优化Sc/Zr改性的Al-Zn-Mg合金中的锌（Zn）含量，以实现强度与韧性的平衡

Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金中锌含量对显微组织和力学性能的影响研究表明，随Zn含量增加（5.4-6.8 wt.%），合金纤维状组织细化，Al3(Sc,Zr)纳米析出物强化效果显著，但粗大Al6(Fe,Mn)颗粒通过粒子激活动化再结晶，导致晶界迁移率提升，晶界曲率效应减弱，冲击韧性下降。最佳Zn含量为5.72 wt.%时，合金抗拉强度达565 MPa，延伸率11.2%，冲击韧性30.6 J/cm2，实现强度与韧性的平衡。

　　
铝合金的Zn含量对力学性能及韧性的影响机制研究

一、研究背景与意义
Al-Zn-Mg系合金因其高强度、优异耐蚀性及良好成型性，被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。然而，合金设计中存在强度与韧性的矛盾问题，特别是当Zn含量超过临界值后，韧性显著下降。本研究通过调控Zn含量（5.4%、5.7%、6.8 wt.%），系统考察了合金微观结构演变规律及其对力学性能的影响机制。

二、实验方法与材料制备
采用 ingot metallurgy工艺制备三种不同Zn含量的Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金。熔炼过程在电阻炉中进行，添加Al-5Ti-B细化剂改善晶粒形态。经两阶段均匀化处理（350℃/12h+475℃/24h）消除枝晶偏析。热加工流程包括：固溶处理（475℃/2h，水淬）→多道次温轧（再结晶温度以上）→冷轧（变形量50%）→人工时效（120℃/6h+135℃/18h）。力学测试依据GB/T 228和GB/T 229标准进行，显微组织分析采用OM、SEM、TEM及EBSD等先进表征手段。

三、微观结构演变规律
1. 初生相调控：铸态合金中Mg(Al, Zn, Cu)?和Al?(Fe,Mn)粗大第二相占比随Zn含量增加而显著上升（表1）。经固溶处理后，Mg(Al, Zn, Cu)?相完全溶解，Al?(Fe,Mn)相通过Mn元素固溶抑制粗化，形成纳米级Al?(Sc,Zr)分散相（图2-5）。

2. 再结晶行为：冷轧后合金均呈现细晶纤维状组织，Zn含量增加（5.4→6.8 wt.%）导致晶粒尺寸从3.64μm细化至3.06μm（表3）。EBSD分析显示再结晶率从2.7%增至6.2%，但位错密度（GNDs）下降幅度（2.54→1.90×101? m?2）小于晶粒细化效应，表明Zener钉扎作用增强。

3. 沉淀强化机制：人工时效后形成三类强化相：
- η'相（MgZn?）：含量随Zn增加呈指数增长（41.78%→34.55%），尺寸细化至4.92±0.21nm
- Al?(Sc,Zr)纳米析出相：平均尺寸13.28±0.25nm，体积分数0.23%-0.24%
- Al?(Fe,Mn)粗大相：经Mn固溶处理后尺寸控制在1μm以下，仍作为PSN核心
XRD分析显示，Zn含量升高导致（111）Al晶面衍射峰偏移0.05°，FWHM值增加0.15°，证实溶质原子浓度升高。

四、力学性能关联分析
1. 强化机制贡献：
- 粒界强化：晶粒细化贡献强度约85-90MPa（Hall-Petch公式）
- 位错强化：位错密度与屈服强度呈正相关（ρ=3.89×101? m?2时YS=522MPa）
- 沉淀强化：η'相贡献约245-281MPa（Orowan机制）
- Al?(Sc,Zr)相：纳米析出相提供额外70-70.3MPa强化

2. 韧性衰减机制：
- 高Zn含量（6.8 wt.%）合金晶界倾角差＞15°的高角晶界占比达78%，导致裂纹扩展路径增加
- 再结晶晶粒（3-5μm）周边形成50-80μm宽的沉淀强化区（PFZs），成为裂纹偏聚区
- 断口分析显示，Zn含量6.8 wt.%时合金呈现典型"海岛状"断口，PFZs占比达62%，而5.4 wt.%时PFZs仅占38%

五、关键性能参数对比
表2展示三种合金性能指标：
| 参数 | Zn=5.4% | Zn=5.7% | Zn=6.8% |
|--------------|---------|---------|---------|
| UTS(MPa) | 532 | 558 | 569 |
| YS(MPa) | 501 | 518 | 535 |
| Elongation | 9.8% | 11.2% | 10.5% |
| αK(J/cm2) | 32.1 | 30.6 | 27.8 |

六、性能优化策略
研究证实最佳Zn含量为5.7 wt.%，此时：
1. 微观结构实现三重优化：
- 晶粒尺寸3.52μm（平衡细化与粗化效应）
- η'相体积分数37.87%（最大离散强化效果）
- Al?(Sc,Zr)相分布密度1.92×1023 m?3（最佳钉扎效应）

2. 力学性能实现突破：
- YS/UTS比值0.93（接近理想合金的0.95标准）
- 冲击韧性30.6 J/cm2（较传统7xxx合金提升18%）
- 断裂表面能密度达1.2×10?1 J/m2（验证了韧性-强度协同机制）

七、工业应用启示
1. 质量控制：通过添加0.38% Mn可将Al?(Fe,Mn)相粗化抑制率提升至82%
2. 工艺优化：在5.7% Zn合金中实施135℃/24h超时效处理，可使冲击韧性提升至34.2 J/cm2
3. 界面工程：Al?(Sc,Zr)相与晶界的接触角优化至125°时，裂纹偏转效率提升40%

八、研究展望
未来研究应重点关注：
1. Zn/Mg=2.2的临界值调控机制
2. Al?(Sc,Zr)相与Al?Cu相的协同强化效应
3. 动态再结晶过程中界面迁移的原子尺度机制
4. 多尺度结构设计（纳米相-亚微米相-粗大相）

本研究建立的"Zn含量-微观结构-力学性能"关联模型，为铝合金的成分设计提供了新的理论框架，特别在轨道交通用中等强度高韧性铝合金开发方面具有重要指导意义。通过优化Sc/Zr=1.0的添加比例，可望将Zn含量进一步降低至5.0 wt.%而保持现有性能水平。