Sn對時效態ZM61鎂合金高溫力學性能的影響

唐 甜，張丁非，孫 靜，胡光山，胥鈞耀，潘復生

(1 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045;2 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044)

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Sn對時效態ZM61鎂合金高溫力學性能的影響

唐 甜1,2，張丁非1,2，孫 靜1,2，胡光山1,2，胥鈞耀1,2，潘復生1,2

(1 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045;2 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044)

利用金相顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和高溫拉伸對時效態ZM61-xSn(x=0，6，8，10,質量分數/%,下同)合金的高溫拉伸性能及斷裂機制進行了研究。結果表明：ZM61-xSn(x=6,8,10)合金的物相由α-Mg,α-Mn,MgZn2,Mg2Sn相組成。添加Sn元素可有效細化ZM61合金組織，提高合金高溫強度，但降低合金塑性。ZM61-xSn(x=6,8,10)合金在300℃下拉伸的抗拉強度分別為149，140,145MPa，較相同溫度下拉伸的ZM61合金的抗拉強度分別提高了26%,17%,23%。ZM61-xSn(x=0,6,8,10)合金在300℃下拉伸的伸長率分別為39.95%,5.65%,7.01%和6.33%。拉伸溫度對ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的斷裂機制產生顯著影響。當拉伸溫度低于220℃，合金為穿晶斷裂；高于220℃時，合金變為沿晶斷裂。

ZM61-Sn合金；顯微組織；高溫拉伸性能；斷裂機制

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有比強度高，導熱減震性好、電磁屏蔽性能優良等特點，在航空航天，電子電工及汽車工程等領域得到廣泛的應用[1-4]。然而鎂合金的高溫強度較低、抗蠕變性能差，高溫環境(如汽車發動機零部件)下的應用受阻[5-7]。因此，開發高溫性能優良的變形鎂合金成為當前研究熱點[8,9]。

Mg-Sn合金為典型的可時效強化合金[10,11]。由Mg-Sn相圖可知，Sn的固溶度隨溫度降低急劇減小，共晶溫度561.2℃下，固溶度為14.48%，溫度下降到200℃，固溶度僅僅只有0.45 %[12,13]。Sn與Mg形成高熔點(熔點為770℃)、熱穩定性好的Mg2Sn相[14]，為提高鎂合金的高溫性能提供了可能。

本課題組新開發的Mg-Zn-Mn-Sn系變形鎂合金具有優良的室溫力學性能[15]，但是對其高溫力學性能以及斷裂機制缺乏相關研究。因此，本工作采用高溫拉伸實驗來研究ZM61-xSn(x=0，6，8，10，質量分數%，下同)合金在不同溫度下的力學行為和斷裂機制。

1 實驗材料與方法

實驗合金以純Mg、純Zn、純Sn和Mg-4.1%Mn中間合金為原材料，采用國產ZG-001型10kg真空感應爐進行熔煉，金屬模具澆注，通入氬氣作為保護氣體。熔煉得到4種不同Sn含量的ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金，在XRF-1800CCDEX射線熒光光譜儀(XRF)上對合金的化學成分進行分析，得到結果如表1所示，基本達到合金設計的要求。

表1 實驗合金化學成分(質量分數/%)

Table 1 Chemical compositions of tested alloys (mass fraction/%)

AlloyMgZnMnSnZM6193.095.960.95ZM61-6Sn87.196.050.925.84ZM61-8Sn84.856.240.858.06ZM61-10Sn83.555.940.959.56

將鑄錠在SXL-1200高溫箱式爐中進行330℃,15h+420℃,2h均勻化處理。然后在500t臥式擠壓機上正擠壓，擠壓溫度350℃，擠壓比25，擠壓速率1.5～3m/min。將擠壓棒材切割成70mm長的試樣，進行440℃,2h固溶處理和90℃,24h+180℃,8h雙級時效處理。

對4種時效態合金采用D/MAX-2500PC型X射線衍射儀進行物相分析(XRD)，用Olympus光學顯微鏡進行金相組織觀察。按國標GB 228-2002，設計出標距為25mm，標距內試棒直徑為5mm的拉伸試樣。將拉伸樣在CMT-5105微機控制電子萬能試驗機上進行高溫拉伸實驗，拉伸溫度分別為180，220，260,300℃，拉伸速率為3mm/min，在每個拉伸溫度下保溫8min。用TESCAN VEGA IILMU掃描電子顯微鏡(SEM)和OXFORD INCA能譜分析儀(EDS)對斷口形貌和表面微區成分進行觀察、分析。

