DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.05.020

耐热Mg-Zn-Si-Ca合金的显微组织和力学性能

宋海宁 袁广银 王渠东 朱燕萍 丁文江

  上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室  

  上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室 上海200030  

摘 要：

开发了一种新型的Mg Zn Si Ca合金 , 研究了新合金的组织与力学性能之间的关系。研究结果表明 , Mg 6Zn 1Si合金有较好的综合力学性能。但是由于合金中的主要强化相Mg2 Si呈粗大的汉字状 , 分布于晶界周围 , 在受到应力作用时 , 这种汉字状相与基体的界面处容易产生微裂纹 , 降低合金的抗拉强度、塑性等力学性能。在Mg 6Zn 1Si合金中加入微量Ca后 , 合金的组织得到明显细化 , 并使Mg2 Si强化相形貌由粗大的汉字状转变为细小、弥散分布的颗粒状。由于显微组织的改善 , 使得Mg 6Zn 1Si合金的室温和高温力学性能均有一定的提高

关键词：

Mg-Zn-Si-Ca合金;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2001-12-21

基金：教育部重大攻关资助项目 ( 0 0 -0 13);

Microstructure and mechanical properties of heat resistant Mg-Zn-Si-Ca alloy

Abstract：

A new type of Mg-Zn-Si-Ca magnesium alloy was developed and the correlation between the microstructure and mechanical properties was studied. The results show that the main strengthening phase Mg 2Si presents as coarse Chinese script distributed around the grain boundary after adding 1%Si (mass fraction) to Mg-Zn alloys. Under stress the microcrack prefers to occur in the interface between the phase Mg 2Si and the matrix. The addition of small amount of Ca to Mg-6Zn-1Si alloys results in refinement of microstructure and the changing of morphology of Mg 2Si phases from coarse Chinese script shape to the fine polygonal shape. Owing to the improvement of microstructure, the mechanical properties of Mg-6Zn-1Si alloys at both ambient and elevated temperatures are increased.

Keyword：

Mg-Zn-Si-Ca alloys; microstructure; mechanical properties;

Received： 2001-12-21

镁的密度小, 比强度和比刚度高, 是可以作为结构材料的最轻的工业元素。 随着人们对能源和环保的日益关注, 镁合金的应用也越来越广泛, 对镁合金的研究开发也越来越引起人们的重视。 但由于镁合金的高温力学性能低, 尤其是当服役温度超过120 ℃后, 一般镁合金的强度和抗蠕变性能都大幅度下降 ^[1,2] 。 因此, 开发新型镁合金是该领域中的一个重要研究方向 ^{[3,4,5,6,7,8]} 。 目前国内外对Mg-Al系合金的力学性能研究较多, 而对Mg-Zn系合金则研究较少, 特别是对含Si的Mg-Zn-Si合金的研究更为少见。 作者从三元Mg-Zn-Si基合金入手, 通过添加Ca进行合金化, 开发了一种Mg-Zn-Si-Ca四元合金, 并系统研究了Mg-Zn-Si-Ca四元合金的显微组织和力学性能之间的关系。

1 实验方法

6种合金均在改制的井式坩埚炉中熔炼, 坩埚容量约为8 kg, 采用0.5% (体积分数) SF₆+CO₂混合气体保护。 主要原料纯度为:Mg 99.98%, Zn 99.9%, Si 100%, Ca 100%。 所得合金成分列于表1。 合金分为2种类型: 第1类不含Ca, 区别在于Zn的含量不同, 目的是进行成分初选, 确定Zn的含量; 第2类合金中, Mg, Zn, Si含量均相等, 主要区别是改变了Ca的含量, 目的在于观察Ca对合金的组织及其室温和高温力学性能的影响。

配制合金前各种原料都被预热至250 ℃。 Si在730 ℃左右加入, 并保温30 min以上, 浇铸前适量搅拌几次, 以确保Si完全熔入合金当中。 静置后浇铸到金属型铸模中 ^[3] 。 铸锭经线切割加工成片状拉伸试样。 试样的标距尺寸为15 mm×3.5 mm×2 mm。 常温和高温拉伸实验都在SHIMADZU AG-100 kN A型岛津实验机上进行, 拉伸速度为1 mm/min, 高温拉伸的温度选择为150 ℃。 试样的显微组织采用光学显微镜观察, 拉伸断口形貌观察

