铝合金是一种重要的结构材料，具有良好的强度和韧性，在Al-Si-Mg-Cu系列合金中，Al-12Si-1Mg-1Cu合金，具有良好的铸造性能和机械性能。
然而，合金的力学性能和断裂韧性，仍然有待进一步提高，添加微量的合金元素，可以通过调整合金的微观结构和相变行为，来改善合金的性能。
微量Zr的Al-12Si-1Mg-1Cu合金，经过固溶处理后其拉伸、冲击和断裂行为的变化，通过添加微量Zr元素，并对合金进行固溶处理处理，对合金进行了力学性能测试和断口形貌观察。
Al-Si 是系列合金，基本上不可热处理，通常，添加镁和铜，来实现时效硬化性能，此类合金因其优异的机械性能、铸造性、焊接性和机械加工性而用于制造汽车零部件｡
铝的最佳性能是通过合金添加和热处理来实现的，热处理工艺包括三个主要步骤:固溶处理、淬火和时效｡
固溶处理是将合金在高于固溶线温度，但低于液相线温度的温度下保持一段时间，以获得均匀的固溶体一相，其中溶质原子完全溶解在溶液中｡
固溶体的快速冷却或淬火是在水、油甚至空气等介质中进行的，在此步骤中，溶质原子不允许移动并形成α相，因此它们保持溶解在过饱和相中｡
在时效阶段，当溶质原子开始扩散成簇，扭曲并强化材料时，合金硬度开始增加，合金元素的选择基于其效果和适用性｡
合金元素可分为主量元素和微量元素、微观结构调节剂或杂质，然而，某些合金中的杂质元素，可能是其他合金中的主要元素。
主量元素(Si、Cu、Mg)、微量元素(Ni、Sn)、显微组织调节元素(Ti、Zr、Sc、B、Sr、Be、Mn、Cr)和杂质元素(Fe、Zn)，对显微组织的影响铝合金的机械性能｡
当Zr添加到铝合金中时，形成的Al 3 Zr相通常更细小并且与基体连贯，它是一种非常有效的强化弥散体，可以抑制再结晶，细化组织，提高基体合金的再结晶温度和强度。
熔化在电阻加热炉中，在合适的熔剂罩(脱气器、硼砂等)下进行，将商业上使用的铝活塞，在用作母合金的粘土石墨坩埚中熔化｡
开发Al-12Si-1Mg-1Cu基合金和含Zr的Al-12Si-1Mg-1Cu合金，需要进行两次加热，锆以粉末形式(纯度为 99.98%)，置于铝箔盖内，然后通过压入法添加。
熔体的最终温度，始终保持在 750 ± 15 °C｡铸造，是在预热至 200 °C 的铸铁金属模具中，进行的，模具尺寸为16×150×300毫米｡
同时采用湿化学和光谱化学方法，对合金进行了分析，将一部分铸造合金，在马弗炉中于 400°C 下均质化 18 小时，然后空气冷却以消除内应力｡
将均质样品在 530°C 下固溶 2 小时，然后用盐冰水淬火，以获得过饱和单相区，铸造和固溶合金，在高达 300 °C 的不同温度下，进行 90 分钟的等时时效｡
拉伸测试，在室温下在Instron测试机中进行，使用十字头速度以保持10 -3的应变率/s，所用样品符合 ASTM 规范｡
对于冲击试验，使用标准尺寸的样品，其尺寸为 10 × 10 × 55 mm，具有 2 mm 深、45° 角的 V 形缺口｡
测试按照 ASTM E23 进行，每次测试使用五个测试件来确定拉伸和冲击韧性，对铸造和热处理合金的样品，进行了光学金相研究｡
样品用氧化铝抛光，用凯勒试剂蚀刻，并在 Versamet-II 显微镜下观察，通过JSM-5200型Jeol扫描电子显微镜，对拉伸试验断裂的表面进行断口观察｡
Al-12Si-1Mg-1Cu铸造合金1(AC)、添加微量Zr的Al-12Si-1Mg-1Cu铸造合金2(AC)、溶液在不同时效条件下的极限抗拉强度。
屈服强度和延伸率的变化处理过的 Al-12Si-1Mg-1Cu 合金 1(ST) ，是和固溶处理后添加微量 Zr 的 Al-12Si-1Mg-1Cu 合金 2(ST) 。
