Al-Zn-Mg-Cu 合金凭借高强度、高比强度、良好塑性等优势，成为航空航天、船舶、建筑等领域的关键结构材料。近年来，提高 Zn 含量成为该合金设计的重要方向，欧美已开发出高 Zn 含量（质量分数 > 8%）的 7系合金。然而，国内在高 Zn 含量 Al-Zn-Mg-Cu 合金凝固态组织研究方面存在不足，尤其对 Zn、Mg、Cu 含量影响凝固析出相特征及形成机理的分析缺乏深度。因此，亟需通过科学手段探究主元素含量对合金组织与性能的作用规律，而 JMatPro 软件在金属材料相图计算与性能模拟方面的优势，为解决这一问题提供了有效工具。
近日，湖北新金洋资源股份公司与昆山晶微新材料研究院有限公司黎柏康团队，借助 JMatPro 软件、ICP 分析仪、扫描电镜等对不同 Zn、Mg 含量的 Al-Zn-Mg-Cu 合金展开系统模拟分析与试验研究，深入揭示了 Zn、Mg 含量对该合金组织与性能的影响机制，为超高合金化 Al-Zn-Mg-Cu 合金的凝固过程优化与材料制备提供关键理论支撑，对推动航空航天、船舶等领域用高强铝合金研发具有重要意义。
1、合金平衡相计算与分析
研究团队设计了 6 组 Al-4xZn-xMg-2.0Cu合金，采用工业高纯铝（99.98%）、纯 Mg 锭、纯 Zn 锭及 Al-50% Cu、Al-10% Zr 中间合金，经电阻炉熔炼（熔炼温度 730~780℃，浇铸温度 690~720℃）制成铸锭，并进行均匀化、轧制、固溶时效（T6）处理，如图1所示。
图1 轧制及固溶时效工艺示意图
利用 ICP 分析仪测得合金实际成分后，通过 JMatPro 软件计算不同 Zn、Mg 含量合金的平衡相图，如图2所示。
图2 JMatPro软件计算试验合金的平衡相图
结果显示，Al-4xZn-xMg-2.0Cu 合金共晶转变温度约为 477℃。随着 Zn、Mg 含量增加，液相线温度由 631.88℃降至 582.17℃，固相线温度由 521.34℃降至 476.47℃。
在相组成方面，当 x<3.0 时，合金主要第二相为 Al₂CuMg、MgZn₂及 Al₂Cu 相；x=3.0 时，主要第二相为 Al₂CuMg 和 MgZn₂相（含共晶相和高温析出相）；x>3.0 时，主要第二相为 AlCuMgZn 和 MgZn₂相（含共晶相和高温析出相），且合金 6 中会出现 AlCuMgZn 相向 MgZn₂相的转变（约 450℃转变结束）。同时，室温下随着 Zn、Mg 含量增加，MgZn₂共晶相占比增加，MgZn₂析出相占比减小，合金 1~6 的基体 α(Al) 占比从 87.59% 降至 66.69%，共晶相占比从 3.54% 增至 25.06%，与后续试验观察结果高度一致。
2、合金凝固与相转变参数模拟与分析
2.1 枝晶臂间距模拟
图3所示为JMatPro 软件计算不同冷却速率下合金枝晶臂间距的结果显示，各合金枝晶臂间距随冷却速率增加而减小；同时，随着 Zn、Mg 含量增加，枝晶臂间距也不断减小，表明合金晶粒尺寸呈降低趋势。这一模拟结果为预判铸态合金晶粒细化规律提供了依据，后续试验测得铸态合金晶粒尺寸从 138μm（合金 1）降至 39μm，验证了模拟的准确性。
图3 JMatPro 软件计算试验合金不同冷却速率下的枝晶臂间距
2.2 再结晶抑制机制关联分析
通过 JMatPro 软件对相组成的模拟可知，随着 Zn、Mg 含量增加，合金中未溶 MgZn₂相数量增多且间距减小。结合软件模拟的相分布特征，可进一步分析该相对再结晶的影响：小间距的未溶 MgZn₂相能阻碍位错运动与晶粒长大，显著抑制再结晶。后续试验观察到，T6 态下合金 3、4（Zn、Mg 含量较高）的再结晶晶粒数量少、尺寸小，与软件模拟揭示的相作用规律完全契合，为解释合金组织演变机制提供了理论支撑。
3、试验验证与性能分析
基于 JMatPro 软件模拟的热力学与相转变数据，研究团队开展了合金显微组织观察与力学性能测试。在显微组织方面，铸态合金均由树枝状 α(Al)、非平衡共晶 α(Al)+MgZn₂相、少量含 Fe 相及晶内弥散 MgZn₂相组成，且 Zn、Mg 含量增加使晶粒尺寸减小、共晶相占比增加，与软件计算结果一致；T6 态合金（合金 1~4）组织为纤维组织 + 再结晶晶粒，Zn、Mg 含量越高，再结晶晶粒越少、尺寸越小，印证了未溶 MgZn₂相的再结晶抑制作用。
力学性能测试表明，随着 Zn、Mg 含量增加，T6 态合金强度持续提升且增幅扩大，塑性则显著下降。其中 Al-16.0Zn-4.0Mg-2.0Cu 合金（合金 4）强度最高，抗拉强度达 683.3MPa，屈服强度达 653.3MPa，但伸长率仅 2.3%。这一结果与 JMatPro 模拟的溶质原子固溶量、析出相数量变化规律相匹配 ——Zn、Mg 含量增加使固溶强化与析出强化效果增强，进而提升强度，而未溶共晶相增多导致塑性下降。
图4 T6 态试验合金板材室温拉伸性能
4、结论
依托 JMatPro 软件等手段，本研究精准模拟了 Al-Zn-Mg-Cu 合金的平衡相组成、凝固过程及相转变规律，为试验方案设计与结果分析提供了可靠理论依据。软件不仅准确预测了合金共晶温度、相组成及晶粒尺寸变化趋势，还助力揭示了未溶 MgZn₂相对再结晶的抑制机制，以及元素含量与力学性能的关联规律。基于模拟与试验结合的研究成果，明确了 Zn、Mg 含量对 Al-Zn-Mg-Cu 合金组织与性能的影响机制，为超高合金化 Al-Zn-Mg-Cu 合金的成分优化与工艺改进提供关键参考，再次彰显了 JMatPro 软件在金属材料研发中 “模拟指导试验、试验验证模拟” 的核心价值，对推动高性能铝合金产业发展具有重要意义。
参考文献：[1] 黎柏康，秦翔智，赵佳蕾，等.Zn、Mg 含量对 Al-Zn-Mg-Cu 合金组织与性能的影响 [J]. 金属热处理，2025,50 (7):218-225.
关于JMatPro
JMatPro软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。
JMatPro的应用范围：
1、可为热力学计算等基础研究提供参考；
2、辅助科研人员进行合金设计；
3、辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；
4、辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计；
5、预测材料材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；
6、能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如：Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast等）；
7、能够为其他CAE软件提供材料性能参数（如Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc等）；
8、提供API接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合。
9、提供MPO材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。
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