Sn添加對擠壓態(tài)Mg-3Al-0₅SiO₂組織及力學性能的影響

李彩霞 張程皓 劉洪旭 張旭東

摘 要：研究了Sn對經(jīng)過425℃+24h的固溶處理與180℃+16h的時效處理以及擠壓態(tài)的Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料顯微組織和力學性能的影響，并探究了Sn對它們的作用機制。結果表明：由于加入納米SiO2粉末，使得材料生成了新的高強高硬尖晶石結構相MgAl2O4相，隨著Sn含量的增加，第二相經(jīng)歷了如下變化：Mg2Si→Mg2（Six，Sn1-x）→Mg2Sn，Mg-3Al-0.5SiO2-xSn復合材料的晶粒細化效果顯著，在T4，T6樣品中Mg-3Al-0.5SiO2-7Sn的晶粒尺寸最小。在擠壓態(tài)樣品中，Sn含量的增加會使強度與硬度顯著提高，但是伸長率則先上升再降低。在擠壓態(tài)樣品中Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn的晶粒尺寸最小且分布均勻，它的綜合力學性能也最高。Sn含量對Mg-3Al-0.5SiO2-xSn復合材料的斷裂機制不會產(chǎn)生顯著影響。

關鍵詞：Mg-3Al-0.5SiO2-xSn復合材料;顯微組織;力學性能;擠壓

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.008

中圖分類號： TG146.2;TB333

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0039-08

Abstract：The effects of Sn on the microstructures and mechanical properties of extruded Mg-3Al-0.5SiO2-xSn （x=0，1，3，5，7，10） composites treated at 425℃+24h，180℃+16h and extruded Mg-3Al-0.5SiO2-xSn （x=0，1，3，5，7，10） were studied， and the mechanism of Sn on them was explored. The results indicate that adding??? nano-SiO2 has introduced a new high-strength and high-hard spinel structure phase MgAl2O4 phase. As the Sn content increases， the second phase undergoes the following changes.： Mg2Si→Mg2（Six，Sn1-x）→Mg2Sn， Mg-3Al-0.5SiO2-xSn composite has remarkable grain refinement effect， and the grain size of Mg-3Al-0.5SiO2-7Sn in T4 and T6 samples is the smallest. In as-extruded samples， the strength and hardness increase significantly with the increase of Sn content， but the elongation increases first and them decreases. The grain size of Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn in extruded samples is the smallest and its distribution is uniform， and its comprehensive mechanical properties are the highest. Sn content has no significant effect on the fracture mechanism of Mg-3Al-0.5SiO2-xSn composites.

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，鎂合金在近幾年成為了繼鋼鐵和鋁合金之后的第三大實用金屬，其作為一種新型的結構材料，被認為是21世紀汽車加工領域中最理想的輕質金屬結構材料[1]。鎂元素作為最新被探索的元素，其儲量豐富，密度很低，比剛度，比強度高，導電導熱性好。Mg-Si系合金作為耐熱輕質結構合金具有很大的應用潛力[2]，為滿足良好機械性能需求，可以在合金中加入昂貴的合金元素（即Ag，Zr等）[3-7]。元素Sn的添加可以使鎂合金基體具有成為耐熱鎂合金的潛力[8]，由此可知，可以在鎂合金中加入Sn元素來滿足上述需求。LIU等[9]研究了在純Mg中添加微量的Sn后它的顯微組織和力學性能。結果表明，隨著Sn含量的增加，Mg-Sn合金的蠕變強度超塑性、延伸率和超塑性均有所提高。ZHANG等[10]研究了不同含量的Sn對Mg-4Zn鎂合金顯微組織和力學性能的影響。結果表明，擠壓態(tài)Mg-4Zn-3Sn合金相較于Mg-4Zn合金的抗拉強度提高了30MPa。研究表明，在純鎂中加入Sn元素可以使粗大的柱狀晶轉化為均勻的等軸晶，使晶粒細化，同時也會形成Mg2Sn彌散分布于基體中，它可以有效地改善鎂合金的性能[11]。

在本次研究中，Mg-3Al-0.5SiO2-xSn復合材料經(jīng)過了固溶處理，時效處理，擠壓，拉伸，并對該合金的微觀組織和力學性能進行了研究，以此探討了Sn對該復合材料的強化機理。

1 實驗方法

本文采用純鎂、純鋁、納米SiO2粉末及純Sn來制備不同Sn含量的Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）合金，所有的合金都在SG2-7.5-12型高溫電阻爐中進行熔煉，熔煉過程采用覆蓋劑保護。試樣設計成分如表1所示。

鑄造后得到的原始鑄錠經(jīng)切割后得到尺寸為Φ39mm×28mm的圓柱錠。對6種成分的鑄錠進行如下熱處理：一種工藝為在425℃下保溫24h（命名為T4樣品），另一種工藝為在425℃下保溫24h，水冷，隨后在180℃下保溫16h（命名為T6樣品）。然后將樣品放至擠壓機擠壓，擠壓條件如表2。