所有合金都存在双时效峰并获得更高的强度，在合金的时效过程中，GP区和亚稳相能够有效强化合金并导致时效峰值｡
时效初期，基体中均匀分布着细小、丰富的GP区，其强化作用显着，另一方面，时效中期形成的、与基体保持半共格的亚稳相，有效地抵抗位错的运动，因而具有一定的强化作用｡
合金的中间软化，可能是由于中间金属间相，形成之前 GP 区域的溶解所致 ，软化背后的另一个原因，可能是由于 Al-Cu、Al-Mg-Si 和 Al-Zr 金属间化合物的差异析出，这需要进一步研究才能得出明确的结论｡
这些板状亚稳相在位错上成核并长大，但牺牲了精细且均匀分散的 GP 区，在GP区向亚稳相转变阶段，GP区数量因溶解而显着减少，而亚稳析出物不长大，且尺寸太小，无法有效抵抗位错的运动｡
该阶段合金的时效效应一定较低，可以推测，GP区溶解阶段，应是合金两个时效峰之间时效值的原因｡
在时效的最后阶段，由于过度时效以及沉淀粗化，强度下降，此类合金在人工时效过程中的析出顺序为:α过饱和固溶体(SSS)→GP-I区→亚稳态针状β”析出物(或称为GP-II区。
通过转变形成) GP-I为核)→亚稳定棒状(或板条状)β′沉淀→稳定β相。
时效导致的合金屈服强度的提高，大于极限强度的提高，因此随着时效的进行，屈服拉伸比增大｡
材料的韧性与这个比率有关，众所周知，屈服强度是材料的结构敏感特性，细小沉淀物的形成对屈服强度更敏感｡
在峰值时效条件下，出现延展性最小值是很容易理解的，这反映在时效合金的最小伸长百分比上，此时细小沉淀物的密度最大。
然而，固溶处理的合金，显示出更高的强度，在530℃固溶处理2小时期间，一些合金元素重新溶解，产生富含溶质的固溶体｡
为了使固溶体中铜、锌、镁、硅等强化元素的浓度最大化，铸造合金从高温缓慢冷却，合金元素从固溶体中沉淀和扩散，集中在晶界、小空隙、未溶解的颗粒上、位错和铝晶格中的其他缺陷处。
添加微量Zr的铸造合金和固溶处理合金，在较高的时效温度下，均表现出相对较高的强度，Zr 添加形成 L1 2有序 Al 3 Zr 相，导致形成连贯强化颗粒。
通过减慢再结晶动力学，在较宽的温度范围内稳定合金微观结构，Al 3 Zr 三铝化物颗粒对于粗化和再溶解非常稳定，导致位错和晶界的分布更加均匀。
合金在不同时效温度下的冲击韧性性能，冲击功随着老化温度的增加而降低，因为 Al 2 Cu 和/或 Al 2 CuMg 和 Mg 2的沉淀Si相，即GP区和亚稳相的形成，导致基体强度显着增加，但以延展性为代价｡
由于在峰值时效条件下金属间相的沉淀，吸收能量最大程度地减少，由于析出物体积分数较低，随着时效的增加，铸造合金 1(AC) 和添加微量 Zr 的铸造合金 2(AC) 的冲击强度变化非常小｡
由于析出物体积分数较高，在峰值时效条件下，观察到固溶合金 1(ST) 和添加微量 Zr 的固溶合金 2(ST) 吸收能最大下降｡
由于过时效温度下微观结构软化，冲击功从峰值时效到过时效显着增加，在初始阶段，铸造合金1(AC)和添加微量Zr的铸造合金2(AC)表现出最小的能量。
这是因为铸造的合金元素在自然环境凝固过程中沉淀，并从固溶体扩散到晶界富集｡
晶界上的这些颗粒会导致脆性断裂，在铸态和固溶过程中，微量添加的合金2(AC)和合金2(ST)相对表现出最小的能量｡
微量 Zr 细化晶粒结构，Al 3 Zr 沉淀物的形成使合金更脆，在时效过程中，铸造合金在铝基体中含有最小百分比的析出物，在晶界中含有最大百分比的析出物｡
在时效溶解阶段，晶界可以吸收最大强度，这表明铸造合金具有较高的冲击能，铸造合金 1(AC)、添加微量 Zr 的铸造合金 2(AC)、固溶处理的合金 1(ST) 和固溶处理的添加微量 Zr 的合金 2(ST)。
