宋佩維， 白 玫

(1.陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003；2.西安鐵路局 西安工務(wù)段， 陜西 西安 710000)

Si及Sb對鑄態(tài)Mg-Al-Si合金組織和力學(xué)性能的影響

宋佩維1， 白 玫2

(1.陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003；2.西安鐵路局 西安工務(wù)段， 陜西 西安 710000)

用普通鑄造法制備不同Al、Si含量的Mg-Al-Si三種合金，研究了Si含量和微量Sb對合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著Si含量增加，合金中的Mg2Si逐漸變粗大，合金力學(xué)性能逐漸提高。添加0.75% Sb后，三種合金均產(chǎn)生Mg3Sb2相，粗大的Mg2Si得到細(xì)化，呈相對彌散分布，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高。拉伸斷裂形式為準(zhǔn)解理脆性斷裂。

Mg-Al-Si合金； Mg2Si； Sb； 顯微組織； 力學(xué)性能

0 引 言

鎂是繼鋼、鋁合金之后發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)材料[1-2]，其中，具有良好的鑄造性能和較高強(qiáng)度的Mg-Al基合金(如AZ91)得到廣泛應(yīng)用。以Mg-Al二元合金為基礎(chǔ)，通過添加Si、RE、Ca、Sr等合金元素，先后開發(fā)出了Mg-Al-Si(AS)系、Mg-Al-RE(AE)系、Mg-Al-Ca(AX)系、Mg-Al-Ca-RE(ACM)系和Mg-Al-Sr(AJ)系等鎂合金[3]。其中，Si是價(jià)格較為低廉的合金化元素，合金中加入Si后可形成Mg2Si相金屬間化合物。該化合物具有高熔點(diǎn)(1 085 ℃)、低密度(1.99 g/cm3)、高硬度(HV460)、高彈性模量(120 GPa)和低熱膨脹系數(shù)(7.5×10-6K-1)[4]。它可強(qiáng)化基體，進(jìn)一步改善材料的力學(xué)性能[5-6]。Mg-Al-Si合金的強(qiáng)化主要依賴于細(xì)小、彌散分布的Mg2Si相顆粒。但是，對于重力鑄造而言，較低的冷速易形成粗大Mg2Si相，降低合金的力學(xué)性能[7-8]。而且，Si含量不同，形成的Mg2Si相的數(shù)量、形貌、尺寸及分布有較大差異[8]，這將對材料的性能產(chǎn)生重要影響。研究發(fā)現(xiàn)[9-11]，添加微量元素可細(xì)化組織，提高性能。

本研究采用重力鑄造法制備Mg-Al-Si系三種合金，主要研究不同Si含量以及添加微量Sb對合金組織和力學(xué)性能的影響。這對細(xì)化組織、開發(fā)性能更為優(yōu)良的低鋁(≤6%)、高硅(≥6%)AS系鎂合金具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用合金的成分見表1，按照配比制備合金試樣。在井式坩堝采用工業(yè)專用覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)熔煉，金屬型鑄造。

顯微組織觀察用Nikon Epiphot光學(xué)顯微鏡；物相分析用XRD-7000S型X射線衍射儀；硬度測試用維氏硬度計(jì)；力學(xué)性能測試用WDW3100電子萬能拉伸機(jī)，試樣標(biāo)距尺寸為Φ6 mm×30 mm，拉伸速率為1 mm/min；斷口形貌觀察用JSM-6700F掃描電鏡。

表1 Mg-Al-Si(AS)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1、圖2為合金的XRD分析圖譜。結(jié)果表明，未加Sb時(shí)，合金由α-Mg、β-Mg17Al12和Mg2Si相組成；加Sb后，合金由α-Mg、β-Mg17Al12、Mg2Si和Mg3Sb2相組成。根據(jù)Mg-Si、Mg-Al和Mg-Sb二元相圖[12]，結(jié)合已有研究結(jié)果[13]，可推知AS66-xSb合金的相組成應(yīng)該與上述合金的相同。

(a) AS42； (b) AS42-0.75Sb (a) AS44； (b) AS44-0.75Sb 圖1 鑄態(tài)AS42-xSb合金XRD圖譜 圖2 鑄態(tài)AS44-xSb合金XRD圖譜

