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Xin-yuan XU, Lei JIANG, Xin-biao ZHANG, Ming-hong MAO, Jian-xin XIE . Effect of iron content on microstructures and properties of new ultra-high strength Al?Zn?Mg?Cu alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2025, 35(10): 3179-3190 .

Al-Zn-Mg-Cu合金（通常称为7xxx系铝合金）凭借其优异的强度、耐腐蚀性、良好的加工性能和可回收特性，已成为交通运输、航空航天等现代工业领域的关键结构材料。然而，铁作为合金元素被证实会对这类合金性能产生不利影响。在凝固过程中，铁易与其他元素结合形成第二相，这些相通常呈微观尺度分布，且难以通过后续热机械加工或热处理消除。含铁第二相的存在严重制约了Al-Zn-Mg-Cu合金的大规模工程应用。过往的研究虽然很好地揭示了7xxx系铝合金中Fe元素与其他合金元素共同形成粗大的富Fe第二相及其对性能的影响规律。但是，有关Fe元素如何影响合金中其他第二相的形成与分布，以及合金元素的分布，是有待进一步研究的科学问题。针对这一研究空白，本文以前期通过机器学习方法开发的一种兼具超高强度与优异韧性的新型铝合金为研究对象，系统研究了高合金化Al-10.50Zn-2.35Mg-1.25Cu-0.12Cr-0.1Mn-0.1Zr-0.1Ti-xFe（x=0.01, 0.09, 0.18 wt.%）体系，重点分析铁元素对合金微观组织、元素分布及力学性能的作用机制。本研究对揭示杂质元素影响合金强韧化机理具有重要价值，可为后续合金成分优化与性能提升提供理论依据。

（1） 研究系统阐明了铁含量对合金微观组织，特别是多类第二相形成与分布的复杂影响机制。 研究不仅确认了铁含量增加会显著提升(Cu, Fe, Mn, Cr)Al7等富铁第二相的体积分数和尺寸，还揭示了其对σ相(AlZnMgCu)和Al?(Zr, Ti)相形成的促进作用。

（2）研究发现了铁元素会降低锆、钛等关键元素在铝基体中的固溶度，并明确指出，铁的存在会在微米级富铁相周围引发广泛的溶质元素（如Cr、Mn、Zr、Ti、Zn、Mg、Cu）贫化区，导致弥散强化相和纳米沉淀相的数量显著减少，从而深刻改变了合金的微观结构状态。

（3）研究明确揭示了铁含量通过微观组织演变对合金力学性能产生的影响，并建立了关联机制。 实验结果表明，铁含量在0.18 wt.%以内对合金的抗拉强度和屈服强度影响甚微，但却会急剧恶化材料的塑性，使其伸长率下降超过50%。该研究将这种塑性的显著劣化归因于两个关键因素的耦合作用：一是粗大微米级第二相（尤其是尺寸超过特定临界值的富铁相）作为裂纹源，促进了孔洞的形成与扩展；二是前述溶质贫化效应导致第二相周围区域的强化相数量大幅减少，形成了局部弱化区。这两者共同作用，最终决定了合金的断裂行为与韧性水平。

图1展示了三种铝合金的SEM显微组织。可以看出，当Al-Zn-Mg-Cu合金中铁含量极低时，微米级第二相的形成非常有限，其体积分数仅约为0.02%。当铁含量增至0.09 wt.%时，这些第二相的形成更为显著，其平均粒径为5.2±1.5μm，体积分数约达1.58%。当铁含量继续升高至0.18 wt.%时，该相体积分数进一步增加至2.59%，平均粒径也增大至13.6±3.2μm。此外，可观察到形成了不同形状尺寸的微米级第二相（部分超过30μm）以及黑色孔洞。

图1 三种不同铁含量超高强度铝合金经T6处理后的SEM显微照片：(a) 0.01 wt.% Fe；(b) 0.09 wt.% Fe；(c) 0.18 wt.% Fe

