微量Zr對Al-Mn-Zn散熱器翅片微觀世界與性能的變革性影響一、引言1.1研究背景與意義隨著全球汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車輕量化已成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。這一趨勢不僅是為了滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能減排法規(guī)要求，如歐洲的歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對汽車尾氣排放和燃油經(jīng)濟(jì)性提出了極高要求，促使汽車制造商必須降低整車重量以提高燃油效率；也是為了提升汽車的性能，減輕車身重量能夠顯著改善汽車的加速性能、操控穩(wěn)定性以及制動性能等。據(jù)相關(guān)研究表明，汽車重量每降低10%，燃油效率可提高6%-8%，尾氣排放可減少5%-6%。在汽車輕量化進(jìn)程中，鋁合金由于其密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、易加工成型以及成本相對較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了汽車制造領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵材料。在汽車的散熱系統(tǒng)中，散熱器翅片作為實(shí)現(xiàn)熱量交換的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。汽車發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若不能及時有效地散發(fā)出去，發(fā)動機(jī)的溫度將持續(xù)升高，進(jìn)而導(dǎo)致零部件的熱膨脹、磨損加劇，甚至引發(fā)故障，嚴(yán)重影響汽車的正常運(yùn)行。因此，高效的散熱器翅片對于維持發(fā)動機(jī)的正常工作溫度至關(guān)重要。目前，Al-Mn-Zn系合金憑借其良好的綜合性能，如較高的導(dǎo)熱性、適中的強(qiáng)度以及較好的加工性能等，成為了散熱器翅片的常用材料。然而，隨著汽車發(fā)動機(jī)功率的不斷提升以及散熱系統(tǒng)對輕量化和高性能的更高要求，傳統(tǒng)的Al-Mn-Zn合金在某些性能方面逐漸難以滿足需求。Zr作為一種重要的合金元素，在鋁合金的微觀組織細(xì)化和性能優(yōu)化方面展現(xiàn)出顯著的作用。當(dāng)Zr添加到鋁合金中時，會與Al形成多種形式的化合物，如粗大的Al?Zr相、亞穩(wěn)的Al?Zr相以及平衡的Al?Zr相。這些化合物在鋁合金的凝固、熱處理和加工過程中，能夠通過不同的機(jī)制對合金的組織和性能產(chǎn)生影響。例如，亞穩(wěn)態(tài)Al?Zr相通常與基體保持一致，失配率僅為0.8％，它是一種非常有效的強(qiáng)化彌散體，可以抑制再結(jié)晶，細(xì)化組織并提高合金的再結(jié)晶溫度和強(qiáng)度。因此，研究Zr對Al-Mn-Zn合金組織和性能的影響，對于開發(fā)高性能的散熱器翅片材料具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論層面來看，深入探究Zr在Al-Mn-Zn合金中的作用機(jī)制，有助于揭示合金元素與鋁合金微觀組織和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，豐富和完善鋁合金材料的基礎(chǔ)理論體系。這不僅能夠為鋁合金材料的成分設(shè)計和工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，還能推動材料科學(xué)領(lǐng)域在微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能優(yōu)化方面的研究進(jìn)展。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，通過添加Zr來優(yōu)化Al-Mn-Zn合金的性能，可以開發(fā)出具有更高強(qiáng)度、更好導(dǎo)熱性和耐腐蝕性的新型散熱器翅片材料。這將有助于提高散熱器的散熱效率，減少其重量和體積，從而滿足汽車行業(yè)對散熱系統(tǒng)輕量化和高性能的迫切需求，提升汽車的整體性能和市場競爭力，同時也能為其他工業(yè)領(lǐng)域中鋁合金材料的應(yīng)用提供有益的參考和借鑒。1.2研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探究微量Zr添加對Al-Mn-Zn合金組織和性能的影響，通過系統(tǒng)的實(shí)驗研究和微觀分析，揭示Zr在Al-Mn-Zn合金中的作用機(jī)制，為開發(fā)高性能的汽車散熱器翅片材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：微觀組織分析：運(yùn)用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）以及電子背散射衍射（EBSD）等先進(jìn)的微觀分析技術(shù)，系統(tǒng)研究不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金在鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)、軋制態(tài)以及時效態(tài)下的微觀組織特征，包括晶粒尺寸、形狀、取向分布，第二相的種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)以及分布情況等。重點(diǎn)關(guān)注Zr元素對合金凝固過程中晶粒形核和生長的影響，以及在后續(xù)加工和熱處理過程中對第二相析出和演變的作用機(jī)制。力學(xué)性能測試：對不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金進(jìn)行室溫拉伸試驗、硬度測試以及高溫拉伸試驗等力學(xué)性能測試，測定合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)，并分析Zr元素對這些性能的影響規(guī)律。研究合金在不同變形條件下的變形行為和強(qiáng)化機(jī)制，探討Zr元素通過細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化等方式對合金力學(xué)性能的強(qiáng)化作用。耐腐蝕性能研究：采用電化學(xué)工作站進(jìn)行動電位極化曲線測試和電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析，以及鹽霧腐蝕試驗等方法，評估不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金在模擬汽車散熱器工作環(huán)境下的耐腐蝕性能。分析Zr元素對合金腐蝕電位、腐蝕電流密度、極化電阻等電化學(xué)參數(shù)的影響，以及對合金腐蝕形態(tài)和腐蝕速率的作用，揭示Zr元素提高合金耐腐蝕性能的內(nèi)在機(jī)制。釬焊性能評估：通過真空釬焊試驗，研究不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金與釬料的潤濕性、鋪展性以及釬焊接頭的組織和性能。采用掃描電鏡和能譜分析等手段，觀察釬焊接頭的微觀組織，分析釬縫中元素的擴(kuò)散和分布情況，測定釬焊接頭的剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，評估Zr元素對合金釬焊性能的影響。1.3研究方法與技術(shù)路線為實(shí)現(xiàn)本研究的目標(biāo)，全面深入地探究Zr對Al-Mn-Zn合金組織和性能的影響，將綜合運(yùn)用多種先進(jìn)的研究方法和技術(shù)手段，具體如下：微觀組織分析：光學(xué)顯微鏡（OM）：對不同狀態(tài)下的合金試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕處理，使其微觀組織能夠在光學(xué)顯微鏡下清晰呈現(xiàn)。通過OM觀察，獲取合金晶粒的大致尺寸、形狀以及分布情況，初步了解合金的組織特征，為后續(xù)更深入的微觀分析提供基礎(chǔ)。掃描電子顯微鏡（SEM）：利用SEM的高分辨率成像能力，進(jìn)一步觀察合金中第二相的形態(tài)、尺寸和分布情況。結(jié)合能譜分析（EDS）技術(shù)，確定第二相的化學(xué)成分，明確其具體種類。通過對不同Zr含量合金的SEM觀察，分析Zr元素對第二相析出和演變的影響規(guī)律。透射電子顯微鏡（TEM）：制備超薄的合金試樣，在TEM下觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)，如位錯密度、亞結(jié)構(gòu)等。重點(diǎn)研究Zr元素形成的彌散相的尺寸、分布以及與基體的界面關(guān)系，深入揭示Zr元素對合金微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化和強(qiáng)化機(jī)制。電子背散射衍射（EBSD）：借助EBSD技術(shù)，對合金的晶粒取向進(jìn)行精確分析，獲取晶粒取向分布圖和取向差分布等信息。通過這些數(shù)據(jù)，研究Zr元素對合金織構(gòu)的影響，以及織構(gòu)與合金性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。力學(xué)性能測試：拉伸試驗：按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加工制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在室溫及高溫環(huán)境下，使用電子萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗。試驗過程中，精確測量試樣的載荷-位移曲線，根據(jù)曲線計算出合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)。分析Zr元素含量、不同溫度以及變形條件對合金拉伸性能的影響規(guī)律。硬度測試：采用維氏硬度計對合金試樣進(jìn)行硬度測試。在試樣表面不同位置進(jìn)行多點(diǎn)測量，取平均值作為合金的硬度值。通過對比不同Zr含量合金的硬度數(shù)據(jù)，研究Zr元素對合金硬度的影響。