(fā)和失效分析。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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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(chē)輕量化水平，輕金屬和復(fù)合材料應(yīng)用越來(lái)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(yīng)用對(duì)連接技術(shù)提出了新的要求。目前，大多數(shù)結(jié)構(gòu)件采用鋼制螺栓連接，而傳統(tǒng)碳鋼材料的熱膨脹系數(shù)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(fā)生電偶腐蝕。而鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)和電位差與鎂合金材料接近，因此，鋁合金螺栓得到廣泛應(yīng)用。

6056鋁合金是在傳統(tǒng)Al-Mg-Si合金的基礎(chǔ)上添加Cu以及其他少量合金元素形成Al-Mg-Si-Cu合金，經(jīng)過(guò)T6處理后的強(qiáng)度和塑性均優(yōu)于Al-Mg-Si合金，但晶間腐蝕傾向會(huì)隨Cu元素的添加而增加[1-2]。目前對(duì)6056鋁合金熱處理后相關(guān)性能研究不多，本文主要研究不同固溶溫度對(duì)以6056鋁合金為代表的Al-Mg-Si-Cu合金的力學(xué)性能、顯微組織以及耐晶間腐蝕等性能的影響，并探討相關(guān)機(jī)制。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的6056鋁合金熱軋盤(pán)條，化學(xué)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(jìn)行室溫水淬，最后在180 ℃溫度下人工時(shí)效6 h。

采用Ziwick-50 kN型電子拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)量6056鋁合金在不同固溶溫度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)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(duì)顯微組織進(jìn)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(xué)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(yàn)結(jié)果

3.1 力學(xué)性能

圖1為6056鋁合金經(jīng)過(guò)不同溫度固溶處理并時(shí)效后的力學(xué)性能變化趨勢(shì)，當(dāng)固溶溫度由470 ℃升高至540 ℃時(shí)，合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(jìn)一步升高，強(qiáng)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(shí)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(shù)量明顯變少，同時(shí)還伴有較多的二次裂紋，局部呈現(xiàn)出類(lèi)似冰糖狀的沿晶特征。

3.2 顯微組織

6056鋁合金經(jīng)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(diǎn)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(dāng)溫度升高至570 ℃和600 ℃時(shí)，合金顯微組織中已經(jīng)沒(méi)有明顯的黑色粒子，而褐色粒子B的數(shù)量沒(méi)有隨溫度升高而發(fā)生明顯變化。

對(duì)顯微組織中A和B 2種第二相粒子進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)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(duì)穩(wěn)定，數(shù)量沒(méi)有隨著溫度升高而發(fā)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(shí)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(fā)生了明顯腐蝕，腐蝕沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，部分晶粒已相互脫離。同時(shí)，腐蝕在晶界附近向晶粒內(nèi)部擴(kuò)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(shì)。其中，在固溶溫度為470 ℃時(shí)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(shí)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(shí)效強(qiáng)化合金，其脫溶分解是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，大致可以簡(jiǎn)化為：過(guò)飽和固溶體、Mg和Si的原子團(tuán)簇、GP區(qū)、 β″相、β′相與Q′相、β相與Q相。其中β″相與基體保持共格關(guān)系，可以最大限度地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金強(qiáng)化效果[5-7]。因此，6056鋁合金強(qiáng)度高低主要取決于合金內(nèi)β″相的析出數(shù)量。隨著固溶溫度的升高，合金中越來(lái)越多的Mg2Si相溶解到基體中，合金基體中溶質(zhì)原子的濃度越高，在后續(xù)的淬火以及時(shí)效處理時(shí)得到的彌散析出強(qiáng)化相（β″相）也越多，析出強(qiáng)化效果越明顯，這也是在固溶溫度為470～540 ℃時(shí)，隨著固溶溫度的升高，合金拉伸強(qiáng)度得到顯著提高的重要原因。