这些合金的微观结构包括α相(铝)、共晶硅和金属间化合物颗粒，在铸态合金中，薄板的共晶硅和金属间化合物的大颗粒主要存在于铝晶界或枝晶臂之间｡
经过T6处理后，共晶Si变得明显碎片化，形状更加球形，粒子间的间隔变长，金属间化合物的粒子尺寸稍微变小｡
然而，它们仍然存在于晶界处，正如之前的工作中所观察到的，它在细等轴晶粒的铝基体中含有均匀分布的硅颗粒。
225℃人工时效处理90min后，基体内部出现析出，但光学显微结构无法揭示析出物，添加微量Zr的合金晶粒相对细化，金属间化合物分布均匀｡
当Zr浓度微量时，熔体在快速凝固过程中形成初相Al 3 Zr颗粒，并充当Al的凝固核，因此Zr可以作为铝合金的晶粒细化剂[ 13 ]｡
铸造合金 1(CA)、添加微量 Zr 的铸造合金 2(CA)、固溶处理的合金 1(ST) 和固溶处理的微量 Zr 添加合金，在 225 °C 时效 90 分钟的合金的断口表面分别为2(ST)｡
合金在峰值时效条件下的断裂表面，表现为混合(延性和脆性)断裂，这表明 Al 基体中的断裂是延性的，而初生 Si 颗粒中的断裂是脆性的｡
凹痕的形状既不均匀也不呈圆形，合金中还观察到基体金属间颗粒的脱聚，断裂机制是延性的，涉及金属间化合物颗粒周围基体中空隙的成核、生长和聚结｡
空隙在施加的载荷和局部塑性约束的影响下不断增长，直到聚结机制被激活，随后合金完全失效｡
固溶处理的合金1(ST)和合金2(ST)显示出相对较小的韧窝结构和破碎或破裂的初生Si颗粒，固溶处理后，硅颗粒呈圆形但团聚。
添加微量Zr的合金，显示出相对细小且均匀的断口表面，很明显，合金中添加Zr可以细化并促进合金的析出，产生均匀分布的析出物。
铸造和固溶样品，均在高达 300 °C 的不同温度下等时时效 90 分钟，研究了不同处理合金的拉伸和冲击性能，以了解合金的沉淀强化｡
观察合金的断口，以了解断裂模式，我们观察到时效合金拉伸性能的改善，主要归因于 Al 2 Cu 和 Mg 2的形成Si 在 Al 基体内沉淀｡
固溶处理提高了抗拉强度，因为在固溶处理过程中，一些合金元素重新溶解，产生富含溶质的固溶体｡
由于 GP 区、β' 和 β 沉淀物的形成，冲击能随着时效温度的升高而降低，断口显示大大小小的韧窝结构以及破碎或破裂的初生硅颗粒｡
合金的微观结构研究表明固溶处理改善了硅晶粒的分布，Zr的添加由于其在较高温度下，基体中的晶粒细化作用和抗晶粒粗化作用，而改善了拉伸性能｡
微量Zr固溶处理，显著提高了Al-12Si-1Mg-1Cu合金的拉伸强度和塑性，添加微量Zr元素，有效地细化了合金的晶粒尺寸，并增强了晶界的强化效应。
由于GP区和亚稳态相，可以有效强化合金，因此所有合金都存在双时效峰，由于 GP 区、β' 和 β 沉淀的形成，冲击能随着时效温度的升高而降低｡
固溶处理提高了 Al-12Si-1Mg-1Cu 合金的强度，因为在固溶处理过程中，一些合金元素重新溶解，产生富含溶质的固溶体｡
在固溶处理的合金中，共晶硅明显破碎并且更加球形，断口显示大大小小的韧窝结构以及破碎或破裂的初生硅颗粒｡
微量锆由于形成 Al 3，而提高了较高时效温度下的拉伸强度，Zr 析出物使 Al-12Si-1Mg-1Cu 活塞合金，具有抗粗化性和高热稳定性｡
添加微量Zr的合金，显示出相对较细且均匀的断口表面，因为向合金中添加Zr细化并促进了合金的沉淀｡
此外，微量Zr元素还促进了合金中的次生相形核和析出，进一步提高了合金的强度，同时，微量Zr固溶处理还显著提高了合金的冲击韧性。
使其在冲击载荷下表现出更好的耐损伤能力，进一步的断口形貌分析揭示了微量Zr对合金断裂行为的影响。