表1 合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions of alloys (mass fraction, %)

Alloy code	Designed Composition					Analyzed composition
	Zn	Si	Ca	Mg		Zn	Si	Ca	Mg
1	4	1		Bal.		3.95	0.85		Bal.
2	6	1		Bal.		6.16	0.86		Bal.
3	8	1		Bal.		8.10	0.87		Bal.
4	6	1	0.25	Bal.		6.16	0.86	0.21	Bal.
5	6	1	0.50	Bal.		6.16	0.86	0.37	Bal.
6	6	1	1.00	Bal.		6.16	0.86	0.83	Bal.

及颗粒相成分分析在带有能谱仪的扫描电镜 (SEM) Philip-505上进行。

2 实验结果

2.1 Zn含量的确定

对1~3号合金制得的拉伸试样进行拉伸实验, 结果如图1所示。 可以看出, 无论室温还是150 ℃条件下, Mg-xZn-1Si合金的σ_b, σ_0.2都随着Zn含量的增加而提高, 而延伸率则随着Zn含量的增加而降低, 尤其是Zn含量大于6%时, 延伸率下降明显, 而且由于随Zn含量的增加, 镁合金的热裂倾向也增大 ^[9,10] , 综合以上因素, 最终把Mg-xZn-1Si三元合金的Zn含量定在6%。 以下实验, 均是在Mg-6Zn-1Si合金基础上进行。

2.2 合金的组织

图2所示为Mg-6Zn-1Si-xCa系合金的铸态显微组织。 分析表明, 2号合金的微观结构由基体及颗粒相组成 (见图2 (a) ) 。 其中, 大块汉字状相为Mg₂Si, 灰色骨骼状析出相经分析为MgZn, 其余白色为镁基体。 Mg₂Si沿晶界分布。 由于Mg₂Si具有熔点高、 密度低、 硬度高和热膨胀系数低 ^[9] 等特点, 因此它有利于合金高温性能的提高。 但是这种汉字状分布的Mg₂Si严重降低合金的室温抗拉强度和延展性。 当加入0.25%的Ca后, Mg₂Si的形态发生了显著变化, 由汉字状转变为细小、弥散分布的颗粒状 (见图2 (b) ) 。 在高倍金相显微镜下可发现, 这种颗粒内部有细小的晶核。 当Ca含量继续增加时, Mg₂Si的形态也随着继续变化, Ca含量增至1%时, 大部分汉字状的Mg₂Si转变为颗粒状, 颗粒尺寸有所变大, 某些Mg₂Si颗粒内部可以明显观察到晶核的存在。 经EDS能谱分析, 发现晶核 (图2 (c) 中箭头A所指) 为一种Ca-Si相, 图2 (d) 所示为该晶核部位的EDS能谱谱线。

用旋转阳极X射线衍射仪对含Ca试样铸态下的相组成进行了分析, 图3所示是6号试样在铸态下的XRD图谱。 结果表明, 铸态下, 在Mg-6Zn-1Si基体中加入Ca后, 生成除了α-Mg, MgZn, Mg₂Si以外, 还生成了新相CaSi₂。 结合EDS和XRD分析结果, 可以推定颗粒状Mg₂Si中发现的晶核核心为CaSi₂相。

2.3 合金的力学性能

Ca含量的变化对合金的室温和高温 (150 ℃) 力学性能产生的影响如图4, 5所示。 从图4中可见, 室温下, 随着Ca的加入, 合金的抗拉强度上升, 屈服强度和塑性也随之上升, 但屈服强度上升并不明显。 当Ca的加入量达到0.25%时, 合金的抗拉强度达到最高, 为170 MPa, 比基体合金 (144 MPa) 提高了18%, 同时塑性达到最大值 (7.1%) 。 当Ca含量继续增加时, 合金的抗拉强度不再上升, 屈服强度虽有小幅上升, 但塑性下降比较明显。

