鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金的顯微組織與力學性能

邱克強，郝 帥，尤俊華，任英磊

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金的顯微組織與力學性能

邱克強，郝 帥，尤俊華，任英磊

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

采用 X 射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)和光學顯微鏡(OM)分別研究 Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2)和Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金的相組成和顯微組織，采用力學性能試驗機測定合金的拉伸性能。結(jié)果表明：Mg-Sn-Si-Sr系合金組織由α-Mg、MgSnSr、Mg2Sn、Mg2Si相所組成。Mg2Si相含量隨Si元素的增加而增加，加入Sr元素會促進MgSnSr相的形成，抑制相界上Mg2Sn相的析出。Sn和Sr均能夠細化Mg2Si相。當Sr含量由0.5%提高到2%(質(zhì)量分數(shù))后Mg2Si和Mg2Sn相均能得到顯著細化，從而顯著提高合金的抗拉強度與屈服強度。

Mg-Sn-Si-Sr合金；顯微組織；Si影響；Sr影響；力學性能

鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度和比剛度高，加工性能好、可回收等優(yōu)點，是汽車、航空航天等領(lǐng)域重點研發(fā)的輕質(zhì)材料[1-2]。但鎂合金的高溫性能差，限制其在耐熱部件上的應(yīng)用。研究表明：Si和Sn是提高鎂合金耐熱性有益的合金化元素[3-4]，它們與Mg所形成的Mg2Si和Mg2Sn相都具有較高的熔點和硬度，不僅可以作為鎂合金中的強化相，而且能提高合金的耐熱性。因此，通過 Sn和Si的聯(lián)合作用，希望能獲得耐熱性能更好的鎂合金。本文作者以具有較好綜合力學性能的 Mg-5%Sn合金[5]為基礎(chǔ)，考察Si含量的變化對組織和力學性能的影響。但是鎂合金加入Si所形成的Mg2Si相一般為粗大的漢字狀和樹枝狀形態(tài)[6-7]，對合金的力學性能具有不利的影響，因此必須改變Mg2Si相的形貌。加入稀土元素(Y、Nd、Ce等)能夠細化Mg2Si相[8-10]，但是稀士元素價格昂貴，使所研發(fā)的鎂合金不具有市場競爭能力。加入堿土元素(Sr、Ca)同樣可以細化 Mg2Si相[11-14]，但在Mg-5%Sn合金中加入超過1%Ca后，不僅使合金的熱烈傾向增加[15]，而且在基體中析出粗大的CaMgSn相[16]，降低合金的力學性能，因此，本文作者選用Sr作為改變Mg2Si形貌的合金化元素。已有實驗結(jié)果表明，Sr的加入也能使鑄態(tài)Mg-5%Sn合金的組織細化和力學性能有所提高[17]，因此，通過在Mg-5%Sn合金中同時引入Si和Sr，達到形成高熔點強化相Mg2Si、Mg2Sn、MgSnSr和細化Mg2Si相的目的。

1 實驗

采用純度為99.9%(質(zhì)量分數(shù))的Mg、Sn金屬，以及Mg-30%Si、Mg-30%Sr中間合金，按質(zhì)量分數(shù)配制Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2)和 Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金。采用井式坩堝電阻爐進行熔煉，熔煉過程中通入N2和 SF6的混合氣體進行熔體保護。將鎂錠和Mg-30%Si中間合金加熱至700 ℃完全熔化后，加入金屬Sn和Mg-30%Sr中間合金，并將溫度調(diào)到680 ℃保溫20 min，然后進行人工攪拌，靜置10 min后將液態(tài)金屬澆鑄到直徑為120 mm的鑄鐵模中。

采用XRD-7000型X射線衍射儀對合金物相進行分析。金相試樣采用乙酸乙二醇(1 mL硝酸+19 mL乙酸+60 mL乙二醇+20 mL蒸餾水)溶液腐蝕，并在Zeiss Observer A1M顯微鏡上進行金相觀察。采用S-3400N型掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)進行組織、斷口形貌和成分分析。使用WDW-100型電子萬能試驗機進行拉伸實驗。拉伸樣品尺寸如圖1所示，其標距段長度為10 mm，樣品厚度為2 mm，每個成分至少測試3個樣品。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig. 1 Dimension of tensile test specimen (mm)

