Sn对时效态ZM61镁合金高温力学性能的影响

唐 甜，张丁非，孙 静，胡光山，胥钧耀，潘复生

(1 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045;2 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044)



Sn对时效态ZM61镁合金高温力学性能的影响

唐 甜1,2，张丁非1,2，孙 静1,2，胡光山1,2，胥钧耀1,2，潘复生1,2

(1 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045;2 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044)

利用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和高温拉伸对时效态ZM61-xSn(x=0，6，8，10,质量分数/%,下同)合金的高温拉伸性能及断裂机制进行了研究。结果表明：ZM61-xSn(x=6,8,10)合金的物相由α-Mg,α-Mn,MgZn2,Mg2Sn相组成。添加Sn元素可有效细化ZM61合金组织，提高合金高温强度，但降低合金塑性。ZM61-xSn(x=6,8,10)合金在300℃下拉伸的抗拉强度分别为149，140,145MPa，较相同温度下拉伸的ZM61合金的抗拉强度分别提高了26%,17%,23%。ZM61-xSn(x=0,6,8,10)合金在300℃下拉伸的伸长率分别为39.95%,5.65%,7.01%和6.33%。拉伸温度对ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的断裂机制产生显著影响。当拉伸温度低于220℃，合金为穿晶断裂；高于220℃时，合金变为沿晶断裂。

ZM61-Sn合金；显微组织；高温拉伸性能；断裂机制

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比强度高，导热减震性好、电磁屏蔽性能优良等特点，在航空航天，电子电工及汽车工程等领域得到广泛的应用[1-4]。然而镁合金的高温强度较低、抗蠕变性能差，高温环境(如汽车发动机零部件)下的应用受阻[5-7]。因此，开发高温性能优良的变形镁合金成为当前研究热点[8,9]。

Mg-Sn合金为典型的可时效强化合金[10,11]。由Mg-Sn相图可知，Sn的固溶度随温度降低急剧减小，共晶温度561.2℃下，固溶度为14.48%，温度下降到200℃，固溶度仅仅只有0.45 %[12,13]。Sn与Mg形成高熔点(熔点为770℃)、热稳定性好的Mg2Sn相[14]，为提高镁合金的高温性能提供了可能。

本课题组新开发的Mg-Zn-Mn-Sn系变形镁合金具有优良的室温力学性能[15]，但是对其高温力学性能以及断裂机制缺乏相关研究。因此，本工作采用高温拉伸实验来研究ZM61-xSn(x=0，6，8，10，质量分数%，下同)合金在不同温度下的力学行为和断裂机制。

1 实验材料与方法

实验合金以纯Mg、纯Zn、纯Sn和Mg-4.1%Mn中间合金为原材料，采用国产ZG-001型10kg真空感应炉进行熔炼，金属模具浇注，通入氩气作为保护气体。熔炼得到4种不同Sn含量的ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金，在XRF-1800CCDEX射线荧光光谱仪(XRF)上对合金的化学成分进行分析，得到结果如表1所示，基本达到合金设计的要求。

表1 实验合金化学成分(质量分数/%)

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

将铸锭在SXL-1200高温箱式炉中进行330℃,15h+420℃,2h均匀化处理。然后在500t卧式挤压机上正挤压，挤压温度350℃，挤压比25，挤压速率1.5～3m/min。将挤压棒材切割成70mm长的试样，进行440℃,2h固溶处理和90℃,24h+180℃,8h双级时效处理。

对4种时效态合金采用D/MAX-2500PC型X射线衍射仪进行物相分析(XRD)，用Olympus光学显微镜进行金相组织观察。按国标GB 228-2002，设计出标距为25mm，标距内试棒直径为5mm的拉伸试样。将拉伸样在CMT-5105微机控制电子万能试验机上进行高温拉伸实验，拉伸温度分别为180，220，260,300℃，拉伸速率为3mm/min，在每个拉伸温度下保温8min。用TESCAN VEGA IILMU扫描电子显微镜(SEM)和OXFORD INCA能谱分析仪(EDS)对断口形貌和表面微区成分进行观察、分析。

2 结果与分析

2.1 Sn对合金显微组织的影响

图1为时效态ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的XRD图谱。由图1可知，ZM61合金的相组成为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合金的相组成为α-Mg，α-Mn，MgZn2，Mg2Sn相。