圖3為AS42、AS44和AS66三種合金加Sb前后的顯微組織。未加Sb時(shí)，隨著Si含量逐漸增加，合金中Mg2Si相的數(shù)量(體積分?jǐn)?shù))、尺寸、形貌及分布逐漸發(fā)生變化，如圖3(a)—(c)所示。當(dāng)Si含量為2%時(shí)，合金中存在大量粗大的漢字狀共晶Mg2Si相顆粒和少量的多邊形塊狀初生Mg2Si相顆粒。當(dāng)Si含量為4%時(shí)，合金中出現(xiàn)大量粗大的多邊形塊狀初生Mg2Si相顆粒和少量骨骼狀初生Mg2Si相顆粒，同時(shí)還存在一定量的漢字狀和棒狀共晶Mg2Si相顆粒，但與2%Si時(shí)比較，漢字狀Mg2Si相顆粒數(shù)量明顯減少。當(dāng)Si含量為6%時(shí)，合金中出現(xiàn)大量粗大的骨骼狀初生Mg2Si相顆粒。由上述可見，隨Si含量逐漸增加，合金中粗大的漢字狀Mg2Si相顆粒數(shù)量逐漸減少，尺寸逐漸減小，同時(shí)出現(xiàn)短棒狀共晶Mg2Si相；大量粗大的骨骼狀Mg2Si相顆粒數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大。根據(jù)Mg-Si[12]相圖可知，當(dāng)Si含量>1.38%時(shí)，在凝固過程中，初生Mg2Si首先從液相形核并長大成為粗大的多邊形塊狀或骨骼狀。隨著溫度降低到637.6 ℃時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，生成漢字狀Mg2Si相。因此，在Si含量為2%的AS42合金中，主要為漢字狀共晶Mg2Si相。進(jìn)一步增加Si含量，將會使初生Mg2Si相的體積分?jǐn)?shù)增加，其顆粒更為粗大，從而使AS44和AS66合金形成大量粗大的塊狀和骨骼狀Mg2Si相顆粒。

加入0.75% Sb后，合金中的Mg2Si相顆粒形貌、尺寸及分布發(fā)生了顯著變化，如圖3(d)—(f)所示。其中，AS42合金中的多邊形塊狀Mg2Si相消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)闈h字狀、短棒狀及點(diǎn)狀Mg2Si相，且分布較為彌散，如圖3(d)；AS44合金中的骨骼狀Mg2Si相消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅繚h字狀Mg2Si相和少量多邊形塊狀Mg2Si相顆粒，如圖3(e)；AS66合金中的骨骼狀Mg2Si相也發(fā)生細(xì)化。綜上所述，微量Sb使大量粗大的Mg2Si相對細(xì)小化。根據(jù)已有研究結(jié)果[14-15]，Mg2Si相顆粒的細(xì)化機(jī)制為：在凝固過程中，首先析出高熔點(diǎn)的Mg3Sb2(1 228 ℃)相，作為異質(zhì)形核核心，使初生Mg2Si相顆粒得到細(xì)化；同時(shí)，部分Sb富集于初生Mg2Si相界面前沿，從而阻礙Mg2Si晶粒的生長。

(a)AS42； (b)AS44； (c)AS66； (d)AS42-0.75Sb； (e)AS44-0.75Sb；(f)AS66-0.75Sb圖3 鑄態(tài)AS-xSb合金的顯微組織

2.2 力學(xué)性能

鑄態(tài)AS-xSb合金的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。未加Sb時(shí)，與AS42合金相比，AS44和AS66合金的屈服強(qiáng)度的提高率分別為49%和35%，抗拉強(qiáng)度的提高率分別為38%和31%。AS44和AS66合金硬度較高的主要原因是由于其中所含高硬度的Mg2Si相的體積分?jǐn)?shù)高于AS42合金所致；AS44和AS66合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高的主要原因可能是由于Si對基體組織細(xì)化所致[16]；伸長率降低的主要原因是由于AS44和AS6合金中粗大的塊狀和骨骼狀Mg2Si相顆粒割裂基體組織，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中所致。

表2 鑄態(tài)AS-xSb合金的室溫力學(xué)性能

加入Sb后，與AS42合金相比，AS42-0.75Sb合金的硬度略有提高；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有較大幅度的提高，提高率分別為122%和92%；伸長率略有提高；與AS44合金相比，AS44-0.75Sb合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有提高，提高率分別為6.5%和9.8%；硬度和伸長率變化幅度較??；與AS66合金相比，AS66-0.75Sb合金強(qiáng)度略有提高。力學(xué)性能的提高主要緣于微量Sb細(xì)化了組織，并使第二相呈相對彌散分布。相比較而言，加Sb后，AS42合金的細(xì)化效果尤為顯著，其硬度、強(qiáng)度和伸長率提高幅度最大。