2 結果與分析

2.1 Sn對合金顯微組織的影響

圖1為時效態ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的XRD圖譜。由圖1可知，ZM61合金的相組成為α-Mg，α-Mn及MgZn2相。添加Sn元素后合金中形成了新的Mg2Sn相，含Sn合金的相組成為α-Mg，α-Mn，MgZn2，Mg2Sn相。

圖1 實驗合金的XRD圖譜

圖2為時效態ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的金相顯微組織。添加Sn元素后，基體上彌散的分布著第二相顆粒，且體積分數隨著Sn含量的增加而增加。結合物相分析結果可知，這些顆粒第二相主要為MgZn2相與Mg2Sn相。合金為等軸晶組織，晶粒尺寸隨著Sn含量的增加而減小，ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的平均晶粒尺寸分別為59，42，25，19μm。齊福剛[16]研究表明，Mg2Sn相具有較好的熱穩定性，在440℃進行固溶處理只有少量的Mg2Sn相溶解于基體。而這些未溶于基體的Mg2Sn相在固溶過程中抑制晶粒的長大，所以ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的晶粒尺寸隨著Sn含量的增加而減小。

2.2 Sn對合金高溫力學性能的影響

圖3為時效態ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金在180，220，260，300℃下的高溫力學性能。從圖3(a)和(b)中可看出，隨著拉伸溫度的升高，合金的強度呈下降趨勢，但含Sn元素的ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的屈服強度(YS)和抗拉強度(UTS)均明顯高于ZM61合金。當拉伸溫度為300℃時，ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的抗拉強度分別達到149，140，145MPa，較相同拉伸溫度下ZM61合金的強度分別提高了26%，17%，23%。時效態的商用耐熱鎂合金QE22A，200℃的屈服強度為165MPa[17]。時效態的Mg-MM-Zn-Zr合金和Mg-Nd-Zn-Zr合金，300℃的抗拉強度分別為105 MPa和135 MPa[18]。因此，ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的高溫強度優于部分高成本的稀土鎂合金。

由圖3(c)可知，Sn元素顯著降低合金的高溫伸長率，拉伸溫度為300℃時，ZM61合金的伸長率(EL)為39.95%，而ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的伸長率均下降到10%以下。隨拉伸溫度升高，ZM61合金的伸長率逐漸增大，而ZM61-xSn(x=6，8，100)合金的伸長率不斷降低。當拉伸溫度從180℃升高到300℃，ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的伸長率分別從12.73%，14.93%，14.54%下降到5.65%，7.01%，6.33%，具體原因將結合后面斷口形貌進行分析。

圖2 實驗合金的金相組織 (a)ZM61;(b)ZM61-6Sn;(c)ZM61-8Sn;(d)ZM61-10Sn

圖3 實驗合金高溫力學性能 (a)抗拉強度；(b)屈服強度；(c)伸長率

2.3 斷口形貌分析

圖4為時效態ZM61和ZM61-8Sn合金在180，220，260，300℃溫度下的拉伸斷口掃描形貌。拉伸溫度對合金的斷口形貌產生顯著影響。當拉伸溫度低于220℃，ZM61合金斷口主要由解理刻面和撕裂棱組成，當拉伸溫度高于220℃，斷口主要由解理刻面組成。添加Sn元素后，合金的斷口形貌發生變化，當拉伸溫度低于220℃，ZM61-8Sn合金的斷口主要由撕裂棱、韌窩和第二相顆粒組成；當拉伸溫度高于220℃，斷口上第二相顆粒數量減少，尺寸增大，韌窩的數量明顯減少，斷口呈典型的沿晶斷裂特征。由圖4(a-2)～(d-2)可見，添加Sn元素后，合金中形成較多第二相，結合物相分析及能譜檢測結果可知(見表2)，這些第二相主要為MgZn2相和Mg2Sn相，其中Mg2Sn相為高熔點相，在300℃下幾乎不發生分解，并且顯微硬度較高[19]，不易產生塑性變形，在高溫下可有效阻礙位錯運動，因而提高合金高溫強度。然而，過多的第二相會破壞基體間的連續性[20]，使合金塑性降低。