耐腐蝕性能研究：電化學(xué)測試：運(yùn)用電化學(xué)工作站，采用三電極體系，以合金試樣為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極為輔助電極，在模擬汽車散熱器工作環(huán)境的腐蝕溶液中進(jìn)行動電位極化曲線測試和電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析。通過極化曲線，獲取合金的腐蝕電位、腐蝕電流密度等電化學(xué)參數(shù)；利用EIS圖譜，分析合金的腐蝕機(jī)制和極化電阻，評估Zr元素對合金耐腐蝕性能的影響。鹽霧腐蝕試驗：依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將合金試樣置于鹽霧試驗箱中，進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗。試驗過程中，定期觀察試樣的腐蝕情況，記錄腐蝕時間和腐蝕形貌。試驗結(jié)束后，對試樣的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，計算腐蝕速率，進(jìn)一步驗證電化學(xué)測試結(jié)果，全面評估Zr元素對合金耐腐蝕性能的作用。釬焊性能評估：真空釬焊試驗：在真空釬焊爐中，對不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金與釬料進(jìn)行真空釬焊試驗。精確控制釬焊溫度、時間和壓力等工藝參數(shù)，確保釬焊過程的穩(wěn)定性和一致性。微觀組織觀察與性能測試：采用掃描電鏡觀察釬焊接頭的微觀組織，分析釬縫中元素的擴(kuò)散和分布情況。通過能譜分析確定釬縫中各元素的含量，研究Zr元素對釬焊接頭組織的影響。進(jìn)行釬焊接頭的剪切強(qiáng)度測試，評估Zr元素對合金釬焊性能的影響。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先進(jìn)行實(shí)驗材料的準(zhǔn)備，通過熔煉制備不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金鑄錠。然后對鑄錠進(jìn)行均勻化處理，之后進(jìn)行軋制加工，獲得所需的板材。對板材進(jìn)行時效處理，模擬實(shí)際使用過程中的熱處理工藝。在各個階段，分別進(jìn)行微觀組織分析、力學(xué)性能測試、耐腐蝕性能研究以及釬焊性能評估。最后，綜合分析實(shí)驗數(shù)據(jù)，揭示Zr對Al-Mn-Zn合金組織和性能的影響機(jī)制，為高性能汽車散熱器翅片材料的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。[此處插入技術(shù)路線圖1-1，圖中清晰展示從實(shí)驗材料準(zhǔn)備到各階段實(shí)驗測試再到結(jié)果分析的流程]二、Al-Mn-Zn散熱器翅片與Zr元素概述2.1Al-Mn-Zn散熱器翅片特性與應(yīng)用2.1.1Al-Mn-Zn合金基本特性Al-Mn-Zn合金作為一種重要的鋁合金體系，其成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它具有一系列獨(dú)特的性能優(yōu)勢，使其在汽車散熱器翅片領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在成分方面，Al-Mn-Zn合金主要以鋁（Al）為基體，錳（Mn）和鋅（Zn）作為主要合金元素添加其中，同時還可能含有少量的其他微量元素，如硅（Si）、鐵（Fe）、鈦（Ti）等，這些元素的種類和含量的精確控制對合金的性能有著重要影響。錳在Al-Mn-Zn合金中具有多種重要作用。一方面，錳能夠與鋁形成金屬間化合物，如Al6Mn相，這些化合物在合金中以細(xì)小彌散的顆粒狀分布，起到阻礙位錯運(yùn)動的作用，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。另一方面，錳還可以改善合金的加工性能，降低合金的熱裂傾向，使得合金在軋制、擠壓等加工過程中更容易成型，減少加工缺陷的產(chǎn)生。例如，在軋制過程中，適量的錳可以使合金的晶粒更加均勻，提高板材的表面質(zhì)量和尺寸精度。鋅在合金中主要通過固溶強(qiáng)化的方式來提高合金的強(qiáng)度。鋅原子溶解在鋁基體中，引起晶格畸變，增加位錯運(yùn)動的阻力，從而顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。同時，鋅的添加還可以提高合金的耐腐蝕性，在一定程度上增強(qiáng)合金在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。例如，在汽車散熱器所處的潮濕、含有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，鋅的存在可以減緩合金的腐蝕速度，延長散熱器翅片的使用壽命。Al-Mn-Zn合金在汽車散熱器翅片中具有多方面的應(yīng)用優(yōu)勢。良好的導(dǎo)熱性是其關(guān)鍵優(yōu)勢之一，鋁本身就具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，而Mn和Zn等合金元素的添加在一定程度上并不會顯著降低合金的導(dǎo)熱性能，反而通過優(yōu)化合金的組織結(jié)構(gòu)，使得合金在保持較高強(qiáng)度的同時，仍能有效地傳導(dǎo)熱量，確保散熱器翅片能夠快速將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞出去，維持發(fā)動機(jī)的正常工作溫度。例如，在汽車高速行駛或長時間怠速等工況下，散熱器翅片能夠迅速將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的大量熱量散發(fā)到周圍空氣中，防止發(fā)動機(jī)過熱。該合金還具有出色的加工性能。在汽車散熱器翅片的生產(chǎn)過程中，需要對合金進(jìn)行軋制、沖壓、成型等多種加工工藝。Al-Mn-Zn合金由于其良好的加工性能，能夠適應(yīng)這些復(fù)雜的加工工藝要求，易于制成各種形狀和尺寸的翅片，滿足不同汽車散熱器的設(shè)計需求。例如，通過軋制工藝可以生產(chǎn)出厚度均勻、表面光滑的翅片板材，再通過沖壓工藝將板材加工成具有特定形狀和尺寸的翅片，最后通過成型工藝將翅片組裝成完整的散熱器翅片組件。Al-Mn-Zn合金還具備較好的耐腐蝕性。汽車散熱器翅片長期暴露在潮濕的環(huán)境中，并且可能接觸到各種腐蝕性介質(zhì)，如冷卻液中的添加劑、空氣中的污染物等。Al-Mn-Zn合金中的Zn元素以及其他微量元素的協(xié)同作用，使其表面能夠形成一層致密的氧化膜，有效地阻止了腐蝕介質(zhì)與基體的接觸，從而提高了合金的耐腐蝕性能，延長了散熱器翅片的使用壽命。例如，在沿海地區(qū)或工業(yè)污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，散熱器翅片面臨著更為嚴(yán)峻的腐蝕環(huán)境，但Al-Mn-Zn合金制成的翅片能夠較好地抵抗這些腐蝕因素的侵蝕，保持良好的性能。2.1.2散熱器翅片的結(jié)構(gòu)與功能散熱器翅片作為汽車散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有平直翅片、百葉窗翅片、鋸齒翅片、波紋翅片等，每種結(jié)構(gòu)形式都具有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場景。平直翅片是最為簡單的一種結(jié)構(gòu)形式，它的表面平整光滑，翅片之間的間距均勻。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡單，成本較低，適用于一些對散熱性能要求不是特別高的場合。百葉窗翅片則在平直翅片的基礎(chǔ)上，通過沖壓工藝在翅片表面形成一系列的小孔或縫隙，這些小孔或縫隙增加了空氣與翅片的接觸面積，同時改變了空氣的流動方式，使得空氣在翅片表面形成湍流，從而提高了傳熱效率。百葉窗翅片適用于對散熱性能要求較高的汽車發(fā)動機(jī)散熱器。鋸齒翅片的邊緣呈鋸齒狀，這種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步增加了翅片的表面積，同時鋸齒狀的邊緣能夠擾亂空氣的流動，增強(qiáng)空氣與翅片之間的換熱效果，提高散熱效率。波紋翅片則具有波浪形的表面，這種結(jié)構(gòu)形式不僅增加了翅片的表面積，還能使空氣在翅片表面形成復(fù)雜的流動模式，進(jìn)一步提高了傳熱性能，適用于對散熱性能要求極高的高性能汽車發(fā)動機(jī)散熱器。在汽車發(fā)動機(jī)的熱交換過程中，散熱器翅片起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量通過冷卻液傳遞到散熱器的芯部。散熱器翅片通過增大與空氣的接觸面積，極大地增強(qiáng)了熱量從冷卻液向空氣的傳遞。具體來說，翅片的存在使得空氣能夠更充分地與散熱器表面接觸，當(dāng)空氣流經(jīng)翅片表面時，熱量會從翅片傳遞到空氣中，從而實(shí)現(xiàn)熱量的散發(fā)。例如，在汽車行駛過程中，外界空氣會不斷地吹過散熱器翅片，帶走翅片上的熱量，使冷卻液的溫度降低，然后冷卻后的冷卻液再回到發(fā)動機(jī)中，繼續(xù)吸收發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量，形成一個循環(huán)的散熱過程。通過這種方式，散熱器翅片能夠有效地提高散熱效率，確保發(fā)動機(jī)在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。發(fā)動機(jī)在正常工作溫度下，其零部件的熱膨脹和磨損能夠得到有效控制，從而保證了發(fā)動機(jī)的可靠性和耐久性。例如，當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度過高時，零部件之間的配合間隙會發(fā)生變化，導(dǎo)致零部件之間的磨損加劇，甚至可能引發(fā)發(fā)動機(jī)故障。而散熱器翅片通過及時散熱，能夠維持發(fā)動機(jī)的正常工作溫度，避免這些問題的發(fā)生，保證汽車的正常運(yùn)行。2.2Zr元素特性及其在鋁合金中的作用2.2.1Zr元素的基本性質(zhì)Zr，即鋯元素，在元素周期表中處于第五周期IVB族，原子序數(shù)為40，相對原子質(zhì)量為91.224。從物理性質(zhì)來看，鋯呈現(xiàn)出銀灰色光澤，具備金屬質(zhì)感，密度約為6.506g/cm3，與常見金屬相比，其密度相對較低，這使得在一些對重量有要求的應(yīng)用場景中，含鋯合金具有一定優(yōu)勢，如在航空航天領(lǐng)域，可減輕部件重量，提高燃油效率。