文章编号：1004-0609(2008)09-1596-06

Sr对AZ91镁合金组织及力学性能的影响

白  星^{1, 2}，胡文俊²，张立强²，王  冠²，李落星^{1, 2}

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；

2. 湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082)

摘  要：采用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等研究Sr对AZ91镁合金组织及力学性能的影响。结果表明：添加微量Sr可以细化并离散AZ91合金的铸态共晶组织，在合金晶界处Sr与Al生成多角块状或杆状的Al₄Sr高熔点相；当Sr含量为0.2%时，AZ91-0.2Sr合金的综合力学性能最优，AZ91-Sr合金的时效进程与AZ91合金相比明显被抑制。由于这些析出相及合金晶界附近Al₄Sr高熔点相的强化作用，AZ91-0.2Sr合金经T6处理后的室温和高温力学性能皆优于原AZ91合金的。

关键词：AZ91镁合金；锶；合金化；T6处理；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.2　　     文献标识码：A

Effect of Sr on microstructures and mechanical properties of

 AZ91 Mg alloys

BAI Xing^{1, 2}, HU Wen-jun², ZHANG Li-qiang², WANG Guan², LI Luo-xing^{1, 2}

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University,

Changsha 410082, China;

2. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The effect of Sr on microstructures and tensile properties of AZ91 Alloys were investigated by optical microscope, scan electron microscope and X-ray diffraction analyzer. The results show that Sr addition can refine and disperse the net-distributed eutectic structure, high-melting point Al₄Sr phase with rob or blocky shaped morphology is observed at the grain boundaries of as-cast AZ91 alloy with Sr additions. AZ91-0.2Sr alloy obtains the best tensile properties comparing with AZ91 and other AZ91-Sr alloys. Comparing with AZ91 alloy, the occurrence of peak hardness of AZ91-0.2Sr alloy is delayed during the aging process. Because of the hard effects of the defined precipitated phase and high-melting point Al₄Sr phase, AZ91-0.2Sr alloy after T6-treated also obtains the better tensile properties than that of the former AZ91 alloy at room temperature and 175 ℃.

Key words: AZ91 Mg alloy; Sr; alloying; T6 treatment; microstructure; mechanical properties

AZ91镁合金具有良好的铸造性能和综合力学性能，已成为目前镁合金领域研究和应用的重点^[1]。然而，对于实际结构件的应用要求，其仍存在室温及高温性能不够优异及耐蚀性差等缺点，从而使其在汽车和航空等领域的轻量化应用受到很大程度的限制^[2]。为此，研究者针对AZ91合金做了大量的合金化改性工作。已有研究表明^[3?4]：合金中添加混合稀土(RE)、Sb、Th和Ag等元素，可在一定程度上改善AZ91镁合金的室温和高温性能及蠕变性能。但该类合金化元素普遍昂贵，开发出合金的成本较高。碱土元素价格低廉，且其在镁合金合金化过程中具有细化组织、生成高熔点强化相等优良特性，成为近年来国内外开发低成本、高性能镁合金的研究热点^[5?6]。汤彬等^[7]、BAI等^[8]和HIRAI等^[9]已研究了Ca和Sr复合合金化及不同Al含量对镁铝系合金组织和性能的影响，结果表明：Ca可提高合金的耐热性，但合金的抗热裂性却大幅降低；Sr虽然可对加Ca合金组织中块状析出物起到变质和修复等作用，但合金抗热裂性的改善却不明显；在加Ca和Sr的合金中降低Al含量虽然可以改善合金的耐热性，却使得高Al含量镁合金易于铸造的优势明显降低。基于以上研究背景，本文作者拟选取AZ91合金为基体，单独添加碱土元素Sr，在镁合金易于铸造的前提下，研究了其对AZ91合金铸态和T6态组织和力学性能的影响规律，旨在为开发成本低、铸造性能好、综合力学性能优异的镁合金提供指导。

1  实验

本研究的合金成分如表1所列。合金的主要原料为：镁(99.98%)、铝(99.6%)、锌(99.9%)、电解锰(95.0%)，锶以Al-10%Sr中间合金的形式加入。熔炼过程中采用RJ2号熔剂阻燃、精炼合金液。合金在720 ℃下保温20 min后浇注到250 ℃预热的金属模中。

表1  实验合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of alloys

T6处理在箱式电阻炉中进行，炉内温差为±2 ℃。为防止试样氧化，将处理试样用铝箔包覆，埋于石墨粉中。合金在410 ℃下固溶，保温20 h后在25 ℃的水中淬火。时效在180 ℃下进行，保温0~175 h后出炉空冷。

将样品经打磨、抛光后用作组织分析，用4%硝酸酒精(硝酸4%，酒精96%，体积分数；腐蚀时间为10 s)或苦味酸钠溶液(苦味酸1.5 g，乙醇25 mL，乙酸5 mL，腐蚀时间15 s)腐蚀。利用Leitz?MM?6卧式金相显微镜和JEOL JSM?5600LV 型扫描电子显微镜(SEM)分析合金的组织形貌，并用该扫描电子显微镜附带的能谱仪(EDS)对颗粒相进行成分分析。采用HBRVU?187.5 型布洛维光学硬度计测定合金的硬度。使用WDW?E3200 微机控制电子万能实验机测试合金的室温(25 ℃)和高温(175 ℃)力学性能，试样的标距尺寸为18 mm×6 mm×2 mm。物相分析使用德国SIEMENS D5000 X射线衍射仪，加速电压为30 kV，电流为20 mA，衍射靶为Cu K_a，步进扫描步长为0.02?，扫描范围为20?~90?。

