固溶溫度對Mg-6Sn-3Al-Zn合金的組織和力學性能的影響

舒勝武

（青海大學青海省高性能輕金屬合金及深加工工程技術研究中心，青海省新型輕合金重點實驗室，青海 西寧 810016）

鎂合金比強度好、鑄造性優良、比剛度高、機械加工好、環保特性突出，作為最輕的金屬材料，有著“21世紀綠色工程材料”的美譽[1-3][14,15]。

我國作為“鎂大國”占據了世界鎂資源總量的一半，同時也是鎂出口大國，根據資料，我國鎂產量約占總量的80%，然而鎂強度低、耐腐蝕性差以及焊合性差，成為制約鎂合金工程大規模的發展和應用的關鍵性制約因素，目前改善鎂合金性能的主要措施之一就是通過熱處理提高鎂合金性能[12,16]。

因此，提高鎂合金性能，實現我國從鎂資源大國優勢轉化成鎂資源技術優勢，是當前材料工作者的一項重要課題。

1 實驗

通過Mg、Sn、Al、Zn四種金屬熔煉得到Mg-6Sn-3Al-Zn合金，熔煉在惰性氣氛保護（99%CO2，1%SF6）下進行，熔煉溫度760℃，澆鑄溫度730℃，澆鑄到直筒磨具中，冷卻后脫模。經線切割加工后制成金相小塊和拉伸試樣，然后在熱處理爐里面進行固溶熱處理，處理溫度分別為300℃、350℃、400℃、450℃，時間為8h。

固溶處理是指將鎂合金加熱至一定的溫度下，使合金中的第二相也就是本文所研究的Mg2Sn相最大程度地溶于α-Mg基體中[4]。

然后將熔融的鎂合金迅速放入淬火介質中，從而得以較快的速度冷卻，冷卻速度應該比固溶體中析出的Mg2Sn的速度快，而獲得過飽和的固溶體。

本實驗進行固溶處理的目的主要有三個：①Mg-6Sn-3Al-Zn合金中第二相Mg2Sn的溶解以形成過飽和固溶體；②鑄態合金元素的均勻化；③為之后時效處理做準備。

2 結果與分析

2.1 合金金相顯微組織（OM）觀察分析

本實驗切取1/2 半徑處的鎂合金為試樣。如下圖為Mg-6Sn-3Al-Zn合金的金相顯微組織，由于Sn元素的添加細化了合金的微觀組織，隨著溫度的提高，粗大的Mg2Sn相的晶枝變得細小彌散分部，形態組織也發生相應變化[5]。

從金相圖中可以看到，在300℃時，通過觀察不同倍速下Mg2Sn相，可以得出其呈點狀散亂分部；當固溶溫度在350℃時，Mg2Sn相逐漸變得粗大，開始聯結成長條狀，析出Mg2Sn相逐漸增多；當固溶溫度到達400℃時，析出Mg2Sn相變得粗大，含量開始增多；當固溶溫度升高到450℃時，析出Mg2Sn相變得細小，溫度的升高使Mg2Sn相基本溶于α-Mg基體[6]。

圖1 300℃、350℃、400℃、450℃溫度，固溶8h的金相組織

分析：黑色部分通過XRD測得為Mg2Sn相，上述圖中所能觀測到的直觀情況為，隨著固溶溫度的上升 ，黑色部分Mg2Sn相逐漸由300℃時的點狀散亂分布，逐漸變為350℃細長帶條狀，再到400℃的粗大柱狀分布，Mg2Sn相也明顯增多，到最后450℃又呈現點狀分布，體現了固溶溫度對Mg-6Sn-3Al-Zn合金內部組織的影響，由此可以說明固溶溫度能夠影響Mg2Sn相的析出，顯然8h 條件下300℃工藝固溶不夠徹底。因此，力學性能也比較低，高的固溶溫度可以使晶界和晶內難溶相溶解得相對徹底，使成分也更均勻，過飽和程度高[7]。