圖2 鑄態(tài)Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2)合金XRD譜Fig. 2 XRD patterns of as-cast Mg-5Sn-xSi-0.5Sr (x=1, 2)alloys: (a) Mg-5Sn-1Si-0.5Sr; (b) Mg-5Sn-2Si-0.5Sr

圖3 鑄態(tài)Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金的XRD譜Fig. 3 XRD patterns of as-cast Mg-5Sn-ySi-2Sr (y=1, 2)alloys: (a) Mg-5Sn-1Si-2Sr; (b) Mg-5Sn-2Si-2Sr

2 結(jié)果與分析

圖2所示為Mg-5Sn-1Si-0.5Sr和Mg-5Sn-2Si-0.5Sr合金的XRD譜。圖2中表明這兩種合金含有α-Mg、MgSnSr、Mg2Sn、Mg2Si相。可以看出，Sr的加入可以形成MgSnSr相。圖3所示為Mg-5Sn-1Si-2Sr合金和Mg-5Sn-2Si-2Sr合金的XRD譜。這兩種合金同樣含有α-Mg、MgSnSr、Mg2Sn和Mg2Si相。從衍射峰強度的大小可以初步判定，Mg2Sn和Mg2Si相有所減少，而MgSnSr相有所增加。

圖4所示為Mg-5Sn-xSi-0.5Sr合金的光學組織，通過固定Sr含量為0.5%變化Si含量，考察合金組織的變化。在Si含量為1%時(圖4(a))，在相界上形成由塊狀和條狀所組成的斷續(xù)網(wǎng)狀組織，同時在基體內(nèi)觀察到細小的顆粒和條狀組織。在 Si含量為 2%時(圖4(b))，僅在相界上觀察到較大的顆粒組織。圖 4(c)和(d)為Mg-5Sn-ySi-2Sr合金的組織形貌，與圖4(a)和(b)相比，當Sr的含量增加到2%時，組織中塊狀和條狀相明顯減少，同時觀察到大量細小針狀和顆粒狀第二相從基體析出?？梢?，增加Sr的含量會抑制晶界上塊狀組織的析出，促進細小針狀和顆粒狀組織的形成。Si含量從1%增加到2%造成兩方面的變化，一是細小顆粒狀析出相向條狀發(fā)展，二是析出相有增加的趨勢。

圖4 鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金光學組織Fig. 4 Optical microstructures of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys: (a) Mg-5Sn-1Si-0.5Sr; (b) Mg-5Sn-2Si-0.5Sr; (c) Mg-5Sn- 1Si-2Sr;(d) Mg-5Sn-2Si-2Sr

為了進一步說明析出相的特點，圖 5所示為Mg-Sn-Si-Sr系列合金的SEM像。圖5(a)和(b)所示為Mg-5Sn-xSi-0.5Sr合金的顯微組織，經(jīng)過EDS(表1)和XRD(圖2)分析可知，α-Mg相內(nèi)細小的顆粒狀組織為MgSnSr相，Mg2Si和Mg2Sn相以條狀和塊狀的形貌斷續(xù)在α-Mg相界上析出，在1%Si合金中，其中比較大的粗塊狀組織以Mg2Sn相為主，相對細小的長條狀組織以Mg2Si為主。當Si含量從1%增加到2%時，Mg2Si相含量有所增加，Mg2Si和Mg2Sn尺寸相當，MgSnSr相析出的量較少，只在部分區(qū)域觀察到。圖5(c)和(d)所示為Mg-5Sn-ySi-2Sr合金的顯微組織。經(jīng)過EDS(表1)和XRD(圖3)分析可知，組織中大量點狀和細條狀相為MgSnSr相，Mg2Sn和Mg2Si相以塊狀和條狀在相界上析出，與Mg-5Sn-xSi-0.5Sr合金相比，Mg2Sn和Mg2Si相的尺寸都顯著減小。