为进一步分析微米级第二相的元素分布情况，选取了铁含量分别为0.01 wt.%和0.18 wt.%的样品进行观察。图2展示了这两种合金中第二相的成分分析结果。在图2(a)中，0.01 wt.%铁含量的样品呈现出一个直径约5μm的第二相，该相富含Cr、Mn和Mg元素，该相很可能对应Al18(Cr, Mn)2Mg3相。此外，在该相周围观察到Zn、Mg和Cu元素的聚集现象。图2(b)显示存在大量微米级第二相，其主要由Fe、Cu、Mn和Cr元素聚集形成，这些相很可能对应(Cu, Fe, Mn, Cr)Al7相。在富铁微米相附近，可观察到明显的Zn、Mg和Cu元素富集区，这表明存在σ相(Al, Zn, Mg, Cu)。同时，该合金中还含有由Cr、Mn、Zr和Ti元素构成的微米级第二相，例如Al18(Cr, Mn)2Mg3和Al3(Zr, Ti)相。值得注意的是，在铁含量为0.01 wt.%的样品中未发现Al3(Zr, Ti)相的存在。

图2 第二相成分分析结果：(a) 0.01 wt.% Fe；(b) 0.18 wt.% Fe

图3(a-c)展示了三种合金的晶粒形貌，均呈现挤压织构和局部再结晶特征。图3(d-f)所示为晶粒尺寸统计结果，显示三种合金的平均晶粒尺寸分别为7.0 μm、9.6 μm和7.1 μm。铁元素的添加对晶粒尺寸影响甚微，晶粒尺寸的细微波动可能与合金微观组织的不均匀性有关。微米级富铁相未能有效诱发粒子激发形核（PSN）机制，也未起到细化晶粒的作用。

图3 三种合金的EBSD结果与晶粒尺寸统计：(a,d) 0.01 wt.% Fe样品的IPF图及尺寸统计；(b,e) 0.09 wt.% Fe样品的IPF图及尺寸统计；(c,f) 0.18 wt.% Fe样品的IPF图及尺寸统计

图4展示了三种合金中典型弥散相（即直径在20nm至1μm之间的第二相）的形貌分布及成分分析结果。这些合金含有多种由Cr、Mn、Zr和Ti元素构成的弥散相，其尺寸分布在20至300nm范围。这类弥散相能够有效钉扎晶界和位错运动，从而提升合金的强度。

图4 经T6处理的0.18 wt.% Fe合金的宏观HAADF-STEM图像及成分分析

图5(a)展示了尺寸为1.8μm的(Cu, Fe, Mn)Al7相对弥散相形貌的影响。可以观察到，在富铁相周围区域，弥散相数量显著减少，部分区域甚至完全不存在弥散相。这种现象导致形成了Cr、Mn、Zr、Ti等溶质元素的贫化区，该贫化效应可伸长至距富铁相2-5μm的范围。与此相反，如图5(b)所示，尺寸约500nm的纳米级(Fe, Mn)Al7相周围并未出现弥散相数量的显著减少。这一现象可能归因于其较小的尺寸——与微米级相相比，纳米级(Fe, Mn)Al7相形成所需的溶质元素总量较少。此外，纳米级(Fe, Mn)Al7相具有更高的分布密度，且其形貌较微米级(Cu, Fe, Mn)Al7相更为接近球状。

图5 0.18 wt.% Fe合金经T6处理后典型富铁相的HAADF-STEM图像及成分分析：(a) 微米级富铁相；(b) 纳米级富铁相

通过对更精细显微组织的进一步观察，可以研究铁对由锌、镁和铜构成的纳米级析出相的影响，如图6(a-d)所示。当铁含量不足时，合金中的析出相平均长度为4.9nm，平均宽度为2.3nm。在纳米级富铁相附近，观察到主要元素锌、镁和铜的富集现象，这导致了更大尺寸η相的形成。尽管存在溶质元素贫乏，但这种现象仍使周围区域的析出相密度显著降低。此外，尽管溶质元素稀缺，富铁相附近基体中的析出相平均长度仍达5.2nm，平均宽度为2.5nm。与无铁存在时相比，铁的加入略微增大了析出相尺寸，从而导致析出相密度进一步下降。对析出相的分析还表明，铁的添加并未改变基体中析出相的类型。如图6(e-g)所示，这些相仍包括η′相、GPI区和GPII区。

