文章编号：1004-0609(2012)08-2148-06

铸态Mg-Sn-Si-Sr合金的显微组织与力学性能

邱克强，郝  帅，尤俊华，任英磊

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870)

摘  要：采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和光学显微镜(OM)分别研究Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2)和Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金的相组成和显微组织，采用力学性能试验机测定合金的拉伸性能。结果表明：Mg-Sn-Si-Sr系合金组织由α-Mg、MgSnSr、Mg₂Sn、Mg₂Si相所组成。Mg₂Si相含量随Si元素的增加而增加，加入Sr元素会促进MgSnSr相的形成，抑制相界上Mg₂Sn相的析出。Sn和Sr均能够细化Mg₂Si相。当Sr含量由0.5%提高到2%(质量分数)后Mg₂Si和Mg₂Sn相均能得到显著细化，从而显著提高合金的抗拉强度与屈服强度。

关键词：Mg-Sn-Si-Sr合金；显微组织；Si影响；Sr影响；力学性能

中图分类号：TG146.2      　　     文献标志码：A

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)

Abstract: 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.

Key words: Mg-Sn-Si-Sr alloys; microstructure; Si effect; Sr effect; mechanical properties
 

镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高，加工性能好、可回收等优点，是汽车、航空航天等领域重点研发的轻质材料^[1-2]。但镁合金的高温性能差，限制其在耐热部件上的应用。研究表明：Si和Sn是提高镁合金耐热性有益的合金化元素^[3-4]，它们与Mg所形成的Mg₂Si和Mg₂Sn相都具有较高的熔点和硬度，不仅可以作为镁合金中的强化相，而且能提高合金的耐热性。因此，通过Sn和Si的联合作用，希望能获得耐热性能更好的镁合金。本文作者以具有较好综合力学性能的Mg-5%Sn合   金^[5]为基础，考察Si含量的变化对组织和力学性能的影响。但是镁合金加入Si所形成的Mg₂Si相一般为粗大的汉字状和树枝状形态^[6-7]，对合金的力学性能具有不利的影响，因此必须改变Mg₂Si相的形貌。加入稀土元素(Y、Nd、Ce等)能够细化Mg₂Si相^[8-10]，但是稀士元素价格昂贵，使所研发的镁合金不具有市场竞争能力。加入碱土元素(Sr、Ca)同样可以细化Mg₂Si      相^[11-14]，但在Mg-5%Sn合金中加入超过1%Ca后，不仅使合金的热烈倾向增加^[15]，而且在基体中析出粗大的CaMgSn相^[16]，降低合金的力学性能，因此，本文作者选用Sr作为改变Mg₂Si形貌的合金化元素。已有实验结果表明，Sr的加入也能使铸态Mg-5%Sn合金的组织细化和力学性能有所提高^[17]，因此，通过在Mg-5%Sn合金中同时引入Si和Sr，达到形成高熔点强化相Mg₂Si、Mg₂Sn、MgSnSr和细化Mg₂Si相的目的。

1  实验

采用纯度为99.9%(质量分数)的Mg、Sn金属，以及Mg-30%Si、Mg-30%Sr中间合金，按质量分数配制Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2)和Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金。采用井式坩埚电阻炉进行熔炼，熔炼过程中通入N₂和SF₆的混合气体进行熔体保护。将镁锭和Mg-30%Si中间合金加热至700 ℃完全熔化后，加入金属Sn和Mg-30%Sr中间合金，并将温度调到680 ℃保温20 min，然后进行人工搅拌，静置10 min后将液态金属浇铸到直径为120 mm的铸铁模中。

采用XRD-7000型X射线衍射仪对合金物相进行分析。金相试样采用乙酸乙二醇(1 mL硝酸+19 mL乙酸+60 mL乙二醇+20 mL蒸馏水)溶液腐蚀，并在Zeiss Observer A1M显微镜上进行金相观察。采用S-3400N型扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)进行组织、断口形貌和成分分析。使用WDW-100型电子万能试验机进行拉伸实验。拉伸样品尺寸如图1所示，其标距段长度为10 mm，样品厚度为2 mm，每个成分至少测试3个样品。

图1  拉伸试样尺寸

Fig. 1  Dimension of tensile test specimen (mm)