由Mg-Si和Mg-Sn二元相圖可知，Si在鎂中的固溶度極低，凝固過程中大部分 Si與 Mg反應(yīng)，并以Mg2Si形式析出。在Mg-Sn二元相圖富Mg側(cè)的共晶轉(zhuǎn)變溫度 561.2 ℃處，Sn在鎂中的最大固溶度為14.85%，但在室溫下幾乎為0，Sn在鎂中的固溶度隨溫度下降而快速減少，會促進Mg2Sn相析出。由Mg-Sr和Sn-Sr二元相圖可知，室溫下Sr在Mg和Sn中幾乎不固溶，所以Sr必然以某一化合物的形式析出。根據(jù)表1分析結(jié)果可知，所析出的MgSnSr相的成分在一定范圍內(nèi)波動。同時，Mg2Sn和Mg2Si相中分別含有一定量的Si和Sn元素，這說明第二相形貌的改變與合金或相的成分改變有關(guān)。

上述實驗結(jié)果表明，加入Si會形成Mg2Si相，且其數(shù)量隨Si含量的增加而增加，并使MgSnSr相由細小顆粒向條狀線發(fā)展。在鑄態(tài)組織中，沒有發(fā)現(xiàn)粗大的漢字狀Mg2Si相。這是由于大量Sn元素的存在，能使?jié)h字狀的Mg2Si相變?yōu)槎嘟切螇K狀組織[18]。因此，在含有0.5%Sr的合金中，細化Mg2Si相主要來至于元素Sn的作用。對于含1%Si的合金，由于Mg2Sn的包晶凝固過程[19]，抑制了共晶Mg2Si的生長。而對2%Si的合金，Sn對初生Mg2Si的細化作用表現(xiàn)在，低熔點的Sn原子通過界面溶質(zhì)再分配吸附在Mg2Si相的生長前沿，抑制初生Mg2Si的生長。當Sr含量由0.5%增加到 2%后，MgSnSr相的含量顯著增加，MgSnSr消耗一些Sn元素，因此，組織中Mg2Sn相的含量明顯減少并細化。同時，Mg2Si相得到細化，這與前面XRD分析結(jié)果是一致的?？梢娂尤?Sr元素會促進MgSnSr相形成，而抑制Mg2Sn相的形成，同時能夠進一步細化Mg2Si和Mg2Sn相。Sr的細化機理目前還不完全清楚，但是可以肯定的一點是，由于 Sr在Mg中的溶解度有限，能富集在液固界面前沿，提高合金凝固過程中的動力學過冷度達到細化組織或晶粒的目的[20-21]。

圖5 鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr系列合金的SEM像Fig. 5 SEM images of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys: (a) Mg-5Sn-1Si-0.5Sr; (b) Mg-5Sn-2Si-0.5Sr; (c) Mg-5Sn-1Si-2Sr;(d) Mg-5Sn-2Si-2Sr

表1 鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金的EDS分析結(jié)果Table1 EDS results of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys (mole fraction, %)

表2所列為鑄態(tài)合金在室溫下的力學性能。從表2中可以看出，當Si含量由1%提高2%后，合金的抗拉強度、屈服強度均得到提高，但是提高幅度有限。而當Sr由0.5%提高2%后，在相同Si含量下二者提高的幅度較大。在Sr含量為0.5%時，合金的力學性能較差，這是由于合金組織中存在較大的長條或塊狀Mg2Si和Mg2Sn相，在應(yīng)力的作用下裂紋會沿著塊狀相與α-Mg基體間的界面處擴展，從而導致合金的力學性能下降。當提高Sr元素含量后，Mg2Si和Mg2Sn相均被顯著細化，因此，合金的抗拉強度和屈服強度均有較大幅度的提高，但是，Sr的含量不能過高。對于Mg-5Sn合金，在Sr含量超過2.4%后，性能將下降[17]。這是由于顆粒狀 MgSnSr相顯著減少，棒狀MgSnSr相增多的結(jié)果。在Sr含量達到4.8%時，Mg-Sn-Sr合金中粗大的MgSnSr相如同Mg-Sn-Ca合金中粗大的CaMgSn一樣，對性能具有顯著降低的作用[17,22]。