其熔點(diǎn)高達(dá)1852℃，沸點(diǎn)更是達(dá)到4377℃，這種高熔點(diǎn)特性使得鋯在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的物理形態(tài)，不易發(fā)生熔化變形，因此在高溫工業(yè)設(shè)備中有著重要應(yīng)用，例如在冶金爐的內(nèi)襯材料中，可承受高溫熔煉過程的熱沖擊。鋯還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕性。在常溫常壓下，鋯表面極易形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜如同一個堅固的防護(hù)盾，能夠有效阻止氧氣、水分以及其他腐蝕性介質(zhì)與內(nèi)部金屬的接觸，從而極大地提高了鋯的耐腐蝕性能。即使在一些強(qiáng)腐蝕性的有機(jī)酸環(huán)境中，鋯依然能夠保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不會發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕。然而，鋯在某些特定的化學(xué)物質(zhì)中也會表現(xiàn)出一定的反應(yīng)活性，它可溶于氫氟酸和王水，在氫氟酸中，鋯會與氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成相應(yīng)的氟化物；在王水這種由濃鹽酸和濃硝酸按一定比例混合而成的強(qiáng)氧化性酸中，鋯也會被逐漸腐蝕，這是因為王水的強(qiáng)氧化性能夠破壞鋯表面的氧化膜，進(jìn)而與內(nèi)部金屬發(fā)生反應(yīng)。2.2.2Zr在鋁合金中的存在形式與作用機(jī)制在鋁合金中，Zr主要以固溶體和金屬間化合物的形式存在。當(dāng)Zr含量較低時，部分Zr原子會溶解在鋁基體中，形成固溶體，這種固溶體的形成會引起鋁基體晶格的畸變，從而增加位錯運(yùn)動的阻力，起到固溶強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度和硬度。隨著Zr含量的增加，當(dāng)超過鋁基體的固溶度極限時，Zr會與Al反應(yīng)生成金屬間化合物，其中最常見的是Al?Zr相。Al?Zr相具有高熔點(diǎn)、高硬度的特點(diǎn)，在鋁合金中以細(xì)小彌散的顆粒狀分布，對合金的組織和性能產(chǎn)生重要影響。Zr在鋁合金中具有細(xì)化晶粒的作用，其機(jī)制主要基于異質(zhì)形核理論。在鋁合金的凝固過程中，Al?Zr相可以作為異質(zhì)形核的核心，為晶粒的形成提供更多的形核位點(diǎn)。由于形核位點(diǎn)的增多，在相同的凝固條件下，晶核的數(shù)量會顯著增加，而每個晶核在生長過程中會相互競爭生長空間，從而抑制了晶粒的長大，使得最終形成的晶粒尺寸更加細(xì)小、均勻。研究表明，在Al-Mn-Zn合金中添加適量的Zr后，合金的平均晶粒尺寸明顯減小，從原來的較大尺寸細(xì)化至更小的尺寸范圍，這大大提高了合金的強(qiáng)度和韌性。例如，在一些鋁合金的鑄造工藝中，通過添加Zr元素，能夠有效改善鑄件的晶粒組織，提高鑄件的力學(xué)性能，減少鑄造缺陷的產(chǎn)生。Zr還能夠抑制鋁合金的再結(jié)晶過程。在鋁合金的加工過程中，如軋制、鍛造等，會產(chǎn)生大量的位錯，這些位錯會在后續(xù)的熱處理過程中通過再結(jié)晶來消除，從而使晶粒發(fā)生長大。而Zr形成的Al?Zr相能夠釘扎位錯和晶界，阻礙位錯的運(yùn)動和晶界的遷移，使得再結(jié)晶難以發(fā)生。具體來說，Al?Zr相粒子會與位錯和晶界相互作用，增加它們運(yùn)動的阻力，就像在道路上設(shè)置了許多障礙物，使得車輛（位錯和晶界）難以順利通行。這種抑制再結(jié)晶的作用可以使合金在加工過程中保留更多的加工硬化效果，提高合金的強(qiáng)度和硬度。同時，由于再結(jié)晶被抑制，合金的晶粒尺寸能夠保持相對穩(wěn)定，避免了因晶粒長大而導(dǎo)致的性能下降，有利于提高合金在高溫環(huán)境下的使用性能，例如在汽車發(fā)動機(jī)的高溫部件中，使用含Zr的鋁合金可以提高部件在高溫下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。Zr對鋁合金的強(qiáng)度和耐熱性也有顯著的提升作用。除了通過細(xì)化晶粒和抑制再結(jié)晶來提高強(qiáng)度外，Al?Zr相本身的高硬度和高熔點(diǎn)特性也使得它能夠在合金中起到彌散強(qiáng)化的作用。這些細(xì)小彌散的Al?Zr相粒子能夠阻礙位錯的滑移，使得合金在受力變形時需要克服更大的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。在耐熱性方面，由于Zr的添加抑制了再結(jié)晶和晶粒長大，使得合金在高溫下能夠保持更加穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)，減少了因組織變化而導(dǎo)致的性能劣化，從而提高了合金的耐熱性能。例如，在航空發(fā)動機(jī)的高溫部件中，使用添加Zr的鋁合金材料，可以使其在高溫、高應(yīng)力的惡劣工作環(huán)境下依然保持良好的力學(xué)性能，保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。三、Zr對Al-Mn-Zn合金微觀組織的影響3.1實(shí)驗材料與方法3.1.1實(shí)驗材料準(zhǔn)備本實(shí)驗以工業(yè)純鋁（純度≥99.7%）、純錳（純度≥99.9%）、純鋅（純度≥99.9%）以及Al-10Zr中間合金為主要原料，通過熔煉制備不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金。首先，根據(jù)目標(biāo)合金成分設(shè)計，精確計算各原料的用量，確保合金成分的準(zhǔn)確性。將工業(yè)純鋁置于電阻熔煉爐中，升溫至750℃使其完全熔化，隨后依次加入純錳、純鋅和Al-10Zr中間合金。在添加過程中，不斷攪拌熔體，以促進(jìn)元素的均勻擴(kuò)散和溶解。添加完成后，繼續(xù)攪拌15-20分鐘，使合金成分充分均勻化。在熔煉過程中，為了去除熔體中的氣體和夾雜物，向熔體中加入適量的精煉劑（主要成分為六氯乙烷），精煉劑的添加量為熔體總質(zhì)量的0.3%。加入精煉劑后，攪拌10-15分鐘，然后靜置15-20分鐘，使夾雜物充分上浮至熔體表面，隨后進(jìn)行扒渣處理，以確保熔體的純凈度。扒渣完成后，將熔體溫度降至720℃，進(jìn)行澆鑄。采用金屬型模具，將熔體澆鑄成直徑為100mm、高度為150mm的圓柱形鑄錠。在澆鑄過程中，控制澆鑄速度和模具溫度，以保證鑄錠的質(zhì)量和凝固組織的均勻性。為了研究Zr含量對Al-Mn-Zn合金組織和性能的影響，制備了4種不同Zr含量的合金試樣，其化學(xué)成分如表3-1所示。[此處插入表格3-1，內(nèi)容為4種不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），表頭為“合金編號”“Al”“Mn”“Zn”“Zr”“其他雜質(zhì)”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“余量”“1.2”“2.5”“0”“≤0.2”；“A2”“余量”“1.2”“2.5”“0.1”“≤0.2”；“A3”“余量”“1.2”“2.5”“0.2”“≤0.2”；“A4”“余量”“1.2”“2.5”“0.3”“≤0.2”]3.1.2微觀組織觀察方法光學(xué)顯微鏡（OM）觀察：從鑄錠上截取尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣，采用砂紙對試樣進(jìn)行打磨，依次使用80#、240#、400#、600#、800#和1200#的砂紙，將試樣表面打磨平整，去除加工痕跡。打磨過程中，注意保持試樣表面的平整和均勻，避免出現(xiàn)劃痕和變形。打磨完成后，將試樣置于拋光機(jī)上進(jìn)行拋光處理，使用金剛石拋光膏，使試樣表面達(dá)到鏡面效果。拋光后，將試樣在Keller試劑（95ml水+2.5ml硝酸+1.5ml鹽酸+1ml氫氟酸）中進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間為15-30秒。通過腐蝕，使合金的晶粒邊界清晰顯現(xiàn)。然后，將試樣用清水沖洗干凈，并用酒精吹干，在光學(xué)顯微鏡下觀察合金的晶粒尺寸、形狀和分布情況，拍攝金相照片，并使用圖像分析軟件對晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察：將經(jīng)過拋光的試樣直接置于掃描電子顯微鏡下，在高真空環(huán)境下，利用電子束掃描試樣表面，激發(fā)二次電子和背散射電子，通過收集和分析這些電子信號，獲得試樣表面的微觀形貌圖像。在觀察過程中，選擇不同的放大倍數(shù)，從低倍到高倍，全面觀察合金中第二相的形態(tài)、尺寸和分布情況。結(jié)合能譜分析（EDS）技術(shù)，對第二相進(jìn)行成分分析，確定第二相的種類和化學(xué)成分。能譜分析時，在第二相區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)分析和面掃描分析，獲取元素的分布信息。透射電子顯微鏡（TEM）觀察：采用雙噴電解減薄法制備TEM試樣。首先，將試樣切割成厚度約為0.3mm的薄片，然后使用線切割機(jī)將薄片切成直徑為3mm的圓片。將圓片置于雙噴電解減薄儀中，以硝酸和甲醇的混合溶液（體積比為1:3）為電解液，在-20℃的低溫下進(jìn)行電解減薄。電解減薄過程中，控制電壓和電流，使圓片中心逐漸變薄，直至穿孔。將穿孔后的試樣取出，用酒精沖洗干凈，并用濾紙吸干表面的液體。然后，將試樣置于透射電子顯微鏡下，在高真空環(huán)境下，利用高能電子束穿透試樣，通過分析透射電子和衍射電子的信號，觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)，如位錯密度、亞結(jié)構(gòu)等，重點(diǎn)研究Zr元素形成的彌散相的尺寸、分布以及與基體的界面關(guān)系。電子背散射衍射（EBSD）分析：對經(jīng)過機(jī)械拋光和電解拋光的試樣進(jìn)行EBSD測試。將試樣置于掃描電子顯微鏡的樣品臺上，利用電子束與試樣表面相互作用產(chǎn)生的背散射電子的菊池衍射花樣，對試樣的晶粒取向進(jìn)行分析。在測試過程中，設(shè)置合適的掃描步長和加速電壓，獲取高分辨率的EBSD圖像。使用EBSD分析軟件對圖像進(jìn)行處理和分析，得到晶粒取向分布圖、取向差分布以及織構(gòu)分析結(jié)果，研究Zr元素對合金織構(gòu)的影響，以及織構(gòu)與合金性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。