20世紀中期以來，美國、俄國通過在合金中添加錳、硅、鈦等微量元素相繼開發(fā)出7075合金、B95高強鋁合金、7050合金、7150鋁合金；國內(nèi)對鋁-鋅-鎂-銅系高強高韌鋁合金研究頗多，主要有7075、7050、7A55、7A60等合金 。

鋁合金力學性能取決于合金組織，成形性取決于合金成分。一般而言，高的力學性能和成形性在許多合金中是難以兼得的[5]。因此，針對傳統(tǒng)結構材料的強韌化，研究開發(fā)具有優(yōu)異成形性的高強度、高韌性及低成本的鑄造鋁-硅合金具有重要的科學意義和實踐價值。定量研究加入鋅后鋁-硅合金微觀組織變化以及對其力學性能的影響，并分析其機理。

1. 實驗

1.1 試樣制備

按表1配置總質(zhì)量為300g的三種不同成分的鋁合金。

表1 鋁-硅-銅-鎂（單位：g）

經(jīng)熔煉、澆鑄、熱處理制備出鋁合金試樣以備后續(xù)觀察和測試。材料的配置用鋁（工業(yè)純鋁），純鋅、鋁24.4硅、鋁50銅、鋁4鈦、鋁l0錳中間合金及純鎂。精煉采用1%的六氯化鈦。變質(zhì)劑用三元鈉鹽：NaF（45%）+NaCl（40%）+KCl（15%）變質(zhì)劑，以上二種藥品用鋁箔包好，防止燒損。采用可控硅控溫儀和鎳鉻-鎳硅熱電偶進行溫度的控制。將爐溫升至750℃，放入純鋁保溫1h使鋁全部熔化。再放入鋁24.4硅、鋁50銅、鋁10錳、鋁4鈦保溫20min放入純鋅，保溫5min，加入鎂，保溫5min后，加入精煉劑精煉，保溫5min加入鈉鹽變質(zhì)劑變質(zhì)，保溫5min進行除渣，以便有效的去除氣體和雜質(zhì)，之后再加入精煉劑進行二次精煉，保溫5min后除渣，澆注到金屬型[6-7]。

1.2 力學性能實驗與金相組織觀察

布氏硬度測定條件：選用φ5壓頭，250kg載荷，保壓30s。拉伸強度測試在CSS-55100型多功能電子拉伸試驗機上進行，加載速度為0.1mm/s。

鑄件冷卻后從鑄型中取出，除去表面的飛邊毛刺后，用手鋸取中部適量長度的試樣。經(jīng)砂紙粗磨、細磨后，在P-2型金相試樣拋光機上進行粗拋和精拋。拋光后的試樣用濃度為0.5%的HF酒精溶液腐蝕(腐蝕7-8s)后即可進行金相分析。

2.實驗結果與分析

2.1 鑄態(tài)組織分析

2.1.1 鑄態(tài)宏觀組織

鋁硅銅鎂鋁硅銅鎂合金組織晶粒呈大片珊瑚狀，組織分布不均勻。加鋅1.0%的合金組織明顯較無鋅合金組織晶粒細小，組織呈彌散化并且分布趨于均勻化。在鋅的加入之后明顯可以看到硅相細化。經(jīng)過高倍顯微鏡觀察，合金組織在大范圍內(nèi)均勻分布，組織細小且呈較為均勻的球狀和粒狀。

2.1.2 鑄態(tài)微觀組織

觀察放大后的組織，圖1（a）和圖1（b）含鋅1%合金組織里有明顯的魚骨相，呈黑色，該相周圍不出現(xiàn)其他相，單獨存在基體中。

圖1（c）和圖1（d）中顯示魚骨相均勻分散開來，其周圍多有灰白色相出現(xiàn)。魚骨相明顯比（a）和（b）圖中出現(xiàn)的魚骨相形狀小。

圖1（e）和圖1（f）中相體變化繁多。褐色區(qū)域是富硅相區(qū)，而魚骨相、灰白，灰黑相區(qū)錯雜其間，金屬元素富集嚴重。

觀察圖2（a）和（b），經(jīng)過能譜分析后知道魚骨相的成分主要是鋁-硅-銅-鎂-鋅-O六元相。

在圖2（c）中，白色的片狀相為鋁-硅-錳-銅四元相。如圖3，組織中出現(xiàn)灰白色片狀相，其能譜分析后得知成分為鎂-鋁-硅-銅四元相，其中鎂的含量最高，在該相中主要是鎂和銅元素的富集。

