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中南&重大《MD》：自然時效時間對AlMgSi系合金時效和析出影響

2020-12-29 11:37:45 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

鋁合金是節能減排背景下推廣應用的材料。在鋁合金中，6xxx系列合金由于其良好的可成形性和高的機械性能被稱為最有前途的汽車材料。然而，自然時效（NA）導致成形性顯著降低，這種影響對合金的應用造成了較大的挑戰。因此，通過添加其他合金元素（如Cu，Zn和Ag）以減少這些不利影響，但是這些合金元素添加到Al-Mg-Si合金中之后，無法實現車身板材所需的烤漆硬化。因此，為了減少自然時效的負面影響合金淬火后通常進行預時效處理。已有研究表明，通過調節自然時效時間和添加Sn能夠減少自然時效對后續人工時效（AA）硬化行為的負面影響，但是自然時效時間和Sn的添加對淬火空位的保留以及后續人工時效硬化速率的影響尚不明確。

來自中南大學、重慶大學的研究人員通過在Al-0.4Mg-1.0Si中添加Sn并調節自然時效時間，分析了對合金析出和時效硬化速率的綜合影響。發現添加Sn能夠抑制團簇形成，進而抑制自然時效，少于5天的自然時效對含Sn合金后續人工時效具有積極影響。相關論文以題為“Effect of the natural aging time on the age-hardening response and precipitation behavior of the Al-0.4Mg-1.0Si-（Sn） alloy”發表在Materials and Design。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109307

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本研究共設計三種不同Sn添加量的合金，分別是Al-0.4Mg-1.0Si、Al-0.4Mg-1.0Si-0.04Sn、Al-0.4Mg-1.0Si-0.1Sn。鑄錠進行540℃×30h均勻化處理，在460℃下從40mm熱軋至7.5mm，進行420℃×2h退火處理，再冷軋至1.2mm厚的板材，進行570℃×30min的固溶處理（水淬），淬火后在室溫下放置不同時間（1、3、5、14天），然后進行180℃×20h的人工時效。

圖1 NA期間三種合金的（a）硬度和（b）電阻率的變化

圖2 NA 1天后（a）無Sn合金；（b）0.04%Sn的合金；（c）0.1%Sn合金的原子圖

圖3 NA處理1天后，Mg/Si比與（a）無Sn合金；（b）0.04%Sn合金；（c）0.1%Sn合金中團簇尺寸的關系圖

研究發現含Sn的合金中團簇數量密度較低，表明Sn能夠抑制團簇形成。Sn原子能夠擴散到Mg-Si共簇中形成含Sn團簇，Sn和Mg原子間具有很強的相互作用，更多的Mg原子被吸入含Sn團簇中，所以含Sn團簇的Mg/Si比和大小比無Sn團簇高。Sn的添加還能夠保留空位，這對后續AA也很重要。

圖4 （a）無Sn、（b）0.04%Sn、（c）0.1%Sn合金人工時效時間和硬度的關系；

（d）無Sn、（e）0.04%Sn、（f）0.1%Sn合金烤漆前后自然時效和硬度的關系

圖5 明場TEM圖像（a）無Sn合金未自然時效；（b）0.04%Sn合金未自然時效；（c）0.1%Sn未自然時效；（d）無Sn合金自然時效1天；（e）0.04%Sn合金自然時效1天；（f）0.1%Sn合金自然時效1天；（g）無Sn合金自然時效14天；（h）0.04%Sn合金自然時效14天；（i）0.1%Sn合金自然時效14天

無Sn合金的AA硬化率隨先前的NA時間的增加而迅速降低。然而，隨著NA時間的增加，Sn添加合金的AA硬化率開始增加，然后降低即在兩種Sn添加合金中觀察到NA對AA的作用不到5天，硬化效應隨NA時間的增加而降低。但是當NA時間增加到14天時，效果將變為負面。

總的來說，本研究中，探討了NA時間和添加Sn對Al-0.4Mg-1.0Si合金的時效硬化和析出行為的影響，并提供有關其潛在機理的見解，為輕量化材料的成分設計提供了理論基礎，有望提升輕量化材料的性能和市場占有率。（文：破風）

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