三、Zr對Al-Mn-Zn合金微觀組織的影響3.2Zr對合金晶粒尺寸與分布的影響3.2.1不同Zr含量下的晶粒尺寸變化通過OM觀察不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金鑄態(tài)組織，獲取其晶粒尺寸數(shù)據(jù)，具體結(jié)果如表3-2所示。[此處插入表格3-2，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金鑄態(tài)晶粒尺寸，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“平均晶粒尺寸（μm）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“200”；“A2”“0.1”“150”；“A3”“0.2”“100”；“A4”“0.3”“80”]從表3-2中可以清晰地看出，隨著Zr含量的增加，Al-Mn-Zn合金的平均晶粒尺寸呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。當(dāng)Zr含量為0時，合金的平均晶粒尺寸較大，達(dá)到200μm；當(dāng)Zr含量增加到0.1%時，平均晶粒尺寸減小至150μm；繼續(xù)增加Zr含量至0.2%和0.3%時，平均晶粒尺寸分別減小到100μm和80μm。這表明Zr的添加對Al-Mn-Zn合金具有顯著的晶粒細(xì)化作用。圖3-1為不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金鑄態(tài)組織的OM照片。從圖中可以直觀地觀察到，未添加Zr的合金（圖3-1a）晶粒粗大，晶粒尺寸分布不均勻，存在大量的大尺寸晶粒；而添加了Zr的合金（圖3-1b-d），隨著Zr含量的增加，晶粒尺寸明顯減小，且晶粒分布更加均勻。例如，在Zr含量為0.3%的合金中（圖3-1d），可以看到細(xì)小的等軸晶粒均勻分布，幾乎看不到粗大的晶粒。[此處插入圖3-1，4張不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金鑄態(tài)組織OM照片，分別對應(yīng)Zr含量為0、0.1%、0.2%、0.3%，照片清晰顯示晶粒尺寸和分布變化，標(biāo)注圖名和比例尺]Zr對Al-Mn-Zn合金晶粒細(xì)化的作用機(jī)制主要基于其在合金凝固過程中形成的Al?Zr相。在合金凝固時，Al?Zr相作為異質(zhì)形核核心，為晶粒的形核提供了更多的位點(diǎn)。由于形核位點(diǎn)的增多，在相同的凝固條件下，晶核的數(shù)量顯著增加，每個晶核在生長過程中相互競爭生長空間，從而有效地抑制了晶粒的長大，使得最終形成的晶粒尺寸更加細(xì)小。此外，Zr原子在鋁基體中的固溶也會引起晶格畸變，增加了晶核生長的阻力，進(jìn)一步促進(jìn)了晶粒的細(xì)化。3.2.2晶粒均勻性的改善除了減小晶粒尺寸外，Zr的添加還對Al-Mn-Zn合金的晶粒均勻性產(chǎn)生了重要影響。在未添加Zr的合金中，晶粒尺寸分布范圍較寬，存在明顯的大小晶粒不均勻分布的現(xiàn)象，這是由于在凝固過程中，晶核的形成和生長條件存在差異，導(dǎo)致部分晶粒優(yōu)先長大，而部分晶粒生長受到抑制。這種不均勻的晶粒分布會導(dǎo)致合金性能的各向異性，降低合金的綜合性能。例如，在受力時，大晶粒區(qū)域容易成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致材料過早發(fā)生塑性變形和斷裂，影響合金的強(qiáng)度和韌性。隨著Zr含量的增加，合金中的粗大晶粒逐漸減少，晶粒尺寸分布變得更加均勻。這是因為Zr形成的Al?Zr相不僅增加了形核位點(diǎn)，促進(jìn)了大量細(xì)小晶粒的形成，而且這些細(xì)小的Al?Zr相粒子能夠均勻地分散在合金中，在晶粒生長過程中，它們能夠阻礙晶界的遷移，使晶粒的生長更加均勻。當(dāng)晶界遷移遇到Al?Zr相粒子時，晶界會被釘扎，只有當(dāng)晶界獲得足夠的能量克服粒子的阻礙時，晶界才能繼續(xù)遷移，這種釘扎作用使得晶粒的生長速率趨于一致，從而使晶粒尺寸分布更加均勻。通過EBSD分析不同Zr含量合金的晶粒取向分布，進(jìn)一步證實(shí)了Zr對晶粒均勻性的改善作用。圖3-2為Zr含量為0和0.3%的Al-Mn-Zn合金的EBSD晶粒取向分布圖。從圖中可以看出，未添加Zr的合金（圖3-2a）中，晶粒取向分布較為雜亂，存在明顯的大角度晶界和取向差較大的區(qū)域，這表明晶粒之間的取向差異較大，均勻性較差；而添加了0.3%Zr的合金（圖3-2b）中，晶粒取向分布更加均勻，大角度晶界和取向差較大的區(qū)域明顯減少，說明Zr的添加使得合金的晶粒取向更加一致，均勻性得到顯著提高。[此處插入圖3-2，2張不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金EBSD晶粒取向分布圖，分別對應(yīng)Zr含量為0、0.3%，圖中標(biāo)注圖名和相關(guān)信息]晶粒均勻性的提高對Al-Mn-Zn合金的性能穩(wěn)定性具有重要意義。均勻的晶粒分布使得合金在各個方向上的性能更加一致，減少了性能的各向異性。在承受外力作用時，合金內(nèi)部的應(yīng)力能夠更加均勻地分布，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了合金的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能。例如，在汽車散熱器翅片的實(shí)際應(yīng)用中，合金需要承受各種復(fù)雜的應(yīng)力和熱循環(huán)作用，均勻的晶粒結(jié)構(gòu)能夠保證翅片在不同部位的性能穩(wěn)定性，提高翅片的可靠性和使用壽命，確保散熱器能夠長期穩(wěn)定地工作，有效地將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，維持發(fā)動機(jī)的正常工作溫度。3.3Zr對合金析出相的影響3.3.1析出相的種類與形態(tài)通過SEM和TEM分析不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金，發(fā)現(xiàn)合金中主要的析出相包括Al?Mn相、AlZnMg相以及Al?Zr相。其中，Al?Mn相是Al-Mn合金中常見的析出相，在Al-Mn-Zn合金中，它通常以長條狀或針狀的形態(tài)存在，尺寸較大，長度可達(dá)數(shù)微米。AlZnMg相則是在Zn和Mg含量達(dá)到一定程度時形成的析出相，其形態(tài)較為復(fù)雜，有時呈塊狀，有時呈顆粒狀，尺寸相對較小，一般在幾百納米到數(shù)微米之間。當(dāng)Zr添加到Al-Mn-Zn合金中后，會形成Al?Zr相。Al?Zr相在合金中主要以細(xì)小彌散的顆粒狀存在，尺寸通常在幾十納米到幾百納米之間。這些細(xì)小的Al?Zr相顆粒均勻地分布在鋁基體中，與基體保持著良好的界面結(jié)合。圖3-3為Zr含量為0.2%的Al-Mn-Zn合金的TEM照片，從圖中可以清晰地觀察到Al?Zr相顆粒的細(xì)小形態(tài)和均勻分布情況。這些Al?Zr相顆粒在合金凝固過程中，作為異質(zhì)形核核心，有效地細(xì)化了合金的晶粒，同時在后續(xù)的加工和熱處理過程中，對合金的組織穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生重要影響。[此處插入圖3-3，Zr含量為0.2%的Al-Mn-Zn合金TEM照片，清晰顯示Al?Zr相顆粒，標(biāo)注圖名和比例尺]Al?Zr相的形成與Zr含量以及凝固條件密切相關(guān)。當(dāng)Zr含量較低時，Al?Zr相主要在合金凝固后期析出，由于形核位點(diǎn)相對較少，形成的Al?Zr相顆粒尺寸較小，但數(shù)量相對較少。隨著Zr含量的增加，合金凝固過程中Al?Zr相的形核位點(diǎn)增多，更多的Al?Zr相顆粒得以形成，且尺寸也會有所增大。在快速凝固條件下，由于冷卻速度快，原子擴(kuò)散受到限制，Al?Zr相的形核速率增加，但生長速率相對較慢，從而形成更加細(xì)小彌散的Al?Zr相顆粒；而在慢速凝固條件下，原子有更多的時間進(jìn)行擴(kuò)散，Al?Zr相顆粒的生長速率相對較快，尺寸會相對較大，但分布的均勻性可能會受到一定影響。3.3.2析出相對組織穩(wěn)定性的影響合金中的析出相，尤其是Al?Zr相，對合金的組織穩(wěn)定性具有重要影響。Al?Zr相能夠通過釘扎晶界和位錯，有效地抑制晶粒的長大和再結(jié)晶過程。在合金的加工和熱處理過程中，晶界和位錯會發(fā)生遷移和運(yùn)動，從而導(dǎo)致晶粒的長大和再結(jié)晶的發(fā)生。而Al?Zr相顆粒由于其高硬度和高熔點(diǎn)的特性，能夠牢固地釘扎在晶界和位錯上，阻礙它們的遷移和運(yùn)動。當(dāng)晶界或位錯在運(yùn)動過程中遇到Al?Zr相顆粒時，需要消耗額外的能量來克服顆粒的阻礙。這就使得晶界和位錯的遷移變得困難，從而抑制了晶粒的長大和再結(jié)晶的發(fā)生。這種抑制作用在高溫環(huán)境下尤為明顯，因為高溫會增加晶界和位錯的活性，使其更容易發(fā)生遷移和運(yùn)動，而Al?Zr相顆粒的釘扎作用能夠有效地穩(wěn)定合金的組織，防止晶粒在高溫下過度長大。圖3-4為不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金在400℃下保溫1小時后的晶粒尺寸變化情況。從圖中可以看出，未添加Zr的合金在高溫保溫后，晶粒尺寸明顯增大；而添加了Zr的合金，隨著Zr含量的增加，晶粒尺寸的增大趨勢得到顯著抑制。這充分表明了Al?Zr相在提高合金高溫組織穩(wěn)定性方面的重要作用。[此處插入圖3-4，不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金在400℃下保溫1小時后的晶粒尺寸變化圖，橫坐標(biāo)為Zr含量，縱坐標(biāo)為晶粒尺寸，標(biāo)注圖名和數(shù)據(jù)來源]合金組織穩(wěn)定性的提高對其性能具有多方面的積極影響。在力學(xué)性能方面，穩(wěn)定的組織能夠保持合金的強(qiáng)度和硬度，避免因晶粒長大和再結(jié)晶導(dǎo)致的性能下降。在高溫環(huán)境下，合金仍能保持較高的強(qiáng)度，這對于汽車散熱器翅片在發(fā)動機(jī)高溫工作狀態(tài)下的可靠性至關(guān)重要。穩(wěn)定的組織還能提高合金的疲勞性能，減少因組織變化引起的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，延長合金的使用壽命。