图6 典型析出相的高分辨率HADDF-STEM图像及尺寸统计：(a) 无偏析条件下的析出相宏观形貌；(b) 无偏析条件下的析出相尺寸统计；(c) 偏析影响下的析出相宏观形貌；(d) 偏析影响下的析出相尺寸统计；(e) η′相；(f) GPI区；(g) GPII区

图7展示了三种不同铁含量超高强度铝合金的拉伸试验结果。在空气中测得三种合金的抗拉强度分别为797±1 MPa、785±9 MPa和788±8 MPa；屈服强度分别为762±1 MPa、752±8 MPa和759±4 MPa；伸长率分别为10.9±0.6%、9.9±0.3%和4.5±1.4%。含铁量最低的合金表现出最高的抗拉强度和伸长率。当铁含量增至0.09 wt.%时，相较于含铁0.01 wt.%的合金，其抗拉强度和伸长率均出现轻微下降。继续将铁含量提高到0.18 wt.%时，抗拉强度未发生显著变化，但伸长率明显降低，仅为含铁0.01 wt.%合金的一半以下。

图7 三种合金的典型工程应力-应变曲线

（1）随着铁含量的增加，微米级(Cu, Fe, Mn, Cr)Al7相、σ相(Al, Zn, Mg, Cu)及Al3(Zr, Ti)相的体积分数相应升高。这些相的析出过程伴随着溶质贫化区的形成以及相形成元素的消耗，进而导致弥散强化相的数量显著减少。

（2）铁元素对抗拉强度的影响甚微，但对伸长率却可产生显著影响。在含铁量为0.18 wt.%的合金中，平均伸长率仅为4.5%，不及铁含量低于0.1 wt.%合金（伸长率为9.9%–10.9%）的一半。这一下降归因于微米级第二相的形成与弥散相数量大幅减少的共同作用。

（3）在富铁相周围的溶质贫化区域内，析出相的数量明显减少，但析出相本身的尺寸基本保持不变。

谢建新，北京科技大学教授、博士生导师，中国工程院院士，“十五”～“十二五”国家863计划新材料技术领域专家组专家，“十三五”国家材料基因组工程重点专项专家组组长；中国材料研究学会副理事长、中国有色金属学会常务理事、中国有色金属工业协会常务理事，中国金属学会理事。主要研究方向围绕金属控制凝固与控制成形，先进复合材料制备与加工，材料的智能化制备加工技术，金属挤压理论与技术。获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖2项，国际学术奖励2项，省部级科技进步奖励10余项。发表SCI、EI收录学术论文400余篇；正式出版专著5部、译著1部、教材1部；申请与授权国家发明专利100余项。铜包铝复合材料连铸直接复合成形、高性能铜及铜合金管材短流程高效制备加工、高性能铝型材挤压成套工模具设计制造、等温挤压等技术已转让20家企业进行产业化或中试开发。

姜磊，助理研究员，北京科技大学材料基因工程高精尖创新中心博士后。发展了基于面向性能需求的合金设计策略、样本数据迁移辅助合金设计策略、基于特征量分析实现合金设计与成分-组织-性能内禀关系构建方法等机器学习辅助材料研发策略，构建了高端铝合金专题数据库和机器学习合金理性设计平台，开发了3类具有国际先进水平和自主知识产权的高性能铝合金及其制备加工工艺，产品应用于航天天舟系列货运飞船、新一代JY飞机与消费电子产品。获批国家自然科学基金集成项目课题，青年项目与博士后科学基金面上项目，以第一作者或通讯作者的身份发表相关论文10余篇，包括Acta Materialia（2篇）、npj Computational Materials、Journal of Materials Science and Technology（封面文章）。文章总计被引超900次，申请与授权国家发明专利9项，获教育部自然科学一等奖一项。