圖6所示為鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金室溫拉伸試樣的斷口形貌。斷口表面存在一定數(shù)量的解理面和臺階，在拉伸斷面的局部區(qū)域也觀察到一些撕裂脊和韌窩，可以看出鑄態(tài) Mg-Sn-Si-Sr合金的拉伸斷面具有解理和準解理斷裂的混合特征。圖 6(a)和(b)所示為含 Sr 0.5%合金Mg-5Sn-1Si-0.5Sr和 Mg-5Sn-2Si-0.5Sr的斷口形貌，主要由解理臺階形成的河流花樣和解理面所組成，為解理斷裂特征，合金的抗拉強度和塑性較低。圖6(c)所示為Mg-5Sn-1Si-2Sr合金斷口形貌，由解理面和韌窩組成的混合斷口形貌，局部區(qū)域也觀察到一些撕裂脊，合金抗拉強度和塑性有所提高。圖6(d)所示為Mg-5Sn-2Si-2Sr合金斷口形貌，觀察到大量的撕裂脊，解理面顯著減小，并伴隨有一定數(shù)量的韌窩出現(xiàn)，為混合斷口形貌，顯示合金有較好的抗拉強度和一定的塑性。

表2 鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr室溫下的力學性能Table2 Mechanical properties of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys at room temperature

圖6 鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金拉伸試樣斷口形貌Fig. 6 Morphologies of tensile fracture surfaces for as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys: (a) Mg-5Sn-1Si-0.5Sr; (b) Mg-5Sn-2Si-0.5Sr;(c) Mg-5Sn-1Si-2Sr; (d) Mg-5Sn-2Si-2Sr

3 結(jié)論

1) 在 Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2) 合金中，塊狀與條狀Mg2Sn、Mg2Si相分布在α-Mg相界上。在Si含量為1%時，Mg2Sn相尺寸較Mg2Si大，并在α-Mg相內(nèi)出現(xiàn)少量塊狀MgSnSr相；在Si含量為2%時，塊狀Mg2Si相數(shù)量增多，尺寸與Mg2Sn相相當，沒有發(fā)現(xiàn)粗大的Mg2Si相。

2) 與 Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2) 合金相比，在Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金中，分布在α-Mg相界上的Mg2Sn和Mg2Si相顯著細化，分布在α-Mg基體內(nèi)的MgSnSr相數(shù)量增多，并隨Si含量的增加MgSnSr形貌由細小粒狀向細小條狀發(fā)展。

3) 當Si和Sr含量分別由1%提高到2%和由0.5%提高到2%時，鑄態(tài)Mg-Sn-Si-Sr合金的室溫抗拉強度、屈服強度和伸長率均有提高。在相同 Si含量的條件下，提高Sr的含量，能更為顯著地提高合金的力學性能。

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Microstructure and mechanical properties of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys

QIU Ke-qiang, HAO Shuai, YOU Jun-hua, REN Ying-lei
(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The phase constituent and microstructure of as-cast Mg-5Sn-xSi-0.5Sr (x=1, 2) and Mg-5Sn-ySi-2Sr (y=1, 2)alloys were analyzed by X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy (OM),respectively. The mechanical tester was employed to obtain the tensile properties of the alloys. The results show that MgSnSr, Mg2Sn and Mg2Si phases are precipitated on the α-Mg phase boundary or in the phase for as-cast Mg-Sn-Si-Sr series alloys. The volume fractions of Mg2Si phase increase with the Si element increasing. The addition of Sr element can promote the formation of MgSnSr phase and inhibit the precipitation of Mg2Sn phase on the phase boundary. While the Mg2Si phase can be refined through adding Sn and Sr elements. Furthermore, when the Sr content increases from 0.5% to 2% (mass fraction), both the Mg2Si and Mg2Sn phases are refined significantly. Therefore, the tensile and yield strengths of the alloys are obviously enhanced.

Mg-Sn-Si-Sr alloys; microstructure; Si effect; Sr effect; mechanical properties

TG146.2

A

1004-0609(2012)08-2148-06

沈陽市科技攻關(guān)計劃(F10-063-2-00)；遼寧省科技攻關(guān)計劃(2010221005)

2011-07-25；

2011-11-12

邱克強，教授，博士；電話：024-25499927；E-mail: kqqiu@yahoo.com.cn

(編輯 李艷紅)