铝及铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、热稳定性好和易加工成型等优点, 成为航天航空以及汽车的主要结构材料, 是航空航天以及汽车工业的轻量化发展方向^[1-4].然而低强度使铝合金使用受到限制.

目前国内外学者在优化铝合金成分和铝合金化方面做了大量的工作.5083合金是中等强度变形不可热处理强化的商业铝合金^[5].本文研究5083合金添加Zn元素后, 对合金的微观组织结构和力学性能的影响.

本实验在5083合金中添加不同含量的Zn元素，进行熔炼、均匀化处理和在室温下轧制成板材, 研究元素Zn对5083合金的显微组织和力学性能的影响.

本实验采用分析纯Zn粒和5083合金为原料, 制备名义合金成分为5083+x% Zn(x=0, 1.5, 3, 5).先将5083合金放入高纯石墨坩埚内, 采用中频感应炉熔炼, 加热至750 ℃后添加锌粒, 用石墨棒搅拌1 min, 静止冷却, 使炉内温度降低到720 ℃, 加入C₂Cl₆用石墨棒轻轻搅拌1~2 min.将温度升至780 ℃, 静止保温10 min.用钛合金板扒去表面氧化物，然后在水冷铜模系统内浇注, 获得1.5 kg表面光亮的铸锭.铸态合金的实际成分由全谱直读型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP, Perkin Elmer, Plasma 400) 进行测定.如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 5083+x% Zn合金成分表(质量分数) Table 1 Chemical compositions of 5083+x% Zn alloys % 合金 Fe Si Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 5083 0.400 0.270 0.100 0.57 4.310 0.16 0.19 0.16 余量 5083+1.5% Zn 0.467 0.187 0.092 0.59 4.430 0.14 1.74 0.18 余量 5083+3% Zn 0.510 0.189 0.090 0.57 4.100 0.12 3.27 0.13 余量 5083+5% Zn 0.427 0.180 0.087 0.61 4.120 0.17 5.45 0.15 余量

表 1 5083+x% Zn合金成分表(质量分数) Table 1 Chemical compositions of 5083+x% Zn alloys

铸态合金锭经450 ℃×10 h+480 ℃×30 h+490 ℃×10 h均匀化处理.然后用电火花线切割成100 mm×30 mm×5.0 mm的试样, 试样放入盛有酒精的烧杯中, 然后放入超声波清洗机中超声清洗30 min, 除去表面的油脂.然后试样在室温条件下进行轧制, 每道次下压量约为10%, 总下压量约为85%.轧制后的试样最终厚度为0.8 mm左右.

通过SEM对合金的显微组织特征及形貌进行观察, 并结合能谱仪(EDS)对表面微区成分进行分析.通过TEM观察轧制试样的晶粒大小.

轧制后试样采用电火花线切割出拉伸试样.试样表面用抛光布涂抹1.0#金刚石抛光膏抛光.采用CMT5105-SANS电子万能试验机进行拉伸, 拉伸速率为0.5 mm/s.每组实验至少准备3个试样, 拉伸数据取3次实验数据的平均值.

图 1为5083合金及添加不同含量Zn元素5083合金铸态显微组织扫描电镜(SEM)图片.由图 1a可知, 合金是由灰色初生的α-Al(fcc)相和白色的金属间化合物组成.结合EDS分析, 可知5083合金中白色金属间化合物组成元素为Al和Mg, 如图 1e所示.通过文献中透射电镜衍射斑分析可知金属间化合物为β-(Mg₂Al₃)相^[6].由图 1b可知, 添加质量分数1.5% Zn后, 白色金属间化合物的形貌没有明显变化, 通过EDS分析, 图中白色金属间化合物组成元素为Al, Mg和Zn, 如图 1f所示.添加质量分数3% Zn后，白色金属间化合物形貌开始发生明显粗化, 如图 1c所示.添加质量分数5% Zn后，白色金属间化合物明显变得粗大.结合EDS分析可知, 白色金属间化合物组成元素为Al, Mg和Zn, 如图 1h所示.由图 1可知添加不同含量Zn元素的5083合金, 金属间化合物的形貌逐渐改变, 随着Zn元素的增加, 合金中金属间化合物粗化.说明随着Zn元素添加量的增加, 合金铸造组织中Zn和Mg元素的偏析程度增加.