2  结果与分析

图2所示为Mg-5Sn-1Si-0.5Sr和Mg-5Sn-2Si-0.5Sr合金的XRD谱。图2中表明这两种合金含有α-Mg、MgSnSr、Mg₂Sn、Mg₂Si相。可以看出，Sr的加入可以形成MgSnSr相。图3所示为Mg-5Sn-1Si-2Sr合金和Mg-5Sn-2Si-2Sr合金的XRD谱。这两种合金同样含有α-Mg、MgSnSr、Mg₂Sn和Mg₂Si相。从衍射峰强度的大小可以初步判定，Mg₂Sn和Mg₂Si相有所减少，而MgSnSr相有所增加。

图4所示为Mg-5Sn-xSi-0.5Sr合金的光学组织，通过固定Sr含量为0.5%变化Si含量，考察合金组织的变化。在Si含量为1%时(图4(a))，在相界上形成由块状和条状所组成的断续网状组织，同时在基体内观察到细小的颗粒和条状组织。在Si含量为2%时(图4(b))，仅在相界上观察到较大的颗粒组织。图4(c)和(d)为Mg-5Sn-ySi-2Sr合金的组织形貌，与图4(a)和(b)相比，当Sr的含量增加到2%时，组织中块状和条状相明显减少，同时观察到大量细小针状和颗粒状第二相从基体析出。可见，增加Sr的含量会抑制晶界上块状组织的析出，促进细小针状和颗粒状组织的形成。Si含量从1%增加到2%造成两方面的变化，一是细小颗粒状析出相向条状发展，二是析出相有增加的趋势。

图2  铸态Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2)合金XRD谱

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

图3  铸态Mg-5Sn-ySi-2Sr(y=1, 2)合金的XRD谱

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

图4  铸态Mg-Sn-Si-Sr合金光学组织

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
 

为了进一步说明析出相的特点，图5所示为Mg-Sn-Si-Sr系列合金的SEM像。图5(a)和(b)所示为Mg-5Sn-xSi-0.5Sr合金的显微组织，经过EDS(表1)和XRD(图2)分析可知，α-Mg相内细小的颗粒状组织为MgSnSr相，Mg₂Si和Mg₂Sn相以条状和块状的形貌断续在α-Mg相界上析出，在1%Si合金中，其中比较大的粗块状组织以Mg₂Sn相为主，相对细小的长条状组织以Mg₂Si为主。当Si含量从1%增加到2%时，Mg₂Si相含量有所增加，Mg₂Si和Mg₂Sn尺寸相当，MgSnSr相析出的量较少，只在部分区域观察到。图5(c)和(d)所示为Mg-5Sn-ySi-2Sr合金的显微组织。经过EDS(表1)和XRD(图3)分析可知，组织中大量点状和细条状相为MgSnSr相，Mg₂Sn和Mg₂Si相以块状和条状在相界上析出，与Mg-5Sn-xSi-0.5Sr合金相比，Mg₂Sn和Mg₂Si相的尺寸都显著减小。

由Mg-Si和Mg-Sn二元相图可知，Si在镁中的固溶度极低，凝固过程中大部分Si与Mg反应，并以Mg₂Si形式析出。在Mg-Sn二元相图富Mg侧的共晶转变温度561.2 ℃处，Sn在镁中的最大固溶度为14.85%，但在室温下几乎为0，Sn在镁中的固溶度随温度下降而快速减少，会促进Mg₂Sn相析出。由Mg-Sr和Sn-Sr二元相图可知，室温下Sr在Mg和Sn中几乎不固溶，所以Sr必然以某一化合物的形式析出。根据表1分析结果可知，所析出的MgSnSr相的成分在一定范围内波动。同时，Mg₂Sn和Mg₂Si相中分别含有一定量的Si和Sn元素，这说明第二相形貌的改变与合金或相的成分改变有关。

上述实验结果表明，加入Si会形成Mg₂Si相，且其数量随Si含量的增加而增加，并使MgSnSr相由细小颗粒向条状线发展。在铸态组织中，没有发现粗大的汉字状Mg₂Si相。这是由于大量Sn元素的存在，能使汉字状的Mg₂Si相变为多角形块状组织^[18]。因此，在含有0.5%Sr的合金中，细化Mg₂Si相主要来至于元素Sn的作用。对于含1%Si的合金，由于Mg₂Sn的包晶凝固过程^[19]，抑制了共晶Mg₂Si的生长。而对2%Si的合金，Sn对初生Mg₂Si的细化作用表现在，低熔点的Sn原子通过界面溶质再分配吸附在Mg₂Si相的生长前沿，抑制初生Mg₂Si的生长。当Sr含量由0.5%增加到2%后，MgSnSr相的含量显著增加，MgSnSr消耗一些Sn元素，因此，组织中Mg₂Sn相的含量明显减少并细化。同时，Mg₂Si相得到细化，这与前面XRD分析结果是一致的。可见加入Sr元素会促进MgSnSr相形成，而抑制Mg₂Sn相的形成，同时能够进一步细化Mg₂Si和Mg₂Sn相。Sr的细化机理目前  还不完全清楚，但是可以肯定的一点是，由于Sr在Mg中的溶解度有限，能富集在液固界面前沿，提高合金凝固过程中的动力学过冷度达到细化组织或晶粒的目的^[20-21]。