圖8為固溶溫度為570 ℃時(shí)的合金晶界形貌，可以發(fā)現(xiàn)，固溶溫度為570 ℃時(shí)合金局部區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)三角晶區(qū)，晶界變寬，此時(shí)合金已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)熱，抗拉強(qiáng)度下降到570 ℃時(shí)的412 MPa和600 ℃時(shí)的409 MPa。強(qiáng)度下降幅度較小的原因可能為Mg2Si相固溶更充分，使強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)急劇下降，但此時(shí)合金的延伸率明顯下降，同時(shí)拉伸斷口形貌韌窩變少，開(kāi)始出現(xiàn)了二次裂紋和沿晶特征，說(shuō)明晶界結(jié)合力已經(jīng)出現(xiàn)弱化，這些均與固溶溫度過(guò)高有關(guān)。由于合金在固溶溫度為570 ℃時(shí)已發(fā)生過(guò)熱，在570～600 ℃溫度變化下其強(qiáng)度未發(fā)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(qiáng)度相關(guān)[8-10]。晶界具有較高的界面能，在時(shí)效過(guò)程中，晶界附近的溶質(zhì)原子容易向晶界上偏聚形成連續(xù)析出相，從而使得晶界周?chē)纬闪藷o(wú)沉淀析出帶（Precipitation Free Zone，PFZ）。由于PFZ區(qū)域溶質(zhì)原子較少，其電位比晶內(nèi)和晶界析出相低，成為陽(yáng)極，在腐蝕介質(zhì)作用下形成腐蝕原電池，從而發(fā)生晶間腐蝕。當(dāng)固溶溫度不足時(shí)，合金內(nèi)的初生Mg2Si沒(méi)有完全溶解到基體中，后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化過(guò)程中析出的強(qiáng)化相也會(huì)隨之變少。而晶界上析出相會(huì)直接影響晶間腐蝕敏感性，導(dǎo)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(fā)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(dāng)固溶溫度過(guò)高時(shí)，合金過(guò)熱，晶界加寬，晶間結(jié)合力變?nèi)?，這會(huì)使得晶界上組織發(fā)生不均勻變化，增大與晶界周?chē)鶳FZ之間的電位差，提高晶間腐蝕敏感性，更容易發(fā)生晶間腐蝕。

5 結(jié)論

a.拉伸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明：在固溶溫度為470～540 ℃時(shí)，隨著固溶溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均升高，在固溶溫度為540 ℃時(shí)到達(dá)峰值。在固溶溫度達(dá)到570 ℃后，提高固溶溫度會(huì)使抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度輕微下降，而延伸率已出現(xiàn)明顯下降。觀察拉伸斷口形貌，固溶溫度為470～540 ℃時(shí)拉伸斷口微觀形貌均為韌窩狀，且韌窩深淺和數(shù)量隨著固溶溫度升高而出現(xiàn)變深、變少的趨勢(shì)。而固溶溫度為570～600 ℃時(shí)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(lèi)似冰糖狀的沿晶特征，這表明該溫度下材料的晶界結(jié)合力已經(jīng)弱化，強(qiáng)度和塑性出現(xiàn)下降。

b.金相顯微組織和EDS能譜掃描結(jié)果表明，在固溶溫度為470°C～540°C時(shí)，隨著固溶溫度升高，初生的Mg2Si溶解度逐漸增加，固溶強(qiáng)化效果也隨之增強(qiáng)。在固溶溫度為570～600 ℃時(shí)，顯微組織中已經(jīng)沒(méi)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(méi)有明顯變化。

c.耐晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)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(shí)，晶間腐蝕程度最小，隨著固溶溫度的升高，合金中越來(lái)越多的Mg2Si溶解到基體中，在后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化中也會(huì)伴隨著更多的強(qiáng)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(dāng)固溶溫度為570～600 ℃時(shí)，晶界加寬，晶間腐蝕傾向更明顯，腐蝕也更加嚴(yán)重。

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