【研究意义】随着现代化铁道车辆向高速化、轻量化^[1]的发展趋势，人们对材料的性能也提出越来越高的要求。铝合金因其密度小、塑性优良、比强度高、耐腐蚀性好、价格低廉已成为汽车、航空、航海及自行车制造的重要轻质材料^[2]。且铝合金表面易形成氧化物钝化膜，使其能在大多数自然环境(如深海)和化学介质中减少腐蚀的发生^[3-5]。然而，铝合金表层中缺陷的存在(如气孔)使得活泼的阴离子易在表面析出，致使其抗点蚀的能力下降^[6-7]。【前人研究进展】为满足工业使用的要求，通常采用如下5种方式改善铝合金抗点蚀的性能：1)加入腐蚀抑制剂^[8]；2)表面处理^[9-10]；3)微观结构控制^[11]；4)添加合金化元素^[12-13]；5)表面涂覆涂层^[14]。尤其对2XXX和6XXX系铝合金而言，在人工时效过程中加入Cu、Mn元素可以显著地提升其耐磨性能^[15]。Budsarakham等^[16]证实在铸造6063型Al合金中加入Cr元素并进行阳极氧化处理，其抗腐蚀性随着Cr含量的增加，腐蚀电流I_corr呈正相关性；且其微观结构显示，Cr含量的增加促进了金属间化合物的形成，但却抑制Al合金表面氧化还原反应的进行。就2XXX系粉末冶金工艺铸造铝合金而言，添加SiC和Al₂O₃颗粒可明显改善其表面硬度和耐磨性。然而人工时效过程中，对于SiC颗粒能否加速人工时效过程尚存争议。为确定SiC颗粒在Al合金人工时效中的作用，Ashwath等^[17]研究含有6%SiC、6%Al₂O₃以及0.25%石墨烯的2024型Al合金，经微波烧结后热拉伸试样的力学性能, 其结果表明在相同的工艺条件下，掺杂6%Al₂O₃的Al合金在硬度和极限抗拉强度等性能方面均优于其他两种成分的Al合金。Bach等^[18]在热挤压成型的基础上, 通过掺杂Mg和AlN研究Al合金的微观结构和电化学特性，其开路电位和动电位极化实验结果表明, Mg和AlN的添加可以提高Al合金表面钝化膜的腐蚀及点蚀电位；电化学阻抗谱结果同样证实了Mg和AlN的添加使钝化膜的厚度和电荷转移电阻升高，进而改善钝化膜的稳定性和抗点蚀的能力；另外，X射线光电谱进一步阐明Mg和AlN的添加能使Al合金钝化膜稳定性提升的原因——钝化膜中存在稳定钝化膜的Mg氧化物/氢氧化物和AlN与氧化铝/氢氧化铝；再者，由背散射电子的观测图像可知，抗点蚀性的改善与基体金属中的晶粒尺寸减小和缺陷数量减少相关。【本研究切入点】因掺杂会对Al合金的结构和性能产生影响，本文采用实验的方法研究两个YB-10Al合金样品的微观断口形貌及物相组成，分析YB-10Al铝合金试样的断裂机制。【拟解决的关键问题】为提高铝合金的性能提供数据支持。

将拉伸断口一端的YB-10Al合金制成15 mm×15 mm×2 mm的薄片。在实验前，为保持YB-10Al的拉伸端口清洁无氧化污染，可用脱脂棉蘸取适量无水乙醇(95%，AR)反复擦洗；用于X射线衍射(XRD)实验的试样，应将其表面分别用1 200目、1 500目、3 000目的砂纸反复打磨直至无划痕和异物污染。利用XRD进行物相分析，同时用带有能谱(EDS)的Hitachi S3400扫描电子显微镜(SEM)观测样品的断口形貌，并利用能谱分析样品中的成分组成和合金相的成分。

对两组(A、B)不同成分的试样进行XRD测试，并用日本理学D/MAX 2500V型X射线衍射仪收集衍射数据。实验条件：电压40 kV，电流50 mA，辐射源靶为CuKa(λ=0.154 055 nm)，以连续扫描方式采集数据，扫描速度为4°/min，步长为0.02°，2θ范围为10~80°。采用Jade 5.0软件和其所含有的粉末衍射卡片数据库对样品的XRD数据做物相分析。

利用SEM和EDS对两组YB-10Al合金试样的断口进行成分和显微结构分析，其结果如表 1所示。与2024Al型合金相比，其Mn和N元素的含量较高。因为YB-10Al合金以2024Al型合金为基础，并增加Mn和陶瓷颗粒的含量，用以提高其耐磨性和耐蚀性，它的主要相有Al、AlN及Si；而2024Al合金的以含Si、Mg、Cu的Al(04-0787)为主。与2050Al-Li型合金相比，YB-10Al合金的合金化元素不包含贵金属(Ag)，成本更低。

表 1(Table 1)