表2所列为铸态合金在室温下的力学性能。从表2中可以看出，当Si含量由1%提高2%后，合金的抗拉强度、屈服强度均得到提高，但是提高幅度有限。而当Sr由0.5%提高2%后，在相同Si含量下二者提高的幅度较大。在Sr含量为0.5%时，合金的力学性能较差，这是由于合金组织中存在较大的长条或块状Mg₂Si和Mg₂Sn相，在应力的作用下裂纹会沿着块状相与α-Mg基体间的界面处扩展，从而导致合金的力学性能下降。当提高Sr元素含量后，Mg₂Si和Mg₂Sn相均被显著细化，因此，合金的抗拉强度和屈服强度均有较大幅度的提高，但是，Sr的含量不能过高。对于Mg-5Sn合金，在Sr含量超过2.4%后，性能将下   降^[17]。这是由于颗粒状MgSnSr相显著减少，棒状MgSnSr相增多的结果。在Sr含量达到4.8%时，Mg-Sn- Sr合金中粗大的MgSnSr相如同Mg-Sn-Ca合金中粗大的CaMgSn一样，对性能具有显著降低的作用^{[17, 22]}。

图6所示为铸态Mg-Sn-Si-Sr合金室温拉伸试样的断口形貌。断口表面存在一定数量的解理面和台阶，在拉伸断面的局部区域也观察到一些撕裂脊和韧窝，可以看出铸态Mg-Sn-Si-Sr合金的拉伸断面具有解理和准解理断裂的混合特征。图6(a)和(b)所示为含Sr0.5%合金Mg-5Sn-1Si-0.5Sr和 Mg-5Sn-2Si-0.5Sr的断口形貌，主要由解理台阶形成的河流花样和解理面所组成，为解理断裂特征，合金的抗拉强度和塑性较低。图6(c)所示为Mg-5Sn-1Si-2Sr合金断口形貌，由解理面和韧窝组成的混合断口形貌，局部区域也观察到一些撕裂脊，合金抗拉强度和塑性有所提高。图6(d)所示为Mg-5Sn-2Si-2Sr合金断口形貌，观察到大量的撕裂脊，解理面显著减小，并伴随有一定数量的韧窝出现，为混合断口形貌，显示合金有较好的抗拉强度和一定的塑性。

图5  铸态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  铸态Mg-Sn-Si-Sr合金的EDS分析结果

Table 1  EDS results of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys (mole fraction, %)

表2  铸态Mg-Sn-Si-Sr室温下的力学性能

Table 2  Mechanical properties of as-cast Mg-Sn-Si-Sr alloys at room temperature

图6  铸态Mg-Sn-Si-Sr合金拉伸试样断口形貌

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  结论

1) 在Mg-5Sn-xSi-0.5Sr(x=1, 2) 合金中，块状与条状Mg₂Sn、Mg₂Si相分布在α-Mg相界上。在Si含量为1%时，Mg₂Sn相尺寸较Mg₂Si大，并在α-Mg相内出现少量块状MgSnSr相；在Si含量为2%时，块状Mg₂Si相数量增多，尺寸与Mg₂Sn相相当，没有发现粗大的Mg₂Si相。

2) 与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相显著细化，分布在α-Mg基体内的MgSnSr相数量增多，并随Si含量的增加MgSnSr形貌由细小粒状向细小条状发展。

3) 当Si和Sr含量分别由1%提高到2%和由0.5%提高到2%时，铸态Mg-Sn-Si-Sr合金的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率均有提高。在相同Si含量的条件下，提高Sr的含量，能更为显著地提高合金的力学性能。

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(编辑 李艳红)

基金项目：沈阳市科技攻关计划(F10-063-2-00)；辽宁省科技攻关计划(2010221005)

收稿日期：2011-07-25；修订日期：2011-11-12

通信作者：邱克强，教授，博士；电话：024-25499927；E-mail: kqqiu@yahoo.com.cn