图5与图4相比较可以看出, Ca对合金的强化作用并不因为温度的升高而消失, 并且, 高温下合金强度随Ca含量的变化趋势与在室温下基本一致。 在150 ℃的拉伸条件下, 试样的抗拉强度和延伸率都随Ca的加入而增加, 超过0.25%后开始下降。

2.4 断口形貌分析

图6所示为试样拉伸断口SEM照片。 对拉伸断口的分析表明, 合金的室温拉伸断口均为由解理

图1 Mg-Zn-Si三元合金的力学性能

Fig 1 Mechanical properties of Mg-Zn-Si alloys (a) —At room temperature; (b) —At 150 ℃

图2 合金的铸态显微组织及EDS能谱

Fig.2 As-cast microstructures and EDS pattern of alloys (a) —Alloy 2; (b) —Alloy 4; (c) —Alloy 6; (d) —EDS spectrum from area A in (c)

图3 Mg-6Zn-1Si-1Ca合金的XRD图谱

Fig 3 X-ray diffraction pattern of as-cast alloy Mg-6Zn-1Si-1Ca

和韧窝组成的混合型断口。 其中, 2号合金断口有成片的解理面, 如图6 (a) 中箭头所示。 这是因为Mg-6Zn-1Si合金中, Mg₂Si相呈粗大汉字状, 在拉

图4 Ca对Mg-Zn-Si合金室温力学性能的影响

Fig 4 Effect of Ca content on mechanical propertiesof Mg-Zn-Si alloys room temperature

伸应力下, 微裂纹就会沿着Mg₂Si相与基体的界面处萌生并扩展, 从而形成了如图所示的解理面。 与此相对照, 由于0.25%Ca的加入, Mg₂Si相由粗大的汉字状转变为细小弥散分布的颗粒状, 同时显微组织明显细化。 反映在断口上, 撕裂纹较细, 撕裂

图5 Ca对Mg-Zn-Si合金高温 (150 ℃) 力学性能的影响

Fig.5 Effect of Ca content on mechanical propertiesof Mg-Zn-Si alloys at 150 ℃

图6 合金室温拉伸断口形貌

Fig.6 SEM micrographs showing tensile fracture surface of alloys at room temperature (a) — Mg-6Zn-1Si; (b) —Mg-6Zn-1Si-0.25Ca

纹间距也较密, 局部区域分布些韧窝, 显示合金的塑性得到提高 (图6 (b) ) 。

3 讨论

Mg-6Zn-1Si合金加入适量的Ca后, Mg₂Si的形貌发生了显著的改变。 这是由于Ca与Mg形成了金属间化合物CaSi₂, CaSi₂的熔点较高 (1 245 ℃) , 合金凝固时该相首先凝固, 形成细小、弥散分布的晶核, 随着温度的降低, 这些弥散分布的颗粒相就成为Mg₂Si非均质形核的核心, 从而导致Mg₂Si相形貌的显著变化。 如前所述, 沿晶界分布的汉字状Mg₂Si严重降低合金的力学性能, 而Ca的加入, 改善了合金的显微组织, 使得Mg₂Si呈颗粒状形态, 而且分布更加弥散。 另外, 由于Mg₂Si相热稳定性较高, 对高温下镁合金晶界的滑移起阻碍作用, 从而提高了合金的高温力学性能。 但是随着Ca含量进一步增加, 一方面, 颗粒状的Mg₂Si尺寸变大, 削弱了其颗粒弥散强化的效应;另一方面, 较高的Ca含量使得合金中又生成了较粗大的棒条状Ca-Si相, 该相的存在也会导致合金力学性能下降 ^[10] 。

4 结论

1) Mg-6Zn-1Si合金中添加合金元素Ca后, 能有效改善Mg₂Si的形态, 由粗大汉字状向颗粒状转变。

2) 由于显微组织的改善, 使得适量的合金元素Ca的加入提高了合金的室温、高温强度以及延伸率。

3) 在Mg-6Zn-1Si-1Ca合金中, CaSi₂相成为Mg₂Si相的非匀质形核核心。

4) 当Mg-6Zn-1Si合金中添加合金元素Ca超过0.25%后, 由于Ca与Si发生反应, 生成棒条状的Ca-Si相, 导致合金具体化抗拉强度和延伸率下降。

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