采用DNSl00型電子萬能試驗機對上述熱處理條件下的Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料樣品進行拉伸力學性能測試，拉伸試樣尺寸如圖1所示，拉伸速度為1mm/min。按照標準的研磨，拋光和蝕刻程序（腐蝕劑25mL酒精，2.6g苦味酸，2.5mL醋酸）制備T4，T6，擠壓態(tài)合金的金相樣品。通過光學顯微鏡觀察樣品金相組織，用FEI-SIRION掃描電子顯微鏡觀察微觀結構和室溫

2 結果與分析

2.1 Sn含量對固溶態(tài)復合材料顯微組織的影響

圖2顯示了經(jīng)過固溶處理的Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的金相組織，可以看到，隨著Sn的加入，晶粒細化效果顯著，當Sn含量為7%時，晶粒最小，隨后開始增大。而且復合材料中未溶第二相的數(shù)量也是隨著Sn含量的升高而逐漸減少，當Sn含量為5%時，第二相最少，隨后開始增多，在晶界處出現(xiàn)黑色第二相并呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布，并且在晶內(nèi)出現(xiàn)了大量小顆粒狀相呈彌散分布。如圖3所示，當不加入Sn時，存在黑色第二相延晶界分布，隨著Sn的加入，黑色第二相逐漸減少，轉而延晶界逐步析出亮白色相，當Sn含量提升至10%時，可以明顯看到沿晶界析出不連續(xù)亮白色第二相。

圖4為Sn含量增至5%的復合材料掃描照片及能譜分析結果，如圖所示，對于固溶處理后的Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn樣品，位于晶界處的A點的白色條狀相按照原子分數(shù)比推測該處成分為Mg17Al12，而在晶界及晶內(nèi)成呈離散分布的相，如B點所示，按照原子分數(shù)比推測該處相應為Mg2（Six，Sn1-x）復合相，且Si，Sn原子分數(shù)占比為1∶1。（Mg2（Six，Sn1-x）復合相的納米硬度、彈性模量與維氏硬度等物理性能介于Mg2Si與Mg2Sn之間[12]）。

2.2 Sn含量對固溶+時效態(tài)復合材料顯微組織的影響

圖6顯示了經(jīng)過固溶+時效處理的Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的金相組織，隨著Sn的加入，晶粒細化效果顯著，其中，Mg-3Al-0.5SiO2-7Sn的晶粒最為均勻細小。并且當Sn含量為5%時，有黑色第二相沿晶界析出，隨著Sn含量的繼續(xù)增加，沿晶界析出的黑色第二相逐漸增多。

圖7顯示了經(jīng)過固溶+時效處理的Mg-3Al-0.5SiO2-3Sn樣品的掃描照片及能譜分析結果，可以看到發(fā)生邊緣鈍化現(xiàn)象的漢字狀相位置的A點，按照原子分數(shù)比推測該處為α-Mg+Mg2Si共晶相，在該相末端的白色顆粒狀相為B點，按照原子分數(shù)比推測該相可能為Mg2（Six，Sn1-x）復合相與MgAl2O4的混合相。

2.3 Sn含量對擠壓態(tài)復合材料顯微組織的影響

圖10為擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的金相組織，能夠看到在未加入Sn之前，復合材料在被擠壓后的組織晶粒大小分布不均，有未被擠壓破碎的細長晶粒存在，黑色第二相沿晶界分布不均，當加入Sn時，晶粒細化明顯，這可能是由于隨著Sn含量的不斷增加，復合材料的硬脆相也在持續(xù)增加，導致硬脆相和基體之間由于變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生大量的位錯塞積及應力集中，進而增大基體與硬脆相之間的摩擦力，導致硬脆相與基體之間取向差增大，從更產(chǎn)生更多的儲存能，促進了動態(tài)再結晶的發(fā)生。結合圖11可得，當Sn增加至5%時，狹長的晶粒消失，縱截面組織由等軸晶組成，晶粒尺寸最小且分布均勻，沿晶界分布第二相被擠壓均勻。當Sn含量繼續(xù)上升，晶粒尺寸增大，第二相未被均勻擠開且呈片狀分布。當Sn含量提升至10%時，可以看到明顯的河流變形，這可能是由于Sn含量的增加降低了該復合材料的凝固溫度，從而導致了合金在擠壓過程中流動性增強所導致。

圖12為擠壓態(tài)的Mg-3Al-0.5SiO2復合材料的掃描照片及能譜分析結果，如圖所示，晶粒未被擠壓均勻，沿擠壓方向呈細長條狀分布，并且在周圍形成數(shù)量較多的細小動態(tài)再結晶晶粒，這可能是由于晶界處破碎的的第二相為新形成的晶粒提供了形核核心。并且可以發(fā)現(xiàn)第二相被擠壓后發(fā)生聚集現(xiàn)象并且沿擠壓方向呈流線分布，大量的亮白色第二相及呈粉末狀堆積的灰白色相分布于晶界附近，推測亮白色第二相成分可能為Mg2Si，粉末狀堆積的灰白色相成分可能為部分Al元素固溶進α-Mg基體所造成。