图1 实验合金的XRD图谱

图2为时效态ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的金相显微组织。添加Sn元素后，基体上弥散的分布着第二相颗粒，且体积分数随着Sn含量的增加而增加。结合物相分析结果可知，这些颗粒第二相主要为MgZn2相与Mg2Sn相。合金为等轴晶组织，晶粒尺寸随着Sn含量的增加而减小，ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的平均晶粒尺寸分别为59，42，25，19μm。齐福刚[16]研究表明，Mg2Sn相具有较好的热稳定性，在440℃进行固溶处理只有少量的Mg2Sn相溶解于基体。而这些未溶于基体的Mg2Sn相在固溶过程中抑制晶粒的长大，所以ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的晶粒尺寸随着Sn含量的增加而减小。

2.2 Sn对合金高温力学性能的影响

图3为时效态ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金在180，220，260，300℃下的高温力学性能。从图3(a)和(b)中可看出，随着拉伸温度的升高，合金的强度呈下降趋势，但含Sn元素的ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)均明显高于ZM61合金。当拉伸温度为300℃时，ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的抗拉强度分别达到149，140，145MPa，较相同拉伸温度下ZM61合金的强度分别提高了26%，17%，23%。时效态的商用耐热镁合金QE22A，200℃的屈服强度为165MPa[17]。时效态的Mg-MM-Zn-Zr合金和Mg-Nd-Zn-Zr合金，300℃的抗拉强度分别为105 MPa和135 MPa[18]。因此，ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的高温强度优于部分高成本的稀土镁合金。

由图3(c)可知，Sn元素显著降低合金的高温伸长率，拉伸温度为300℃时，ZM61合金的伸长率(EL)为39.95%，而ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的伸长率均下降到10%以下。随拉伸温度升高，ZM61合金的伸长率逐渐增大，而ZM61-xSn(x=6，8，100)合金的伸长率不断降低。当拉伸温度从180℃升高到300℃，ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的伸长率分别从12.73%，14.93%，14.54%下降到5.65%，7.01%，6.33%，具体原因将结合后面断口形貌进行分析。

图2 实验合金的金相组织 (a)ZM61;(b)ZM61-6Sn;(c)ZM61-8Sn;(d)ZM61-10Sn

图3 实验合金高温力学性能 (a)抗拉强度；(b)屈服强度；(c)伸长率

2.3 断口形貌分析

图4为时效态ZM61和ZM61-8Sn合金在180，220，260，300℃温度下的拉伸断口扫描形貌。拉伸温度对合金的断口形貌产生显著影响。当拉伸温度低于220℃，ZM61合金断口主要由解理刻面和撕裂棱组成，当拉伸温度高于220℃，断口主要由解理刻面组成。添加Sn元素后，合金的断口形貌发生变化，当拉伸温度低于220℃，ZM61-8Sn合金的断口主要由撕裂棱、韧窝和第二相颗粒组成；当拉伸温度高于220℃，断口上第二相颗粒数量减少，尺寸增大，韧窝的数量明显减少，断口呈典型的沿晶断裂特征。由图4(a-2)～(d-2)可见，添加Sn元素后，合金中形成较多第二相，结合物相分析及能谱检测结果可知(见表2)，这些第二相主要为MgZn2相和Mg2Sn相，其中Mg2Sn相为高熔点相，在300℃下几乎不发生分解，并且显微硬度较高[19]，不易产生塑性变形，在高温下可有效阻碍位错运动，因而提高合金高温强度。然而，过多的第二相会破坏基体间的连续性[20]，使合金塑性降低。

图4 ZM61(1)和ZM61-8Sn(2)合金不同温度下拉伸断口扫描形貌 (a)180℃;(b)220℃;(c)260℃;(d)300℃

表2 图4中标注各点的能谱分析结果

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 断裂机制分析

图5为ZM61和ZM61-8Sn合金分别在180，220，260，300℃下的拉伸断口纵截面金相组织。由图可知，当拉伸温度低于220℃时，在合金断口以及断口附近形成大量孪晶(如图中圆圈所示)，随拉伸温度升高，孪晶数量明显减少[21]。这是由于镁合金为密排六方结构，在较低的变形温度下可启动的滑移系较少，主要为基面滑移，不能满足Mises塑性变形准则(至少有5个独立滑移系启动)，因此产生位错塞积使应力不断集中，促进孪晶形核，形成的孪晶可改变晶粒的取向从而协调塑性变形[22]。随变形温度升高，高于225℃后，非基面滑移系的临界分切应力大大降低，非基面滑移系开动，产生了位错的滑移及攀移，孪晶的形核和长大受到抑制，孪晶的数量显著减少。拉伸温度升高至300℃，发生了晶界滑移(如图中方框所示)。