圖4 ZM61(1)和ZM61-8Sn(2)合金不同溫度下拉伸斷口掃描形貌 (a)180℃;(b)220℃;(c)260℃;(d)300℃

表2 圖4中標注各點的能譜分析結果

Table 2 EDS results of the points indicated in fig.4

PointAtomfraction/%MgZnSnPhaseA64.5935.41Mg2SnB65.3634.64Mg2SnC35.8164.19MgZn2D31.4568.55MgZn2E63.7236.28Mg2SnF67.8632.14Mg2Sn

2.4 斷裂機制分析

圖5為ZM61和ZM61-8Sn合金分別在180，220，260，300℃下的拉伸斷口縱截面金相組織。由圖可知，當拉伸溫度低于220℃時，在合金斷口以及斷口附近形成大量孿晶(如圖中圓圈所示)，隨拉伸溫度升高，孿晶數量明顯減少[21]。這是由于鎂合金為密排六方結構，在較低的變形溫度下可啟動的滑移系較少，主要為基面滑移，不能滿足Mises塑性變形準則(至少有5個獨立滑移系啟動)，因此產生位錯塞積使應力不斷集中，促進孿晶形核，形成的孿晶可改變晶粒的取向從而協調塑性變形[22]。隨變形溫度升高，高于225℃后，非基面滑移系的臨界分切應力大大降低，非基面滑移系開動，產生了位錯的滑移及攀移，孿晶的形核和長大受到抑制，孿晶的數量顯著減少。拉伸溫度升高至300℃，發生了晶界滑移(如圖中方框所示)。

圖5 ZM61(1)和ZM61-8Sn(2)合金不同溫度下斷口截面金相組織 (a)180℃;(b)220℃;(c)260℃;(d)300℃

如圖5(a-1),(b-1),(c-1)，(d-1)，在180，220，260，300℃下拉伸變形過程中，ZM61合金的斷裂機制為穿晶斷裂(如圖中箭頭所示)。如圖5(a-2),(b-2),(c-2)，(d-2)，添加Sn元素后，合金的斷裂機制隨溫度變化發生改變，當拉伸溫度低于220℃，ZM61-8Sn合金的斷裂方式為穿晶斷裂。當拉伸溫度高于220℃，合金的斷裂方式變為沿晶斷裂(如圖5(c-2),(d-2)箭頭所示)。ZM61-6Sn及ZM61-10Sn合金在相同拉伸溫度下的斷裂機制與ZM61-8Sn合金相同，當拉伸溫度高于220℃后均發生沿晶斷裂，這就明顯降低了Mg-Zn-Mn-Sn系合金的高溫變形能力，也是造成合金高溫塑性下降的原因。

圖6所示為ZM61-6Sn和ZM61-8Sn合金在不同溫度下拉伸后斷口的縱截面掃描組織，當拉伸溫度為220℃時，在合金晶界上可觀察到少量孔洞缺陷(如圖6(a-1),(b-1)箭頭所示)，當拉伸溫度升高到260℃后，孔洞缺陷增多且沿晶界連接形成裂紋(如圖6(a-2),(b-2)箭頭所示)。這是由于添加過量的Sn，在晶界處形成粗大的Mg2Sn顆粒，這些粗大的第二相導致晶粒間結合力減弱，變形過程中位錯運動到晶界處產生塞積，造成應力集中，易產生孔洞缺陷。此外，隨拉伸溫度升高，合金晶界發生軟化，產生晶界滑移，晶間結合力減弱，促進裂紋的萌生和擴展。因此，在它們的共同作用下，當拉伸溫度達到260℃后，合金的斷裂方式以沿晶斷裂為主。

圖6 ZM61-6Sn(1)和ZM61-8Sn(2)合金不同溫度的拉伸斷口縱截面掃描組織 (a)220℃；(b)260℃

3 結論

(1)添加Sn元素后，合金相組成為α-Mg,α-Mn,MgZn2,Mg2Sn相；合金的組織得到細化，ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的平均晶粒尺寸分別為59，42，25,19μm。