2.2 合金XRD衍射分析

圖2 300℃、350℃、400℃、450℃溫度，固溶8h的物相分析

上圖為Mg-6Sn-3Al-Zn合金不同溫度固溶8h的XRD圖，通過檢索標準卡片對比可以知道a、b、c三者分別為Mg2Sn、Mg、Mg0.97Zn0.03。

2.3 不同溫度對力學性能的影響

2.3.1 硬度

本實驗采用布氏硬度計測量硬度，結果如下表格：

表1 硬度測試

從表中可以看出的是隨著固溶溫度的升高，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的硬度變化明顯，固溶溫度在300℃～350℃時，硬度下降，當溫度超過350℃時硬度上升明顯，因為硬度越大，合金金屬的塑型變形抗力也就越大，塑型變形能力越差。Mg-6Sn-3Al-Zn合金材料的硬度在一定程度上反映了內部微觀組織的變化[8]。

固溶溫度升高，硬度明顯下降然后上升，原因是：一方面溫度的升高，晶粒變得粗大，無法產生細晶強化，使硬度下降；另一方面隨著固溶溫度升高，析出的Mg2Sn相增多，導致硬度上升。第三方面，Mg2Sn相基本固溶到α-Mg基體中，引起α-Mg基體晶格畸變，導致硬度上升。

2.3.2 力學性能

從以上的應力應變圖可以看出，在300℃固溶8h時，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的應力比較大；400℃固溶8h時，應力應變都小；在450℃固溶8h時，應力應變漲幅都比較大，此時力學性能好。

圖 3 拉伸應力應變曲線

表2 Mg-6Sn-3Al-Zn合金力學性能

鎂合金的力學性能測試結果可以從表2.中可以看出，在不同溫度下固溶8h，隨著溫度的上升，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率發生相應的變化，從數據分析可以得到Mg-6Sn-3Al-Zn合金力學性能各項指標差不多都呈現出先升高，后降低的態勢，溫度在300℃到400℃之間，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的抗拉強度由151Mpa增加到191Mpa再到211.8Mpa。

屈服強度由77增加到89.8再到104.8，這是由于Mg2Sn相為硬脆相，隨著固溶溫度的上升，Mg2Sn相逐漸變得粗大，并且增多。在450℃固溶8h，Mg2Sn相由于彌散分部，基本固溶于α-Mg基體，因此Mg-6Sn-3Al-Zn合金延伸率快速上升，而抗拉強度和屈服強度降低較少，因此，450℃固溶8h時，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的綜合力學性能最好[9]。

3 結論

試驗通過控制時間，改變固溶溫度，研究固溶溫度為300℃，350℃，400℃，450℃時，對Mg-6Sn-3Al-Zn合金組織的微觀組織和力學性能的影響，經過分析，得出以下的結論：

（1）不同固溶溫度影響鎂合金微觀組織變化。同一種Mg-6Sn-3Al-Zn合金，在不同溫度下固溶8h，通過XRD物相分析，以及金相組織觀察，可以看出當溫度在300℃時，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的組織中α-Mg基體的含量較少，析出的Mg2Sn相較少，呈點狀散亂分布；當溫度在350℃時，析出的Mg2Sn相逐漸變成長條狀；當溫度到達400℃時，析出Mg2Sn相變得粗大，含量增多；當溫度升高到450℃時，析出Mg2Sn相變得細小，這是由于Mg2Sn相基本固溶于α-Mg基體中[10]。

（2）不同固溶溫度影響鎂合金的機械性能。首先看到Mg-6Sn-3Al-Zn合金的硬度變化明顯，溫度在300℃到350℃時，硬度下降，當溫度超過350℃時硬度上升明顯，因為硬度越大，合金金屬的塑型變形抗力也就越大[11]，塑型變形能力越差。

其次通實驗拉伸，觀察到隨著固溶溫度的上升Mg-6Sn-3Al-Zn合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率發生相應的變化，從數據分析可以看出Mg-6Sn-3Al-Zn合金力學性能各項指標差不多都呈現出先升高，后降低的態勢，溫度在350℃～400℃之間，性能提高較為明顯，超過400℃后，Mg-6Sn-3Al-Zn合金綜合的屈服強度和抗拉強度有所降低，但延伸率大幅提高[13]。