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铝合金材料能够满足产品轻量化、大型化及复杂结构的需求,其现代工业应用量仅次于钢铁。铝合金具有密度低、比强度高、塑性好、导电导热能力强、加工成型性能优异以及耐腐蚀性良好的特征,在航天航空、武器装备、交通运输、机械建筑、冶金化工、能源等领域得到广泛的应用。6061铝合金是Al-Mg-Si(6XXX)系铝合金中最重要的合金之一,是一种可进行时效热处理的中等强度铝合金,其耐蚀性、可焊接性及着色性能优异,因此被广泛应用。全世界80%的铝挤压产品都是用6XXX系铝合金制成,但是强度制约了其应用。为了扩大6XXX系铝合金的使用范围,其力学性能和耐腐蚀性能有待进一步提高。本文以6061合金和添加Mn、Zr的6061合金为研究对象,设计了4种试验合金。通过电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)、差示扫描热分析仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、带能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织表征,对合金的硬度、拉伸性能、腐蚀性能进行了测试,系统地研究了添加Mn、Zr元素和采用不同铸造凝固方式对合金力学性能和微观组织的影响,重点研究了时效析出和轧制对材料强度的影响机制。利用XRD分析,计算了Al-Mg-Si系合金的晶格常数及主要合金元素的固溶度;通过DSC分析了6061合金和6061-0.15Mn-0.05Zr(质量百分数)合金的时效动力学行为,获得了表观激活能并确定其动力学方程。通过研究铸造原始态微观组织及固溶度计算,分析添加Mn、Zr元素及水冷铜模铸造对合金微观组织的影响和对合金力学性能的作用。水冷铜模铸造减少了元素偏析,提高了主要合金元素的固溶度:Mg的固溶度提高7%～12%;Si的固溶度提高10%～14%;Mn的固溶度提高10%。同时,结合EDS能谱分析等手段,确定出铸造原始态合金的结晶相:水冷铜模铸造工艺的6061合金,结晶相为颗粒状相α-Al8(MnFe)2Si和α-Al8(MnFeCr)2Si,及条块状相α-Al9(MnFe)3Si2;而普通铁模铸造合金的结晶相为骨骼状相Al5(MnFe)Si和Al5(MnFeCr)Si,颗粒状相α-Al8(MnFe)2Si和α-Al8(MnFeCr)2Si,以及条块状相α-Al9(MnFe)3Si2。为了消除合金内部成分不均匀性和非平衡组织,对铸态合金进行均匀化热处理。通过DSC分析,确定了合金的过烧温度;结合金相组织观察,确定了合金的热处理制度为560℃×3h。合金经过均匀化处理后,析出相形貌发生了改变,为条状相β-Al9Fe2Si2和颗粒状相α-Al8(FeMnCr)2Si,该结晶相弥散分布,改善了合金的力学性能。对于均匀化处理合金,Mg元素的固溶度比铸态提高30%左右,Mn、Si元素的固溶度提高超过50%,从理论上说明了均匀化处理的作用。同时,通过拉伸试验,分析了均匀化处理和水冷铜模铸造对合金力学性能的影响。结果表明:均匀化处理合金的力学性能优于铸态合金,水冷铜模铸造合金性能优于铁模铸造合金。力学性能最好的是均匀化处理的水冷铜模铸造6061-0.15Mn-0.05Zr合金,其抗拉强度达到286MPa、屈服强度为127MPa、延伸率为18%。本实验合金体系的主要强化相为β相,本文计算了β相的析出激活能。在6061(铁模铸造)、6061(水冷铜模铸造)、6061-0.15Mn-0.05Zr(铁模铸造)、6061-0.15Mn-0.05Zr(水冷铜模铸造)合金中,β相表观激活能分别为147、217、185、235KJ/mol。同时,拟合出合金时效过程中β相析出动力学方程,为进一步研究时效析出行为提供理论依据。时效后水冷铜模铸造的6061-0.15Mn-0.05Zr合金,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为356MPa、230MPa、21%;轧制后水冷铜模铸造的6061-0.15Mn-0.05Zr合金,其抗拉强度达到363MPa、屈服强度为217MPa、延伸率为9%。两种方式均明显改善了合金的力学性能,使6061合金的强度大大提高。研究了轧制6061和6061-0.15Mn-0.05Zr合金在3.5%(质量分数)的NaCl溶液中的腐蚀性能。浸泡失重实验结果表明,水冷铜模铸造合金腐蚀速率低于铁模铸造合金,添加Mn、Zr的6061合金耐腐蚀性能优于6061合金。通过极化曲线测试可知,水冷铜模铸造的6061-0.15Mn-0.05Zr合金自腐蚀电位正移,说明Mn、Zr的加入和水冷铜模铸造方式的共同作用提高了其耐腐蚀性能。微观组织形貌观察显示,6061合金腐蚀程度大,出现局部腐蚀坑;而6061-0.15Mn-0.05Zr合金主要为点蚀。结合实验及文献研究结果,确定实验合金的腐蚀机制符合钝化膜破裂机制和吸附理论。