表 1 两组试样的成分组成 Table 1 The composition of two groups of samples 样品Sample 成分组成Composition (at.%) Al Mn Cu Li Fe Mg Ag O N Si Zn Other Sample A 92.10 0.55 0.37 0 0 0 0 6.53 0.38 0.07 0 0 Sample B 93.98 0.62 0.31 0 0.13 0 0 3.98 0.12 0.49 0.07 0.30 2024Al[17] 95.76 0 1.80 0 0.25 1.75 0 0 0 0.49 0 0 2050Al-Li[19] 94.05 0.20 0.96 3.92 0.05 0.45 0.10 0 0 0.08 0.10 0.09
	表 1 两组试样的成分组成 Table 1 The composition of two groups of samples

以连续扫描方式测得试样A的XRD图谱(图 1)。利用Jade5.0对XRD数据进行物相分析可知，试样A主要的物相为Al(04-0787)、Si(77-2108)、AlN(46-1200)；由图 2可知，试样B的主要相是Al(04-0787)和少量相Si(77-2108)。其中试样A中的AlN(46-1200)主要聚集于合金的局部表面。和AA8006-Al-Fe-Mn铝合金相比^[11]，YB-10Al合金中明显存在两种强化相AlN和Si，而AA8006型铝合金以Al(04-0787)相为主，并有微量的Al₆MnFe析出强化相。和AA6061型铝合金^[7]相比，YB-10Al的强化相种类明显较少，在AA6061型铝合金中，存在3种金属间化合物分别为AlCuMgSi、Mg₂Si和AlMn。虽然YB-10Al合金中含有Mn元素，但由于热处理工艺(升温速率、降温速率)和掺杂元素含量的不同，YB-10Al中并未发现Mg₂Si、AlCuMgSi和AlMn 3种强化相。

图 1 (Fig. 1)

图 1 试样A的XRD图谱 Fig.1 The XRD pattern of sample A

图 2 (Fig. 2)

图 2 试样B的XRD图谱 Fig.2 The XRD pattern of sample B

铝合金断裂的实质是材料在应力下空洞的萌生、扩展至聚合的过程，而影响铝合金断裂韧性的因素无外乎内因(金属氧化物夹杂和合金熔炼时吸氢引起的针孔)和外因(合金成分、晶粒组织、第二相)。本文利用SEM和EDS对型号为YB-10Al的锻造铝合金断口形貌进行分析研究，结果表明YB-10Al铝合金的断口形貌为韧窝状，试样为韧性断裂，断裂机制为微孔聚集型。

如图 3a所示，在试样A边缘区域存在氧化现象，氧化层的厚度约20 μm。图 3b中的中心断口形貌较为平整，主要由直径大小约为10 μm、深浅不一的韧窝构成。在图 3c中存在一个由条纹和第二相颗粒组成的200 mm×80 mm的平台。由相应的EDS成分分析可知，该平台主要成分的原子百分比(at.%)为65.63(Al)、1.43(Mn)、0.56(Cu)、10.80(Fe)、19.17(O)、0.14(Si)、1.90(N)、0.20(F)、S、Cl等；其中条状平台主要由第二相Al₂O₃组成，而平台上的白色颗粒物为FeO，浅白色的颗粒物为Fe。由图 3d的微区断口形貌可知，韧窝呈45°方向延伸，韧窝周围有明显的撕裂棱和密集的微孔。

图 3 (Fig. 3)

图 3 试样A在不同放大倍数下的断口形貌 Fig.3 The fracture morphology of sample A at different magnifications

由图 4a易知，试样B的断口中韧窝分布均匀，韧窝小而浅且在韧窝底部有第二相颗粒存在；在大韧窝周围的某些撕裂棱附近分布着许多浅微孔；大韧窝包围小韧窝，说明试样在断裂前发生明显的塑性变形。当试样受到拉伸或剪切变形时，第二相粒子与基体界面首先成为裂纹源。随着应力的增加，应力集中程度加大，塑性变形量增加，韧窝逐渐撕开，韧窝周边形成较大塑性变形的白亮的撕裂棱(图 4d)。

图 4 (Fig. 4)

图 4 试样B在不同放大倍数下的断口形貌 Fig.4 The fracture morphology of sample B at different magnifications

图 4b中的断口形貌比较平整，主要由直径大小不一、浅而平的韧窝和夹杂组成。图 4c中有第二相的平面状组织出现，由相应的EDS成分分析可知，其中主要成分的原子百分比(at.%)为95.13(Al)、0.56 (Mn)、0.28(Cu)、0.15(Ca)、3.87(O)；图 4c中的条状平台上存在一系列相互平行的波浪形条纹，每条条纹代表一次应力循环，条纹的间距反映了应力大小。图 4d中，韧窝周围的撕裂棱取向与宏观断口方向一致。

YB-10Al铝合金的主要相为Al(04-0787)，第二相为AlN(46-1200)、Si(77-2108)以及微量的Fe颗粒(06-0696)。其断裂机理为微孔聚集型的韧性断裂，深浅不一、直径10 μm的韧窝表明该铝合金具有十分优异的塑性。