（a）1%鋅鑄態(tài)  500×                （b）1%鋅鑄態(tài) 2000×

（c）3%鋅鑄態(tài) 200×                 （d）3%鋅鑄態(tài) 1000×

（e）5%鋅鑄態(tài) 500×（f）5%鋅鑄態(tài) 1000×

圖1不同鋅含量鋁硅銅鎂鋁硅銅鎂合金組織

(a) 1%鋅鋁硅銅鎂合金組織             (b) 1%鋅鋁硅銅鎂合金組織能譜     

(c) 1%鋅鋁硅銅鎂合金組織                 (d) 1%鋅鋁硅銅鎂合金組織能譜

圖2 含鋅 1%鋁硅銅鎂合金組織及能譜

(a) 1%鋅鋁硅銅鎂合金組織                  (b) 1%鋅鋁硅銅鎂合金組織能譜

圖3 含鋅 1%鋁硅銅鎂合金組織及能譜

(a)含鋅 3%鋁硅銅鎂合金組織                (b)含鋅 3%鋁硅銅鎂合金組織能譜

（c）含鋅 3%鋁硅銅鎂合金組織               (d) 含鋅 3%鋁硅銅鎂合金組織能譜

圖4 含鋅 3%鋁硅銅鎂合金組織及能譜

圖4（a）和（b）中，在魚骨相上面掃描的結果得知其成分為鋁鎂硅銅鋅氧，鋁鎂硅占多數(shù)。在（C）和（d）中，能譜分析的相呈灰白，與基體顏色區(qū)別較小，與（b）相比，鎂含量減少，沒有氧的出現(xiàn)，鋁含量升高。

如圖5（a）和（b）中，魚骨相增多且變小，成分為鋁硅鎂鋅氧。在圖（C）和（d）中，白色相呈細小彌散均勻分布，能譜測出成分為鋁銅鋅，鋁銅含量一樣多。

(a)含鋅5%鋁硅銅鎂合金組織                      (b) 含鋅5%鋁硅銅鎂合金組織能譜

(c) 含鋅5%鋁硅銅鎂合金組織                      (d) 含鋅5%鋁硅銅鎂合金組織

圖5 含鋅5%鋁硅銅鎂合金組織及能譜

2.1.3 鋅對鋁硅銅鎂合金力學性能的影響

隨著鋅含量的增加合金硬度、抗拉強度與伸長率均顯著提高。

表2 鑄態(tài)合金試樣硬度

表2中顯示鋅的加入使試樣硬度上升，而且鋅加入的越多，試樣的硬度越高。

圖6中顯示了三種鋅含量的試件被拉伸后其斷口形貌。圖6(a)(和b)為含鋅 1.0%鋁硅銅鎂合金斷口組織，其大部分為組織撕裂，解理斷裂很少。結合(c)、(d)、(e)、(f)圖可以看出斷口形貌是由脆性斷裂向韌性斷裂轉變的。鋅含量的增加使試樣抗拉強度上升。

(a)1% 鋅鑄態(tài)合金斷口 200×                 (b)1%鋅鑄態(tài)合金斷口  1000×

(c)3% 鋅鑄態(tài)合金斷口 200×                  (d)3%鋅鑄態(tài)合金斷口  1000×

(e)5% 鋅鑄態(tài)合金斷口 200×                  (f)5%鋅鑄態(tài)合金斷口1000×

圖6 鑄態(tài)合金試樣斷口

3.結  論

本文通過在鋁-硅-銅-鎂合金中添加不同比例的鋅元素（鋅含量分別為1%、3%、5%），借助力學性能測試、宏觀組織觀察及掃描電鏡（SEM)等手段，研究合金元素鋅在鋁合金中的狀態(tài)變化及其對鋁硅銅鎂合金組織和力學性能的影響。
       （1）鑄造鋁-硅-銅-鎂合金中加入適量的鋅元素后，組織得到改善。

（2）對合金組織的成分進行分析，了解到加入較少的鋅時，鋅在合金中以固溶體而并非相的形式存在并且均勻的分布在基體組織中，當加入5%的鋅時，出現(xiàn)鋅元素的富集。鋅的加入促進其他元素的溶解與第二相的生成。

（3）在鋁-硅-銅-鎂合金中添加微量鋅可以提高合金強度。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)：加鋅后合金在枝晶內(nèi)細小而彌散分布的針狀析出相增多。