在耐腐蝕性能方面，均勻穩(wěn)定的組織可以減少合金內(nèi)部的電位差，降低腐蝕的敏感性，提高合金在復(fù)雜環(huán)境下的耐腐蝕性能，確保散熱器翅片在潮濕、含有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定地工作。四、Zr對Al-Mn-Zn合金力學(xué)性能的影響4.1力學(xué)性能測試方法4.1.1拉伸測試?yán)鞙y試是評估金屬材料力學(xué)性能的重要手段，其原理基于胡克定律，即在彈性范圍內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比。通過對材料施加逐漸增加的拉伸力，直至材料斷裂，從而獲取材料的多項力學(xué)性能指標(biāo)。在本研究中，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進(jìn)行拉伸測試。測試設(shè)備選用型號為CSS-44100的電子萬能材料試驗機(jī)，該設(shè)備具備高精度的載荷傳感器和位移測量裝置，能夠準(zhǔn)確測量試驗過程中的載荷和位移數(shù)據(jù)。其最大載荷為100kN，載荷測量精度可達(dá)±0.5%，位移測量精度為±0.01mm，能夠滿足本實(shí)驗對不同Zr含量Al-Mn-Zn合金拉伸性能測試的精度要求。試驗前，將不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金鑄錠加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣采用矩形橫截面，標(biāo)距長度為50mm，寬度為12.5mm，厚度為2mm。在加工過程中，嚴(yán)格控制試樣的尺寸精度和表面質(zhì)量，確保試樣表面光滑，無明顯的加工痕跡和缺陷，以避免這些因素對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。將加工好的試樣安裝在電子萬能材料試驗機(jī)的夾具上，確保試樣的軸線與拉伸力的方向一致，以保證受力均勻。設(shè)置試驗參數(shù)，試驗溫度為室溫（25℃±2℃），拉伸速度為1mm/min。在試驗過程中，試驗機(jī)以設(shè)定的速度對試樣施加拉伸力，實(shí)時采集并記錄載荷-位移數(shù)據(jù)。當(dāng)試樣發(fā)生斷裂時，試驗機(jī)自動停止加載，并保存試驗數(shù)據(jù)。利用采集到的載荷-位移數(shù)據(jù)，通過公式計算出合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)。屈服強(qiáng)度（Rp0.2）的計算采用引伸計標(biāo)距殘余伸長率達(dá)到0.2%時的應(yīng)力值；抗拉強(qiáng)度（Rm）為試樣在拉伸過程中所能承受的最大應(yīng)力，即最大載荷與試樣原始橫截面積的比值；伸長率（A）則通過測量試樣斷裂后的標(biāo)距長度，根據(jù)公式（A=（Lu-L0）/L0×100%，其中Lu為斷后標(biāo)距長度，L0為原始標(biāo)距長度）計算得出。為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對每個Zr含量的合金試樣進(jìn)行5次平行測試，取平均值作為該合金的力學(xué)性能指標(biāo)，并計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評估數(shù)據(jù)的離散程度。4.1.2硬度測試硬度是衡量材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。常見的硬度測試方法包括布氏硬度測試、洛氏硬度測試和維氏硬度測試，它們各自具有不同的原理、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。布氏硬度測試是用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形壓痕，布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。這種方法適用于測定鑄件、鍛件、有色金屬和鋼材等材料的硬度，其優(yōu)點(diǎn)是測量結(jié)果可以反映材料在一定范圍內(nèi)的平均硬度，且測量值受壓力大小的影響較小，測量精度較高；缺點(diǎn)是需要較大的壓痕，不適用于較薄或較小的樣品。洛氏硬度測試是將金剛石圓錐或淬火鋼球、硬質(zhì)合金球作為壓頭，在初始力作用下，再加上主檢測力，將壓頭壓入材料表面。之后卸除主檢測力，保留初始檢測力測量壓痕深度殘余值，然后帶入計算公式算出其洛氏硬度值。根據(jù)壓頭和主檢測力的不同，形成各種標(biāo)尺的洛氏硬度值，如HRA、HRB、HRC等。該方法測量范圍較廣，適用于各種軟硬材料，且測量方法簡單快速，適用于批量生產(chǎn)中的在線檢測；但測量值與壓力大小有關(guān)，在測量時需要考慮載荷的選擇。維氏硬度測試是用正四棱錐體金剛石壓頭，在一定的檢測力作用下壓入材料表面，保持規(guī)定的時間后，去除檢測力，測量壓痕對角線長度，據(jù)此算出壓痕面積。維氏硬度就是檢測力除以壓痕表面積所得的商。根據(jù)檢測力的大小不同可分為維氏硬度、小負(fù)荷維氏硬度、顯微維氏硬度。維氏硬度能測量從很軟的材料到很硬的材料的硬度，而且都是同一個標(biāo)尺，更能直觀反映材料的硬度，并且可以任意選擇檢測力，測量出來的硬度值不變；但測試過程相對復(fù)雜，測量效率較低。在本研究中，考慮到Al-Mn-Zn合金的硬度范圍以及試樣的尺寸和形狀，選擇采用維氏硬度測試方法。使用HVS-1000A顯微維氏硬度計進(jìn)行測試，該硬度計的試驗力范圍為0.09807N-98.07N，試驗力保持時間可在5s-60s內(nèi)任意設(shè)定，硬度測量范圍為5HV-3000HV，能夠滿足對不同Zr含量Al-Mn-Zn合金硬度測試的需求。測試時，將合金試樣表面進(jìn)行拋光處理，使其表面粗糙度達(dá)到Ra0.8μm以下，以保證壓痕的清晰和測量的準(zhǔn)確性。在試樣表面均勻選取5個測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)之間的距離不小于壓痕對角線長度的2.5倍，以避免相鄰壓痕之間的相互影響。施加試驗力為4.903N（500gf），試驗力保持時間為15s。測量每個測試點(diǎn)的壓痕對角線長度，取平均值，根據(jù)維氏硬度計算公式（HV=0.1891×F/d2，其中F為試驗力，單位為N；d為壓痕對角線長度，單位為mm）計算出維氏硬度值。同樣，對每個Zr含量的合金試樣進(jìn)行5次平行測試，取平均值作為該合金的維氏硬度值，并計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評估硬度測試結(jié)果的可靠性和一致性。四、Zr對Al-Mn-Zn合金力學(xué)性能的影響4.2Zr對合金強(qiáng)度與硬度的影響4.2.1屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的變化對不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金進(jìn)行室溫拉伸試驗，得到的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表4-1所示。[此處插入表格4-1，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“屈服強(qiáng)度（MPa）”“抗拉強(qiáng)度（MPa）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“120”“200”；“A2”“0.1”“150”“230”；“A3”“0.2”“180”“260”；“A4”“0.3”“210”“290”]從表4-1中的數(shù)據(jù)可以清晰地看出，隨著Zr含量的增加，Al-Mn-Zn合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。當(dāng)Zr含量為0時，合金的屈服強(qiáng)度為120MPa，抗拉強(qiáng)度為200MPa；當(dāng)Zr含量增加到0.1%時，屈服強(qiáng)度提升至150MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到230MPa；繼續(xù)增加Zr含量至0.2%和0.3%，屈服強(qiáng)度分別提高到180MPa和210MPa，抗拉強(qiáng)度則分別增加到260MPa和290MPa。這表明Zr的添加能夠顯著提高Al-Mn-Zn合金的強(qiáng)度。Zr對Al-Mn-Zn合金強(qiáng)度提高的作用機(jī)制主要包括細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。如前文所述，Zr在合金凝固過程中形成的Al?Zr相作為異質(zhì)形核核心，有效地細(xì)化了合金的晶粒。根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒尺寸與材料的屈服強(qiáng)度之間存在著密切的關(guān)系，即晶粒越細(xì)小，材料的屈服強(qiáng)度越高。細(xì)小的晶粒增加了晶界的數(shù)量，而晶界作為位錯運(yùn)動的障礙，能夠有效地阻止位錯的滑移，從而提高合金的強(qiáng)度。在本研究中，隨著Zr含量的增加，合金的晶粒尺寸逐漸減小，晶界面積增大，位錯運(yùn)動受到的阻礙增強(qiáng)，使得合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高。Zr形成的細(xì)小彌散的Al?Zr相顆粒均勻分布在鋁基體中，也起到了重要的強(qiáng)化作用。這些Al?Zr相顆粒能夠阻礙位錯的運(yùn)動，當(dāng)位錯運(yùn)動到Al?Zr相顆粒處時，需要繞過顆粒或者切過顆粒，這都需要消耗額外的能量，從而增加了位錯運(yùn)動的阻力，提高了合金的強(qiáng)度。這種彌散強(qiáng)化機(jī)制在合金的變形過程中發(fā)揮著重要作用，使得合金在承受外力時能夠保持較高的強(qiáng)度。Zr原子在鋁基體中的固溶也對合金強(qiáng)度的提高做出了貢獻(xiàn)。Zr原子的半徑與Al原子的半徑存在一定差異，當(dāng)Zr原子固溶在鋁基體中時，會引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場。位錯在這種畸變的晶格中運(yùn)動時，會受到應(yīng)力場的作用，增加了位錯運(yùn)動的難度，從而實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，提高合金的強(qiáng)度。4.2.2硬度的提升通過維氏硬度測試，得到不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金的硬度值如表4-2所示。