圖13為擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn復合材料的掃描照片及能譜分析結果，可以看到晶粒細小且分布均勻，被擠碎的第二相沿擠壓方向定向分布，這些第二相一方面為動態(tài)再結晶提供形核質點，另一方面限制了動態(tài)再結晶晶粒的長大，促進晶粒細化。其中C點處可能為α-Mg+Mg2Sn共晶相，D點處可能為Mg2（Six，Sn1-x）相。

圖14為擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn復合材料透射形貌及衍射斑點圖片，如圖14（a），圖14（b）所示，分布在晶界處的Mg2（Six，Sn1-x）相尺寸較晶內(nèi)的大。如圖14（c）所示，大量位錯在晶界處塞積，纏結，阻礙位錯的運動和晶界的遷移，變形抗力提高，晶粒尺寸減小。如圖14（d）所示，Mg2（Six，Sn1-x）相對位錯起釘扎作用，阻礙位錯運動，從而提高復合材料強度。

2.4 Sn含量對擠壓態(tài)的材料機械性能影響

如圖15為擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的具體性能參數(shù)，復合材料的屈服強度和抗拉強度隨著Sn含量的不斷增加而升高，但伸長率卻先呈上升后下降的趨勢。

可以通過圖16a清楚的看到Mg2Sn由于其對位錯的釘扎作用會導致大量位錯在此處塞積，阻礙位錯運動，從而提高材料強度。Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn的綜合力學性能表現(xiàn)最佳，這可能是由于第二相已經(jīng)完全破碎為顆粒狀，分布均勻，而且經(jīng)過Sn的變

質處理會鈍化Mg2Si相的邊角，降低其對基體產(chǎn)生割裂作用，在這一過程中還會形成一種理想強化相Mg2（Six，Sn1-x），并且Mg2Si與鎂基體的結合力低于Mg2Sn可能也有一定原因。當Sn含量繼續(xù)增加時伸長率發(fā)生下降現(xiàn)象，推測有兩個原因，一方面是由于隨著Sn元素增加，晶格中更多的Si原子被Sn原子所代替，形成過多Mg2Sn相并發(fā)生聚集現(xiàn)象，如圖8所示的Mg-3Al-0.5SiO2-10Sn樣品的元素分布圖可以看到大量的Sn元素聚集現(xiàn)象，而Mg2Sn也是一種硬脆相，從而導致強度上升塑性下降，另一方面推斷與晶粒尺寸有關，圖17為晶粒的平均尺寸，晶粒尺寸與延伸率變化規(guī)律相吻合，并且如圖16b所示，熱變形過程中的形成形變孿晶，可以協(xié)調(diào)兩晶粒的位向關系，從而提高延伸率。

圖18顯示了擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的硬度變化規(guī)律，可以看到，隨著復合材料中Sn含量的上升，其硬度為整體上升趨勢，而開始加入Sn時，復合材料發(fā)生硬度下降的現(xiàn)象，該變化規(guī)律可能是由于開始加入Sn時，Sn原子開始代替晶格中的Si原子，而Mg2Si的硬度要高于Mg2Sn有關。

2.5 Sn含量對擠壓態(tài)的材料斷口形貌的影響

圖19顯示了擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的斷口形貌，從圖中可以看到，在未加入Sn之前為韌性斷裂為主，脆性斷裂為輔的斷裂機制，隨著Sn的加入，復合材料的斷裂機制并沒有發(fā)生變化，但是在斷口表面出現(xiàn)呈彌散分布的第二相顆粒，并且當Sn質量分數(shù)提升到7%和10%時，有的顆粒聚集區(qū)出現(xiàn)微裂紋，可能是由于Sn含量過高生成過量的Mg2Sn相，Mg2Sn屬于硬脆相，在擠壓過程中周圍可能會形成裂紋源從而影響材料的性能。

3 結 論

1）Sn元素在T4，T6，和擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料中主要以Mg2Sn存在，隨著Sn的增加，會顯著細化該復合材料的晶粒，經(jīng)T4，T6處理的樣品中Mg-3Al-0.5SiO2-7Sn晶粒最小，擠壓態(tài)樣品中Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn的晶粒最小。第二相的轉變過程隨著Sn含量的增加依次為Mg2Si→Mg2（Si，Sn1-x）→Mg2Sn。

2）隨著Sn含量的增加，Mg2Sn含量升高，它在被擠壓破碎后，會提高擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的強度和硬度，但是延伸率以Mg-3Al-0.5SiO2-5Sn最好。

3）Sn含量的不同并不會對擠壓態(tài)Mg-3Al-0.5SiO2-xSn（x=0，1，3，5，7，10）復合材料的斷裂機制產(chǎn)生顯著影響。

參 考 文 獻：

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（編輯：王 萍）