2  结果与讨论

2.1  Sr对AZ91合金铸态组织及力学性能的影响

图1所示为不同Sr含量对AZ91合金显微组织的影响。由图1可看出，AZ91合金的显微组织主要由呈白色的初生α-Mg相和晶界处深色网状连续分布的共晶相组成，该共晶组织具有典型的离异共晶特    征^[10](见图1(a))；当Sr含量为0.05%和0.1%时，合金的共晶组织被细化且其体积分数明显减少，共晶组织也由连续网状趋向离散分布(见图1(b)和(c))；当Sr含量增至0.2%和0.3%时，共晶体的体积分数没有明显变化(见图1(d)和(e))。AZ91合金添加0.2%Sr后的XRD谱如图2所示。分析得出，AZ91-0.2Sr合金中除了含有α-Mg和β-Mg₁₇Al₁₂两相外，组织中还出现了Al₄Sr新相，但其峰强较弱。对AZ91-0.2Sr合金的组织进行SEM和EDS分析，其结果如图3所示。由图3可看出，A、B两处为α相和β相；C处存在一定量的Mn和Al，由文献[11]可判定其为AlMn相；D处含有一定量的Sr(见图3(b))，结合XRD分析结果可知，该白色块状物为Al₄Sr相。

图1  不同Sr含量AZ91镁合金的显微组织

Fig.1  Microstructures of AZ91 Mg alloy with different Sr contents: (a) AZ91; (b) AZ91-0.05Sr; (c) AZ91-0.1Sr; (d) AZ91-0.2Sr; (e) AZ91-0.3Sr

图2  AZ91-0.2Sr合金的XRD谱

Fig.2  XRD pattern of AZ91-0.2Sr alloy

图3  AZ91-0.2Sr合金的背散射电子形貌及D点能谱分析

Fig.3  BSE image of AZ91-0.2Sr alloy(a) and EDS analyses of D point(b)

Sr是表面活性元素，在合金的凝固过程中一般偏聚在固/液界面前沿，其生长限制因子(GRF)值为3.51^[12]，因此，Sr能阻碍晶粒生长，细化共晶组织。据文献[13]报道，在相同的冷却条件下，Sr 可使合金凝固过程的过冷度减小。根据Kurfman理论，过冷度的减小也意味着合金组织的细化。Sr在基体Mg中的溶解度仅为0.11%，且在基体中固溶的Al原子会使Sr的固溶度更低。PEKGULERYUZ等^[14]研究Mg-Al-Sr合金的微观组织得出，当w(Sr)/w(Al)值低于0.3时，合金中主要存在Al₄Sr相。另外根据PARVEZ    等^[15]对22种Mg-Al-Sr系合金的研究结果可以认定，当Sr含量在0.3%以内时，固溶后多余的Sr与Al化合生成了Al₄Sr相，而没有Mg-Al-Sr三元相。由图3可知，Al₄Sr相主要偏聚在晶界附近，形态呈多角块状和杆状，大小不一。

图4所示为不同Sr含量对AZ91合金室温和高温力学性能的影响。由图4(a)可知，添加Sr总体上提高了AZ91合金的室温力学性能，当Sr含量为0.2%时，综合力学性能最优，其抗拉强度和伸长率分别增至210 MPa和6.0%；随着Sr含量的变化，合金高温性能的变化趋势与室温下一致，AZ91-0.2Sr合金也具有最优的高温力学性能(见图4(b))。固溶强化和二次相粒子的晶界强化是提高镁合金性能的主要措施^[16]。在本研究的合金中，Sr和Al的固溶使晶格畸变程度增加，合金基体得到增强。晶界上Al₄Sr粒子相能增强基体和晶界相的约束，阻止位错在晶界上的扩展，特别是在高温情况下钉扎了晶界并阻止晶界处β相的滑移，最终增强了AZ91合金。另外，Sr使枝晶得到了细化，晶间共晶体网状被打断且体积分数减少，均减弱了脆性共晶组织对基体的束缚作用，有利于进一步发挥基体的塑性，也使合金的强度增加；但随Sr含量的进一步增加，晶界附近会产生较多的Al₄Sr硬脆相，由此增加了合金的脆性，降低了合金的韧性和强度(见图4)，AZ91-0.3Sr合金的抗拉强度和伸长率都有所的下降。

图4  Sr含量对AZ91合金拉伸性能的影响

Fig.4  Effects of Sr contents on tensile properties of AZ91 alloy at different temperatures: (a) RT; (b) 175 ℃