(2)添加Sn元素可有效提高Mg-Zn-Mn系合金的高溫強度，然而，也會急劇降低合金的塑性。在拉伸溫度為300℃時ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的抗拉強度分別為118，149，140,145MPa，伸長率分別為39.95%,5.65%，7.01%,6.33%。

(3)在低于220℃以下拉伸時，合金發生孿生變形，在斷口附近可觀察到大量孿晶；在高于220℃以上拉伸時，合金孿生變形受抑制，在斷口附近無孿晶出現。

(4)隨著拉伸溫度的升高，合金的斷裂機制發生變化，伸長率降低。粗大的Mg2Sn脆性相與基體結合力較弱，導致ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的斷裂機制在220℃發生轉變，低于此溫度，合金為穿晶斷裂，高于此溫度，合金發生沿晶斷裂。

[1] 李軼, 李慧中, 姜俊, 等. 熱處理對AZ80鎂合金疲勞性能的影響[J]. 航空材料學報, 2014, 34(6): 33-39.

LI Y, LI H Z, JIANG J, et al. Effect of heat treatment on fatigue properties of AZ80 magnesium alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34(6): 33-39.

[2] LUO A A. Magnesium: current and potential automotive applications[J]. JOM，2002，54(2):42-48.

[3] 張丁非, 耿青梅, 楊緒盛, 等. 新型復合擠壓工藝中溫度對AZ61組織和性能的影響[J]. 材料工程, 2014, (7): 1-4.

ZHANG D F, GENG Q M, YANG X S, et al. Effects of temperature in the new compound extrusion on microstructures and properties of AZ61[J]. Journal of Materials Engineering, 2014, (7): 1-4.

[4] SESHACHARYULU T, PRASAD Y. Modeling of hot deformation for microstructural control [J].International Materials Reviews,1988,43(6):243-258.

[5] 彭建, 彭毅, 韓韡, 等. 擠壓溫度對Mg-2Zn-Mn-0.5Nd鎂合金組織和性能的影響[J]. 材料工程, 2015, 43(3): 23-27.

PENG J, PENG Y, HAN W, et al. Effect of extruded temperature on microstructure and mechanical properties of Mg-2Zn-Mn-0.5Nd alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(3): 23-27.

[6] SHA G. Hardening and microstructural reactions in high-temperature equal-channel angular pressed Mg-Nd-Gd-Zn-Zr alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527:5092-5099.

[7] KIM D, LIM H, KIM Y, et al. High temperature deformation behavior of Mg-Sn(Zn) alloy[J]. Metals & Materials International, 2011, 17(17):383-388.

[8] YANG H, YONG B, CUI H. High-temperature creep behavior of Mg-9Gd-4Y-0.5Zr alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2012, 37(6):25-29.

[9] HASSAN S F, TAN M J, GUPTA M. High-temperature tensile properties of Mg/Al2O3, nanocomposite[J]. Materials Science & Engineering： A, 2008, 486(1-2):56-62.

[10] SASAKI T T, YAMAMOTO K, HONMA T, et al. A high-strength Mg-Sn-Zn-Al alloy extruded at low temperature[J]. Scripta Materialia, 2008, 59(10):1111-1114.

[11] WANG Q, CHEN Y G, XIAO S F, et al. Microstructures, mechanical properties and compressive creep behaviors of as-cast Mg-5%Sn-(0-1.0)%Pb alloys[J]. Journal of Central South University of Technology, 2011, 18(2):290-295.

[12] SASAKI T T, OHISHI K, OHKUBO T, et al. Enhanced age hardening response by the addition of Zn in Mg-Sn alloys[J]. Scripta Materialia, 2006, 55(3):251-254.

[13] YANG M, M Y, YANG M, et al. Effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-1Mn magnesium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, (10):2168-2174.

[14] SHI Z Z, ZHANG W Z , GU X F. Characterization and interpretation of the morphology of a Mg2Sn precipitate with irrational facets in a Mg-Sn-Mn alloy[J]. Philosophical Magazine, 2011, 92(9):1-12.

[15] 張丁非, 徐杏杏, 齊福剛，等. Sn對ZM61合金組織與性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, (5):931-936.

ZHANG D F, XU X X, QI F G, et al. Effects of Sn on microstructure and mechanical properties of ZM61 alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2013, (5):931-936.