图 1(Fig. 1)

图 1 铸态5083+x% Zn合金扫描电镜图片及能谱分析 Fig.1 SEM and EDS analysis of as-cast 5083+x% Zn alloys (a)—x=0；(b)—x=1.5；(c)—x=3；(d)—x=5；(e), (f), (g), (h)—分别为A, B, C, D处的EDS分析.

均匀化处理能减少宏观偏析, 使晶界和枝晶网络间形成Mg和Zn元素的低熔点共晶组织和其他金属间化合物均匀分布到晶粒内部, 提高力学性能.均匀化处理是轧制过程顺利进行的一道重要工序, 它保证了合金获得足够的变形能力, 并对合金的力学性能组织结构有着重要的影响.因此, 合金轧制之前的均匀化处理十分重要.图 2是5083合金及添加不同含量Zn元素的5083合金的均匀化处理显微组织扫描电镜(SEM)照片.图 2a是5083合金的均匀化处理照片, 灰色基体为α-Al, 未溶解的不连续金属间化合物，通过EDS打点分析可知, 这部分未溶的金属间化合物主要由Al和Fe元素组成.

图 2(Fig. 2)

图 2 均匀化处理5083+x% Zn合金扫描电镜及能谱分析 Fig.2 SEM and EDS analysis of homogenized 5083+x % Zn alloys (a)—x=0；(b)—x=1.5；(c)—x=3；(d)—x=5；(e), (f), (g), (h)—分别为E, F, G, H处的EDS分析.

图 2b~图 2d是5083合金分别添加质量分数1.5%, 3%和5% Zn元素的合金.可以看出, 经过均匀化处理后合金的金属间化合物未发生变化, 通过EDS分析, 未溶解部分由Al, Mg, Fe, Mn和Si等元素组成.由上述分析可知, 由于合金浇铸时冷却速度过快导致Zn和Mg元素在晶界偏析, 经过均匀化处理后Zn和Mg元素在晶内和晶界得到充分扩散溶解, 消除合金中Zn和Mg元素的偏析, 剩余未溶解金属间化合物为Mg₂Si和Al₃Fe相^[7-9].

图 3为垂直于轧制方向的添加不同质量分数Zn的5083合金TEM图片.由图可知, 经过冷轧变形的合金晶粒为纤维状晶粒.纤维状晶粒的平均宽度约为150 nm.在轧制过程中随下压量的增加, 晶粒内部出现小角度晶界, 然后小角度晶界转化大角度晶界, 晶粒得以细化.从图 3可以看出, 晶粒内部明亮, 位错密度低, 晶粒内部位错源较少, 位错在晶粒内部平均运动距离较短.此时, 晶界即是位错源也是位错阱, 在晶粒内部产生和晶界发射的位错, 在镜像力作用下很快被其他晶界吸收, 导致位错在晶粒内部难以增值, 位错密度难以升高.位错在晶界附近缠结, 晶界内的位错密度增加.

图 3(Fig. 3)

图 3 轧制态5083+x% Zn合金的TEM照片(垂直于轧制方向) Fig.3 TEM image of rolled 5083+x% Zn alloys (perpendicular to the rolling direction) (a)—x=0；(b)—x=1.5；(c)—x=3；(d)—x=5.

合金经过轧制变形后的力学性能如图 4所示.

图 4(Fig. 4)

图 4 板材拉伸性能 Fig.4 Tensile properties of the rolled alloy sheets

由图可知, 经过轧制的5083合金具有较高的屈服强度、抗拉强度和延伸率.添加质量分数1.5% Zn的5083合金R_m=496 MPa, R_0.2=460 MPa, ε=4.9%, 随着添加Zn量的增加, 抗拉强度和屈服强度进一步增加, 延伸率有所下降.其中添加质量分数5% Zn的5083合金R_m=595 MPa, R_0.2=550 MPa, 延伸率降低到3.6%.随着添加Zn元素的增加，强度增加而延伸率降低.随着添加Zn元素的增加，合金的固溶强化作用增强[10]，进而提高了合金板材的强度.但是由于Zn元素的增加降低材料的加工硬化能力, 致使材料塑性降低.

1) 5083合金与添加Zn元素的5083合金经过总下压量85%室温轧制, 可以形成超细晶.

2) 对铸态合金450 ℃×10 h+480 ℃×30 h+490 ℃×10 h均匀化处理, 消除Mg和Zn元素的偏析.

3) 经过室温轧制的5083合金, 随着Zn元素的增加，拉伸强度增加, 而延伸率降低.当Zn质量分数为5%时, R_m=595 MPa, R_0.2=550 MPa, 延伸率降低到3.6%.