2.2  Sr对AZ91合金T6态组织及力学性能的影响

图5所示为AZ91和AZ91-0.2Sr合金的硬度随时效时间的变化。由图5可看出， AZ91-0.2Sr合金的硬度随时效时间的延长增加较慢，时效峰值出现的时

图5  180 ℃时效时合金硬度随时间的变化

Fig.5  Changes of harden of AZ91 and AZ91-0.2Sr alloys with ageing time at 180 ℃

间由AZ91的55h左右延迟到90 h。图6所示为AZ91和AZ91-0.2Sr合金时效初期(16 h后)的金相组织。由图6可看出，AZ91-0.2Sr合金晶界处β相的非连续析出在一定程度上受到了抑制。

镁铝合金的时效过程实际上是Mg₁₇Al₁₂相从过饱和固溶体中形核并长大的过程，这一过程受Al原子和Mg原子的扩散速度控制^[17]。根据Fick扩散第二定律，扩散速度与溶质浓度成正比，即扩散速度随固溶体中溶质浓度的增加而增加^[18]。对于本研究的AZ91和AZ91-0.2Sr合金来说：在固溶处理后AZ91合金中Al全部固溶到了基体中，而AZ91-0.2Sr合金中有一部分Al由于与Sr形成不能固溶的Al₄Sr高熔点相，因而该合金基体中Al的固溶量相对较少，扩散速度也就较低，Sr元素原子半径又比Mg和Al的都大，降低了Al原子的扩散系数，阻制了晶界的迁移；时效析出时，晶界附近的Al₄Sr高熔点相占据了晶界上较多有利于β相形核的台阶及其它晶体缺陷，其还对β相的形核和长大还有一定的钉扎作用。综合上述Sr对合金组织3个方面的影响机制，在时效过程中，Sr能够阻碍AZ91-0.2Sr合金晶界处β相的析出，从而延缓了镁合金的时效进程。

图6  合金于180 ℃时效16 h后的显微组织

Fig.6  Microstructures of alloys aged at 180 ℃ for 16 h:   (a) AZ91 alloy; (b) AZ91-0.2Sr alloy

图7所示为AZ91-0.2Sr合金时效初期、峰值时刻和过时效时的析出组织。由图7可看出，时效初期(5 h后)，晶界上只有小部分非连续析出的片层状β相(见图7(a)中L区)；时效峰值态时(90 h后)，非连续析出的β相数目大量增加，晶内均匀分布着大量扁平或细小片状相(见图7(b)中的M区)，由文献[17]可知，这些即为合金晶内连续析出的β相。由于较多量的连续和非连续析出相共同强化，合金此时的硬度值大幅提高到93HB；时效时间延长至175 h后，晶界和晶内析出相的数量未出现明显变化，但晶界附近的非连续析出相则明显粗化(见图7(c)N区)。在峰值态后的这一时效阶段，合金硬度并没有明显下降，而是保持在一个较高的水平上，这与CELOTT^[19]的研究结果类似。这种现象可能是由于晶界处少量小幅粗化的β相不足以引起应力集中效应而恶化合金的拉伸性能。

图7  合金AZ91-0.2Sr在180℃时效析出相的形貌

Fig.7  Morphologies of precipitates in AZ91-0.2Sr alloy aged at 180 ℃ for different times: (a) 5 h, under-aged; (b) 90 h, peak-aged; (c) 175 h, over-aged

合金时效峰值态时的拉伸性能如表2所列。由于时效峰值态时组织中β析出相的弥散强化作用，两种合金的室温和高温强度以及伸长率与铸态时相比(见图4)都有较大幅度提高。且AZ91- 0.2Sr合金T6处理后峰值态时的室温和高温力学性能皆优于原AZ91合金的。这主要是由于在时效组织中β相弥散强化作用的基础上，AZ91-0.2Sr合金晶界处还存在一定量的Al₄Sr高熔点相，其对位错和晶界起到了较强的钉扎和阻碍作用。

表2  合金时效峰值态的拉伸性能

Table 2  Tensile properties of peak-aged alloys

3  结论

1) 微量Sr能够细化AZ91合金的铸态共晶组织，使连续网状的共晶组织趋于离散分布，且在合金晶界附近处生成多角块状或杆状的Al₄Sr高熔点相；当Sr含量为0.2%时，Sr的固溶强化和Al₄Sr相的晶界强化等因素使合金的室温和高温抗拉强度分别增至210 MPa和152 MPa，伸长率分别增至6.0%和8.0%；但当Sr含量为0.3%时，合金抗拉强度和塑性都会下降。

2) 合金经T6处理后，由于Sr在基体内固溶和Al₄Sr高熔点相在晶界存在等因素，AZ91-0.2Sr合金的时效进程被抑制。时效组织中连续和非连续析出相的弥散强化以及一定量的Al₄Sr高熔点相对位错和晶界较强的钉扎和阻碍作用，使得AZ91-0.2Sr合金T6处理后峰值态时的室温和高温力学性能皆优于原AZ91合金的。

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基金项目：教育部新世纪优秀人才计划资助项目(­­­­­20062148183)

收稿日期：2007-12-05；修订日期：2008-06-26

通讯作者：李落星，教授，博士；电话：0731-8821610；E-mail: luoxing_li@yahoo.com

(编辑 李艳红)