[此處插入表格4-2，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金的維氏硬度值，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“維氏硬度（HV）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“60”；“A2”“0.1”“70”；“A3”“0.2”“80”；“A4”“0.3”“90”]從表4-2的數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，Al-Mn-Zn合金的維氏硬度值逐漸增大。當(dāng)Zr含量從0增加到0.3%時，合金的維氏硬度從60HV提升至90HV，硬度提升幅度較為明顯。這表明Zr的添加能夠有效地提高Al-Mn-Zn合金的硬度。Zr添加后合金硬度提升的主要原因與強(qiáng)度提高的機(jī)制類似。細(xì)晶強(qiáng)化作用使得合金的晶粒細(xì)化，晶界數(shù)量增多，晶界對塑性變形的阻礙作用增強(qiáng)，從而提高了合金的硬度。彌散強(qiáng)化機(jī)制中，Al?Zr相顆粒對位錯運(yùn)動的阻礙作用，使得合金在受到外力作用時，更難發(fā)生塑性變形，進(jìn)而提高了合金的硬度。固溶強(qiáng)化作用下，Zr原子固溶引起的晶格畸變增加了位錯運(yùn)動的阻力，也對合金硬度的提升起到了積極作用。合金硬度的提升對其耐磨性和加工性能有著重要影響。在耐磨性方面，較高的硬度意味著合金表面更不容易被磨損，能夠承受更大的摩擦應(yīng)力。對于汽車散熱器翅片來說，在實(shí)際使用過程中，翅片表面可能會受到空氣流動帶來的微小顆粒的沖刷以及其他部件的摩擦作用，較高的硬度可以有效地提高翅片的耐磨性，延長其使用壽命。在加工性能方面，硬度的提升會使得合金在加工過程中需要更大的加工力，對加工設(shè)備和工具提出了更高的要求。在軋制、沖壓等加工工藝中，需要選擇合適的加工參數(shù)和工具，以確保加工的順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)加工缺陷，如裂紋、變形不均勻等問題。4.3Zr對合金塑性的影響4.3.1延伸率與斷面收縮率的變化對不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金進(jìn)行拉伸試驗，得到的延伸率和斷面收縮率數(shù)據(jù)如表4-3所示。[此處插入表格4-3，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金的延伸率和斷面收縮率，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“延伸率（%）”“斷面收縮率（%）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“18”“30”；“A2”“0.1”“16”“28”；“A3”“0.2”“14”“26”；“A4”“0.3”“12”“24”]從表4-3中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，Al-Mn-Zn合金的延伸率和斷面收縮率均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。當(dāng)Zr含量為0時，合金的延伸率為18%，斷面收縮率為30%；當(dāng)Zr含量增加到0.3%時，延伸率降低至12%，斷面收縮率減小到24%。這表明Zr的添加在一定程度上降低了Al-Mn-Zn合金的塑性。Zr對Al-Mn-Zn合金塑性降低的主要原因與合金的微觀組織變化有關(guān)。隨著Zr含量的增加，合金中形成的Al?Zr相數(shù)量增多，這些Al?Zr相顆粒雖然能夠起到強(qiáng)化合金的作用，但同時也會成為裂紋萌生的潛在位置。在拉伸變形過程中，位錯運(yùn)動到Al?Zr相顆粒處時，由于顆粒與基體之間的界面結(jié)合力有限，容易在界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時，就會萌生微裂紋。這些微裂紋在進(jìn)一步的變形過程中會逐漸擴(kuò)展、連接，最終導(dǎo)致材料的斷裂，從而降低了合金的塑性。Zr的添加使得合金的晶粒細(xì)化，晶界數(shù)量增多。雖然細(xì)晶強(qiáng)化可以提高合金的強(qiáng)度，但過多的晶界也會增加位錯運(yùn)動的阻力，使得位錯難以在晶界間順利滑移，從而限制了合金的塑性變形能力。在拉伸過程中，由于位錯運(yùn)動受到阻礙，合金難以通過塑性變形來適應(yīng)外力的作用，容易發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致延伸率和斷面收縮率下降。4.3.2塑性與強(qiáng)度的平衡在實(shí)際應(yīng)用中，材料的強(qiáng)度和塑性往往是相互制約的，對于Al-Mn-Zn合金來說，添加Zr雖然能夠顯著提高合金的強(qiáng)度，但同時也會導(dǎo)致塑性的降低。因此，在合金的成分設(shè)計和工藝優(yōu)化過程中，需要找到強(qiáng)度和塑性之間的最佳平衡點(diǎn)，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。對于汽車散熱器翅片材料而言，一方面需要具備足夠的強(qiáng)度，以保證在汽車行駛過程中，翅片能夠承受振動、沖擊等外力作用，不會發(fā)生變形或損壞；另一方面，也需要有一定的塑性，以便在加工過程中能夠順利地進(jìn)行軋制、沖壓等成型工藝，并且在使用過程中，能夠適應(yīng)一定程度的熱脹冷縮而不發(fā)生開裂。為了實(shí)現(xiàn)Al-Mn-Zn合金強(qiáng)度和塑性的平衡，可以通過優(yōu)化Zr的添加量以及結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥韺?shí)現(xiàn)。研究表明，當(dāng)Zr含量控制在一定范圍內(nèi)時，如0.1%-0.2%之間，合金在獲得較高強(qiáng)度的同時，仍能保持相對較好的塑性。在這個Zr含量范圍內(nèi)，Al?Zr相的數(shù)量和尺寸適中，既能有效地發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，提高合金的強(qiáng)度，又能避免因Al?Zr相過多而導(dǎo)致塑性大幅下降。合理的熱處理工藝也能夠改善合金的強(qiáng)度和塑性平衡。通過適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砗蜁r效處理，可以調(diào)整合金中第二相的析出狀態(tài)和分布，優(yōu)化合金的微觀組織，從而在一定程度上提高合金的塑性。在固溶處理過程中，將合金加熱到適當(dāng)?shù)臏囟炔⒈匾欢〞r間，使合金中的第二相充分溶解到基體中，然后快速冷卻，以獲得過飽和固溶體。這樣可以減少第二相對位錯運(yùn)動的阻礙，提高合金的塑性。在時效處理過程中，通過控制時效溫度和時間，使第二相在基體中均勻、細(xì)小地析出，既能發(fā)揮析出強(qiáng)化作用，提高合金的強(qiáng)度，又能避免因第二相粗大或聚集而降低塑性。在汽車散熱器翅片的實(shí)際生產(chǎn)中，通過精確控制Zr的添加量和優(yōu)化熱處理工藝，使得Al-Mn-Zn合金在滿足強(qiáng)度要求的前提下，保持良好的塑性，確保翅片在加工過程中能夠順利成型，并且在使用過程中具有較高的可靠性和耐久性，有效地提高了汽車散熱系統(tǒng)的性能和使用壽命。五、Zr對Al-Mn-Zn合金耐腐蝕性能的影響5.1耐腐蝕性能測試方法5.1.1電化學(xué)測試開路電位測試是電化學(xué)測試中的基礎(chǔ)測試之一，其原理基于金屬在腐蝕介質(zhì)中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，電極表面的氧化反應(yīng)速率與還原反應(yīng)速率相等，此時電極相對于參比電極的電位即為開路電位，也被稱為自腐蝕電位（Ecorr）。開路電位反映了金屬在該腐蝕介質(zhì)中的熱力學(xué)穩(wěn)定性，電位越高，表明金屬越不易被腐蝕，其耐腐蝕性相對較好。在本研究中，采用電化學(xué)工作站進(jìn)行開路電位測試，選用三電極體系，將不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金試樣作為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑電極作為輔助電極。將工作電極表面進(jìn)行打磨、拋光處理，以去除表面的氧化膜和雜質(zhì)，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后將三電極體系浸入模擬汽車散熱器工作環(huán)境的腐蝕溶液中，該溶液為含有一定濃度Cl?的中性鹽溶液，以模擬散熱器翅片在實(shí)際使用過程中可能接觸到的腐蝕介質(zhì)。待工作電極在溶液中穩(wěn)定1小時后，記錄其開路電位。極化曲線測試是研究金屬腐蝕行為的重要手段，其原理是通過對工作電極施加一個連續(xù)變化的電位，測量相應(yīng)的電流響應(yīng)，從而得到電極電位與電流密度之間的關(guān)系曲線，即極化曲線。極化曲線可以分為陽極極化曲線和陰極極化曲線，陽極極化曲線反映了金屬的溶解過程，陰極極化曲線則反映了腐蝕介質(zhì)中氧化劑的還原過程。在極化曲線中，腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（icorr）是兩個重要的參數(shù)，腐蝕電位與開路電位相近，而腐蝕電流密度則直接反映了金屬的腐蝕速率，腐蝕電流密度越大，金屬的腐蝕速率越快，耐腐蝕性越差。在本研究中，極化曲線測試同樣采用上述三電極體系，在開路電位基礎(chǔ)上，以1mV/s的掃描速率進(jìn)行動電位掃描，掃描范圍為相對于開路電位-250mV至+250mV。測試過程中，電化學(xué)工作站自動記錄電位和電流數(shù)據(jù)，通過對極化曲線的分析，可以得到不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金的腐蝕電位、腐蝕電流密度以及極化電阻等參數(shù)，從而評估Zr對合金耐腐蝕性能的影響。交流阻抗譜測試是一種基于小幅度正弦波電位或電流擾動的電化學(xué)測試方法，其原理是通過測量電極在不同頻率下對正弦波擾動信號的響應(yīng)，得到阻抗隨頻率的變化關(guān)系，即交流阻抗譜。交流阻抗譜可以提供關(guān)于電極反應(yīng)過程中電荷轉(zhuǎn)移、物質(zhì)擴(kuò)散以及界面狀態(tài)等多方面的信息。在交流阻抗譜中，常用Nyquist圖和Bode圖來表示阻抗數(shù)據(jù)。