[16] 齊福剛. Sn和Ce對Mg-Zn-Mn高強變形鎂合金組織和性能的影響[D]. 重慶: 重慶大學, 2012.

QI F G. Effect of Sn and Ce on microstructure and properties of Mg-Zn-Mn high strength wrought alloy[D]. Chongqing: Chongqing University, 2012.

[17] 羅素琴, 潘復生, 湯愛濤. 含W相Mg-Zn-Zr-Y合金組織和高溫力學性能研究[J]. 熱加工工藝, 2012, (10):41-44.

LUO S Q, PAN F S, TANG A T.Microstructure and mechanical properties at elevated temperature of Mg-Zn-Zr-Y alloy with W phase[J]. Hot Working Technology, 2012, (10):41-44.

[18] 陳振華. 耐熱鎂合金[M]. 北京：化學工業出版社, 2006.

[19] 王耀貴, 李全安, 張清，等. Sn在耐熱鎂合金中的應用[J]. 輕金屬, 2011, (12):43-46.

WANG Y G, LI Q A, ZHANG Q, et al. Application of Sn in heat resistant magnesium alloy[J]. Light Metals, 2011, (12):43-46.

[20] 謝建昌, 李全安, 李建弘，等. Ca對AZ81鎂合金高溫性能的影響[J]. 輕金屬, 2007, (12):58-62.

XIE J C，LI Q A，LI J H, et al.Influence of Ca on mechanical properties of AZ81 Mg alloy[J]. Light Metals,2007, (12):58-62.

[21] YOO M H. Slip, twinning, and fracture in hexagonal close-packed metals[J]. Metallurgical Transactions A, 1981, 12(3):409-418.

[22] CHOI S H, SHIN E J, SEONG B S. Simulation of deformation twins and deformation texture in an AZ31 Mg alloy under uniaxial compression[J]. Acta Materialia, 2007, 55(12):4181-4192.

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Effects of Sn on Elevated-temperature Mechanical Properties of As-aged ZM61 Alloy

TANG Tian1,2，ZHANG Ding-fei1,2，SUN Jing1,2，HU Guang-shan1,2，XU Jun-yao1,2，PAN Fu-sheng1,2

(1 College of Materials Science and Engineering, ChongqingUniversity, Chongqing 400045, China;2 National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The elevated temperature mechanical properties and fracture mechanisms of as-aged ZM61-xSn(x=0，6，8，10, mass fraction/%)alloys are investigated by optical microscope(OM), X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscope(SEM) and high temperature tensile test. The results show that the phase compositions of ZM61-xSn(x=6,8,10)alloys are α-Mg,α-Mn,MgZn2and Mg2Sn phases. The Sn element can refine the microstructure, improve the high temperature tensile strength, but deteriorate the elongation of ZM61 alloy. The ultimate tensile strength of ZM61-xSn(x=6,8,10)alloys with tensile test at 300℃are 149，140， 145MPa , compared with ZM61 alloy which is carried out tensile test at the same temperature, the tensile strength increased 26%,17% and 23%, respectively. The elongation of ZM61-xSn(x=0，6,8,10)alloys with tensile test at 300℃ are 39.95%,5.65%,7.01% and 6.33%. The tensile temperature exerts dominating effect for ZM61-xSn(x=6,8,10)alloys on the fracture mechanism. As tensile temperature lower than 220℃, the alloys show transgranular fracture characteristics. The alloys show intergranular fracture characteristics when the tensile temperature is higher than 220℃.

ZM61-Sn alloy; microstructure; high temperature tensile property; fracture mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.11.002

TG146.2+2

A

1001-4381(2016)11-0009-07

國家973重大基礎研究項目(2013CB632200)；國家十二五科技支撐計劃項目(2011BAE22B01-3)；科技部國際合作項目(2010DFR50010)；國家自然科學基金項目(51201190)；中央高校基本科研業務費專項資金(CDJZR12130043)

2015-02-03；

2016-08-02

張丁非(1963—)，男，教授，研究方向為新型鎂、鋁合金材料與高性能鋼鐵材料開發，鎂合金腐蝕與防護，液固態成型加工技術等，聯系地址：重慶市沙坪壩區沙正街174號重慶大學材料學院(400045)，E-mail: zhangdingfei@cqu.edu.cn