图5 ZM61(1)和ZM61-8Sn(2)合金不同温度下断口截面金相组织 (a)180℃;(b)220℃;(c)260℃;(d)300℃

如图5(a-1),(b-1),(c-1)，(d-1)，在180，220，260，300℃下拉伸变形过程中，ZM61合金的断裂机制为穿晶断裂(如图中箭头所示)。如图5(a-2),(b-2),(c-2)，(d-2)，添加Sn元素后，合金的断裂机制随温度变化发生改变，当拉伸温度低于220℃，ZM61-8Sn合金的断裂方式为穿晶断裂。当拉伸温度高于220℃，合金的断裂方式变为沿晶断裂(如图5(c-2),(d-2)箭头所示)。ZM61-6Sn及ZM61-10Sn合金在相同拉伸温度下的断裂机制与ZM61-8Sn合金相同，当拉伸温度高于220℃后均发生沿晶断裂，这就明显降低了Mg-Zn-Mn-Sn系合金的高温变形能力，也是造成合金高温塑性下降的原因。

图6所示为ZM61-6Sn和ZM61-8Sn合金在不同温度下拉伸后断口的纵截面扫描组织，当拉伸温度为220℃时，在合金晶界上可观察到少量孔洞缺陷(如图6(a-1),(b-1)箭头所示)，当拉伸温度升高到260℃后，孔洞缺陷增多且沿晶界连接形成裂纹(如图6(a-2),(b-2)箭头所示)。这是由于添加过量的Sn，在晶界处形成粗大的Mg2Sn颗粒，这些粗大的第二相导致晶粒间结合力减弱，变形过程中位错运动到晶界处产生塞积，造成应力集中，易产生孔洞缺陷。此外，随拉伸温度升高，合金晶界发生软化，产生晶界滑移，晶间结合力减弱，促进裂纹的萌生和扩展。因此，在它们的共同作用下，当拉伸温度达到260℃后，合金的断裂方式以沿晶断裂为主。

图6 ZM61-6Sn(1)和ZM61-8Sn(2)合金不同温度的拉伸断口纵截面扫描组织 (a)220℃；(b)260℃

3 结论

(1)添加Sn元素后，合金相组成为α-Mg,α-Mn,MgZn2,Mg2Sn相；合金的组织得到细化，ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的平均晶粒尺寸分别为59，42，25,19μm。

(2)添加Sn元素可有效提高Mg-Zn-Mn系合金的高温强度，然而，也会急剧降低合金的塑性。在拉伸温度为300℃时ZM61-xSn(x=0，6，8，10)合金的抗拉强度分别为118，149，140,145MPa，伸长率分别为39.95%,5.65%，7.01%,6.33%。

(3)在低于220℃以下拉伸时，合金发生孪生变形，在断口附近可观察到大量孪晶；在高于220℃以上拉伸时，合金孪生变形受抑制，在断口附近无孪晶出现。

(4)随着拉伸温度的升高，合金的断裂机制发生变化，伸长率降低。粗大的Mg2Sn脆性相与基体结合力较弱，导致ZM61-xSn(x=6，8，10)合金的断裂机制在220℃发生转变，低于此温度，合金为穿晶断裂，高于此温度，合金发生沿晶断裂。

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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

国家973重大基础研究项目(2013CB632200)；国家十二五科技支撑计划项目(2011BAE22B01-3)；科技部国际合作项目(2010DFR50010)；国家自然科学基金项目(51201190)；中央高校基本科研业务费专项资金(CDJZR12130043)

2015-02-03；

2016-08-02

张丁非(1963—)，男，教授，研究方向为新型镁、铝合金材料与高性能钢铁材料开发，镁合金腐蚀与防护，液固态成型加工技术等，联系地址：重庆市沙坪坝区沙正街174号重庆大学材料学院(400045)，E-mail: zhangdingfei@cqu.edu.cn