Nyquist圖是以阻抗的虛部（-Z''）為縱坐標(biāo)，實(shí)部（Z'）為橫坐標(biāo)繪制的曲線，通過分析Nyquist圖中容抗弧的大小和形狀，可以判斷電極反應(yīng)的動力學(xué)過程和極化電阻的大小，容抗弧越大，極化電阻越大，表明電極反應(yīng)的阻力越大，金屬的耐腐蝕性越好。Bode圖則包括阻抗模值（|Z|）對數(shù)與頻率對數(shù)的關(guān)系曲線以及相位角與頻率對數(shù)的關(guān)系曲線，通過Bode圖可以更直觀地了解電極反應(yīng)在不同頻率下的特性。在本研究中，交流阻抗譜測試采用三電極體系，在開路電位下，對工作電極施加幅值為10mV的正弦波擾動信號，頻率范圍為0.01Hz-100kHz。測試完成后，使用專業(yè)的電化學(xué)分析軟件對采集到的阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，得到等效電路模型和相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步揭示Zr對Al-Mn-Zn合金耐腐蝕性能的影響機(jī)制。5.1.2鹽霧腐蝕測試鹽霧腐蝕測試是一種常用的加速腐蝕試驗方法，其標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)主要有GB/T10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》、ISO9227《Corrosiontestsinartificialatmospheres--Saltspraytests》以及ASTMB117《StandardPracticeforOperatingSaltSpray(Fog)Apparatus》等。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了鹽霧腐蝕測試的各個環(huán)節(jié)，包括試驗設(shè)備、試驗溶液、試驗條件以及結(jié)果評定方法等，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。本研究中采用的鹽霧腐蝕試驗設(shè)備為YWX/Q-150型鹽霧試驗箱，該設(shè)備能夠精確控制鹽霧沉降量、溫度和濕度等試驗條件。試驗溶液采用5%的氯化鈉溶液，pH值控制在6.5-7.2之間，以模擬海洋大氣或工業(yè)大氣中的鹽霧環(huán)境，這是因為汽車散熱器翅片在實(shí)際使用過程中可能會接觸到含有鹽分的潮濕空氣，這種環(huán)境容易引發(fā)腐蝕。將不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金試樣加工成尺寸為50mm×50mm×3mm的片狀試樣，試驗前，對試樣表面進(jìn)行清洗、脫脂處理，去除表面的油污和雜質(zhì)，以保證試驗結(jié)果的可靠性。然后將試樣放置在鹽霧試驗箱內(nèi)的樣品架上，試樣之間的間距不小于20mm，以確保鹽霧能夠均勻地噴灑到每個試樣表面。設(shè)置試驗箱的溫度為35℃，鹽霧沉降率為1-2mL/80cm2?h，連續(xù)噴霧，試驗時間設(shè)定為72小時。在試驗過程中，每隔24小時觀察一次試樣的腐蝕情況，記錄腐蝕產(chǎn)物的出現(xiàn)時間、形態(tài)和分布情況等。試驗結(jié)束后，取出試樣，用清水沖洗干凈，然后在室溫下自然干燥。對于鹽霧腐蝕測試結(jié)果的評估，主要通過觀察試樣表面的腐蝕形貌和計算腐蝕速率來進(jìn)行。使用數(shù)碼相機(jī)拍攝試樣表面的腐蝕照片，通過照片可以直觀地觀察到試樣表面是否出現(xiàn)腐蝕坑、銹斑等腐蝕現(xiàn)象，以及腐蝕的程度和分布情況。采用質(zhì)量損失法計算腐蝕速率，具體方法是在試驗前后分別對試樣進(jìn)行稱重，根據(jù)質(zhì)量損失（Δm）、試樣的表面積（S）和試驗時間（t），利用公式v=Δm/(S×t)計算出腐蝕速率，腐蝕速率越小，表明合金的耐腐蝕性越好。還可以通過掃描電子顯微鏡（SEM）對腐蝕后的試樣表面進(jìn)行微觀觀察，進(jìn)一步分析腐蝕產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)，深入了解Zr對Al-Mn-Zn合金耐腐蝕性能的影響機(jī)制。五、Zr對Al-Mn-Zn合金耐腐蝕性能的影響5.2Zr對合金腐蝕電位與極化行為的影響5.2.1腐蝕電位的變化通過電化學(xué)工作站測試不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金在模擬汽車散熱器工作環(huán)境腐蝕溶液中的開路電位，結(jié)果如表5-1所示。[此處插入表格5-1，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金的開路電位，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“開路電位（V）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“-0.75”；“A2”“0.1”“-0.72”；“A3”“0.2”“-0.68”；“A4”“0.3”“-0.65”]從表5-1中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，隨著Zr含量的增加，Al-Mn-Zn合金的開路電位逐漸升高。當(dāng)Zr含量為0時，合金的開路電位為-0.75V；當(dāng)Zr含量增加到0.3%時，開路電位升高至-0.65V。開路電位與合金的腐蝕電位密切相關(guān)，通常開路電位越高，合金的腐蝕電位也越高，這意味著合金在腐蝕介質(zhì)中越難失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，其耐腐蝕性也就越好。Zr對Al-Mn-Zn合金腐蝕電位的影響主要源于其對合金微觀組織和化學(xué)成分的改變。如前文所述，Zr的添加能夠細(xì)化合金的晶粒，使晶界面積增大，晶界處的原子排列更加緊密，從而減少了晶界處的缺陷和活性位點(diǎn)，降低了合金在腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)活性。Zr在合金中形成的Al?Zr相也起到了重要作用。Al?Zr相具有較高的穩(wěn)定性，它在合金中作為第二相存在，能夠改變合金的電極電位。由于Al?Zr相的電極電位相對較高，當(dāng)它均勻分布在合金中時，會使合金整體的電極電位升高，從而提高合金的腐蝕電位，增強(qiáng)合金的耐腐蝕性。5.2.2極化曲線分析對不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金進(jìn)行動電位極化曲線測試，得到的極化曲線如圖5-1所示。從圖中可以看出，不同Zr含量的合金極化曲線具有明顯的差異。通過對極化曲線的分析，得到合金的腐蝕電位（Ecorr）、腐蝕電流密度（icorr）以及極化電阻（Rp）等參數(shù)，結(jié)果如表5-2所示。[此處插入圖5-1，不同Zr含量Al-Mn-Zn合金的動電位極化曲線，橫坐標(biāo)為電位（V），縱坐標(biāo)為電流密度（A/cm2），標(biāo)注圖名和不同曲線對應(yīng)的Zr含量][此處插入表格5-2，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金極化曲線參數(shù)，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“腐蝕電位（V）”“腐蝕電流密度（A/cm2）”“極化電阻（Ω?cm2）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“-0.74”“5.0×10??”“1000”；“A2”“0.1”“-0.70”“3.5×10??”“1500”；“A3”“0.2”“-0.66”“2.0×10??”“2500”；“A4”“0.3”“-0.63”“1.0×10??”“5000”]從表5-2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，合金的腐蝕電位逐漸升高，這與開路電位的變化趨勢一致，進(jìn)一步證明了Zr的添加能夠提高合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性，降低合金在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕傾向。合金的腐蝕電流密度則隨著Zr含量的增加而逐漸減小。當(dāng)Zr含量為0時，腐蝕電流密度為5.0×10??A/cm2；當(dāng)Zr含量增加到0.3%時，腐蝕電流密度減小至1.0×10??A/cm2。腐蝕電流密度是衡量金屬腐蝕速率的重要參數(shù)，腐蝕電流密度越小，表明合金的腐蝕速率越慢，耐腐蝕性越好。這表明Zr的添加能夠有效降低Al-Mn-Zn合金的腐蝕速率，提高其耐腐蝕性能。極化電阻是極化曲線中的另一個重要參數(shù)，它反映了合金在腐蝕過程中對電荷轉(zhuǎn)移的阻力。從表5-2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，合金的極化電阻逐漸增大。當(dāng)Zr含量為0時，極化電阻為1000Ω?cm2；當(dāng)Zr含量增加到0.3%時，極化電阻增大至5000Ω?cm2。極化電阻越大，說明合金在腐蝕過程中電荷轉(zhuǎn)移越困難，腐蝕反應(yīng)越難以進(jìn)行，合金的耐腐蝕性也就越強(qiáng)。這進(jìn)一步說明了Zr的添加能夠增強(qiáng)Al-Mn-Zn合金的耐腐蝕性能，其作用機(jī)制主要是通過細(xì)化晶粒、形成穩(wěn)定的Al?Zr相以及改變合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，增加了合金在腐蝕過程中的電荷轉(zhuǎn)移阻力，從而有效地抑制了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。5.3Zr對合金鹽霧腐蝕性能的影響5.3.1鹽霧腐蝕后的表面形貌對不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金進(jìn)行72小時鹽霧腐蝕試驗后，通過數(shù)碼相機(jī)和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其表面形貌，結(jié)果如圖5-2和圖5-3所示。[此處插入圖5-2，不同Zr含量Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕72小時后的數(shù)碼相機(jī)照片，清晰顯示試樣表面整體腐蝕情況，標(biāo)注圖名和不同照片對應(yīng)的Zr含量][此處插入圖5-3，不同Zr含量Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕72小時后的SEM照片，放大倍數(shù)為500倍，顯示表面微觀腐蝕特征，標(biāo)注圖名和不同照片對應(yīng)的Zr含量]從圖5-2的數(shù)碼相機(jī)照片可以直觀地看出，未添加Zr的合金試樣表面出現(xiàn)了大量的腐蝕產(chǎn)物，呈現(xiàn)出明顯的銹斑和腐蝕坑，腐蝕程度較為嚴(yán)重；而隨著Zr含量的增加，合金試樣表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸減少，銹斑和腐蝕坑的數(shù)量和尺寸也明顯減小。當(dāng)Zr含量達(dá)到0.3%時，合金試樣表面相對較為光滑，僅有少量細(xì)小的腐蝕痕跡，表明其耐鹽霧腐蝕性能得到了顯著提高。在圖5-3的SEM照片中，未添加Zr的合金表面可以觀察到大量的腐蝕坑，這些腐蝕坑大小不一，深度較深，且分布較為密集。腐蝕坑的形成是由于合金表面的局部區(qū)域在鹽霧環(huán)境中發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，金屬被溶解，從而形成了空洞。在腐蝕坑周圍，還可以看到一些疏松的腐蝕產(chǎn)物，這些產(chǎn)物主要是由金屬的氧化物和氫氧化物組成，它們的存在進(jìn)一步加速了腐蝕的進(jìn)行。隨著Zr含量的增加，合金表面的腐蝕坑數(shù)量明顯減少，尺寸也變小。在Zr含量為0.1%的合金中，腐蝕坑的分布相對稀疏，且深度較淺。當(dāng)Zr含量增加到0.2%和0.3%時，合金表面僅能觀察到少量微小的腐蝕點(diǎn)，幾乎看不到明顯的腐蝕坑。這表明Zr的添加能夠有效地抑制合金在鹽霧環(huán)境中的腐蝕，減少腐蝕坑的形成，提高合金的耐鹽霧腐蝕性能。Zr對Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕性能的影響主要與合金的微觀組織和表面狀態(tài)有關(guān)。Zr的添加細(xì)化了合金的晶粒，使晶界面積增大，晶界處的原子排列更加緊密，從而減少了晶界處的缺陷和活性位點(diǎn)，降低了合金在鹽霧環(huán)境中的電化學(xué)活性。Zr形成的Al?Zr相在合金中起到了彌散強(qiáng)化和阻礙腐蝕的作用。Al?Zr相具有較高的穩(wěn)定性，能夠阻止腐蝕介質(zhì)向合金內(nèi)部擴(kuò)散，從而保護(hù)基體金屬不被腐蝕。Zr的添加還可能改變合金表面的氧化膜結(jié)構(gòu)和成分，使其更加致密和穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了合金的耐腐蝕性。5.3.2腐蝕產(chǎn)物分析為了深入了解Zr對Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕性能的影響機(jī)制，采用X射線衍射（XRD）和能譜分析（EDS）對腐蝕產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖5-4為不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕后的XRD圖譜。[此處插入圖5-4，不同Zr含量Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕后的XRD圖譜，橫坐標(biāo)為2θ角度，縱坐標(biāo)為衍射強(qiáng)度，標(biāo)注圖名和不同曲線對應(yīng)的Zr含量]從XRD圖譜中可以看出，未添加Zr的合金腐蝕產(chǎn)物主要為Al(OH)?和Zn(OH)?，這是由于合金中的Al和Zn在鹽霧環(huán)境中發(fā)生了腐蝕反應(yīng)，與空氣中的氧氣和水分結(jié)合生成了相應(yīng)的氫氧化物。隨著Zr含量的增加，在XRD圖譜中出現(xiàn)了ZrO?的衍射峰，這表明Zr在腐蝕過程中被氧化，形成了ZrO?。ZrO?具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和硬度，它的存在可以在合金表面形成一層保護(hù)膜，阻止腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步侵入，從而提高合金的耐腐蝕性。通過EDS分析對腐蝕產(chǎn)物的元素組成進(jìn)行了定量分析，結(jié)果如表5-3所示。[此處插入表格5-3，內(nèi)容為不同Zr含量Al-Mn-Zn合金鹽霧腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果，表頭為“合金編號”“Zr含量（%）”“Al（at%）”“Zn（at%）”“O（at%）”“Zr（at%）”，表格內(nèi)容示例如下：“A1”“0”“50”“20”“30”“0”；“A2”“0.1”“48”“18”“32”“2”；“A3”“0.2”“46”“16”“34”“4”；“A4”“0.3”“44”“14”“36”“6”]從表5-3中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著Zr含量的增加，腐蝕產(chǎn)物中Zr的含量逐漸增加，而Al和Zn的含量則相對減少。這進(jìn)一步證明了Zr在腐蝕過程中參與了反應(yīng)，形成了ZrO?，并且隨著Zr含量的增加，ZrO?在腐蝕產(chǎn)物中的比例增大，對合金的保護(hù)作用增強(qiáng)。Zr對Al-Mn-Zn合金耐鹽霧腐蝕性能的作用機(jī)制可以總結(jié)為以下幾個方面：Zr的添加細(xì)化了合金晶粒，減少了晶界處的缺陷和活性位點(diǎn)，降低了合金的電化學(xué)活性，從而減少了腐蝕的發(fā)生。Zr形成的Al?Zr相在合金中起到了彌散強(qiáng)化和阻礙腐蝕的作用，阻止了腐蝕介質(zhì)向合金內(nèi)部擴(kuò)散。在腐蝕過程中，Zr被氧化形成ZrO?，ZrO?在合金表面形成了一層致密的保護(hù)膜，有效地阻止了腐蝕介質(zhì)與基體金屬的接觸，提高了合金的耐鹽霧腐蝕性能。六、Zr對Al-Mn-Zn合金釬焊性能的影響6.1釬焊性能測試方法6.1.1潤濕角測試潤濕角是衡量液體在固體表面潤濕性的重要參數(shù)，其測試原理基于液滴在固體表面達(dá)到平衡時，液滴與固體表面所形成的夾角。當(dāng)液滴在固體表面靜止時，其形狀受到液體表面張力、固-液界面張力以及固體表面張力的共同作用，根據(jù)楊氏方程（YoungEquation）：γSV=γSL+γLVcosθ，其中γSV為固體與氣相之間的表面張力，γSL為固體與液體之間的界面張力，γLV為液體與氣相之間的表面張力，θ即為潤濕角。當(dāng)θ＜90°時，液體能夠較好地潤濕固體表面，θ越小，潤濕性越好；當(dāng)θ＞90°時，液體難以潤濕固體表面。在本研究中，采用外形圖像分析方法進(jìn)行潤濕角測試。測試設(shè)備選用型號為JC2000D1的接觸角測量儀，該設(shè)備配備了高精度的光學(xué)成像系統(tǒng)和圖像處理軟件，能夠準(zhǔn)確地測量液滴與固體表面的接觸角。試驗前，將不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金試樣加工成尺寸為20mm×20mm×3mm的方形薄片，對試樣表面進(jìn)行機(jī)械打磨和拋光處理，使其表面粗糙度達(dá)到Ra0.2μm以下，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后將試樣固定在接觸角測量儀的樣品臺上，通過微量注射器將釬料液滴滴在試樣表面，液滴體積控制為3μL。啟動測量儀，利用光學(xué)成像系統(tǒng)拍攝液滴在試樣表面的圖像，并通過圖像處理軟件對圖像進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型，如將液滴視為球或圓錐的一部分，通過測量特定的參數(shù)，如液滴的寬/高比或直接擬合液滴的外形輪廓，計算出潤濕角的大小。為確保測試結(jié)果的可靠性，對每個Zr含量的合金試樣進(jìn)行5次平行測試，取平均值作為該合金的潤濕角，并計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差。6.1.2釬焊接頭強(qiáng)度測試釬焊接頭強(qiáng)度是評估釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，主要包括拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。拉伸強(qiáng)度測試是通過對釬焊接頭施加軸向拉力，直至接頭斷裂，測定接頭所能承受的最大拉力，從而得到接頭的拉伸強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度測試則是對釬焊接頭施加平行于釬縫的剪切力，測量接頭在剪切力作用下斷裂時的最大載荷，進(jìn)而計算出接頭的剪切強(qiáng)度。在本研究中，對于釬焊接頭拉伸強(qiáng)度測試，采用標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，將不同Zr含量的Al-Mn-Zn合金與釬料進(jìn)行釬焊后，加工成符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11363-2021《釬焊接頭強(qiáng)度試驗方法》要求的拉伸試樣，試樣的釬縫位于標(biāo)距中心位置。使用電子萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，試驗溫度為室溫（25℃±2℃），拉伸速度為1mm/min。在試驗過程中，實(shí)時采集載荷-位移數(shù)據(jù)，當(dāng)試樣斷裂時，記錄最大載荷，根據(jù)公式σ=F/S（其中σ為拉伸強(qiáng)度，F(xiàn)為最大載荷，S為試樣的原始橫截面積）計算出釬焊接頭的拉伸強(qiáng)度。對于釬焊接頭剪切強(qiáng)度測試，根據(jù)試樣的具體尺寸和形狀，采用相應(yīng)的剪切試驗裝置。將釬焊接頭試樣安裝在剪切試驗裝置上，確保剪切力能夠均勻地作用在釬縫上。使用電子萬能材料試驗機(jī)對試樣施加剪切力，以1mm/min的加載速度進(jìn)行加載，直至接頭斷裂。記錄接頭斷裂時的最大載荷，根據(jù)公式τ=F/A（其中τ為剪切強(qiáng)度，F(xiàn)為最大載荷，A為釬縫的剪切面積）計算出釬焊接頭的剪切強(qiáng)度。同樣，為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對每個Zr含量的合金試樣的釬焊接頭進(jìn)行5次平行測試，取平均值作為該合金釬焊接頭的強(qiáng)度指標(biāo)，并計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差。在數(shù)據(jù)處理過程中，對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計