2.3 斷口形貌

圖4為試樣的室溫拉伸斷口SEM形貌。根據(jù)斷口形貌特征可以推斷，在拉伸過程中，位錯在Mg2Si顆粒強(qiáng)化相處和Mg2Si顆粒與基體的界面處發(fā)生塞積，使Mg2Si發(fā)生解理脆性斷裂，在試樣中直接形成裂紋；同時(shí)，在Mg2Si與基體的界面處也萌生微裂紋，然后擴(kuò)展至基體。隨著拉伸過程的繼續(xù)，微裂紋之后發(fā)生擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料斷裂。

(a)AS42； (b)AS44； (c)AS42-0.75Sb； (d)AS44-0.75Sb圖4 鑄態(tài)AS-xSb合金試樣拉伸斷口SEM形貌

綜上所述，在一定范圍內(nèi)增加Si含量有利于合金硬度和強(qiáng)度的提高，添加適量Sb能夠細(xì)化粗大的Mg2Si，進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

(1)鑄態(tài)AS42合金中的Mg2Si以大量共晶漢字狀和少量初生塊狀形式存在；AS44和AS66合金中的Mg2Si以大量初生塊狀、骨骼狀和少量共晶漢字狀存在。

(2)隨Si含量由2%分別增加到4%和6%，合金的力學(xué)逐漸提高。與AS42合金相比，AS44和AS66合金的屈服強(qiáng)度的提高率分別為49%和35%；抗拉強(qiáng)度的提高率分別為38%和31%。

(3)添加0.75% Sb后，三種合金均產(chǎn)生Mg3Sb2新相，使組織得到細(xì)化，改善了力學(xué)性能。

(4)拉伸斷裂形式為準(zhǔn)解理脆性斷裂。

[1] BLUM W，ZHANG P，WATZINGER B，et al. Comparative study of creep of the die-cast Mg-alloys AZ91，AS21，AS41，AM60 and AE42[J]. Materials Science and Engineering A，2001，319/321：735-740.

[2] KANG D H，PARK S S，KIM N J. Development of creep resistantdie cast Mg-Sn-Al-Si alloy[J].Materials Science and Engineering A，2005，413/414：555-560.

[3] 張忠明，徐春杰，賈樹卓，等. 高硅含量鎂鋁硅合金的組織與力學(xué)性能[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2009，30(5)：140-144.

[4] KIM J J，KIM D H，SHIN K S，et al. Modification of Mg2Simorphology in squeeze cast Mg-Al-Zn-Si alloys by Ca or P addition[J]. Scripta Materialia，1999，41(3)：333-340.

[5] YUAN G Y，LIU M P，DING W J，et al. Development of a Cheep creep Resistant Mg-Al-Zn-Si-base alloy[J]. Materials Science Forum，2003，419-422：425-432.

[6] MABUCHI M，KUBOTA K，HIGASHI K.Tensile strength，Ductility and Fracture of Magnesium Silicon Alloys[J].Mater. Sci.，1996(31)：1529-1535.

[7] ZHANG P. Creep behavior of the die-cast Mg-Al alloy AS21[J].Scripta Materialia，2005(52)：277-282.

[8] MA G R，LI X L，LI L，et al. Modification of Mg2Si morphology in Mg-9%Al-0.7%Si alloy by the SIMA process[J]. MATERIALS CHARACTERIZATION，2011(62)：360-366.

[9] JIANG Q C，WANG H Y，WANG Y. Modification of Mg2Si in Mg-Si alloys withyttrium[J].Mater Sci Eng A，2005，392(1/2)：130-135.

[10] DARGUSCH M S，BOWLES A L，PETTERSEN K. The effect of silicon content on the microstructure and creep behavior in die-cast magnesium AS alloys [J]. Metallurgical and Materials Transactions A，2004，35(6)：1905-1912.

[11] SRINIVASAN A，PILLAI U T S，PAI B C. Microstructure and mechanical properties of Si and Sb added AZ91 magnesium alloy [J].Metallurgical and Materials Transactions A，2005，36(8)：2235-2239.

[12] 長崎誠三，林平真．二元狀態(tài)圖集[M]．劉安生，譯.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[13] LI Xin-lin，CHEN Yan-bin，WANG Xiang，et al. Effect of cooling rates on as-cast microstructures of Mg-9Al-xSi (x=1，3) alloys [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010(20)：393-396.

[14] YANG Ming-bo，SHEN Jia，PAN Fu-sheng.Effect of Sb on microstructure of semi-solid isothermal heat-treated AZ61-0.7Si magnesium alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009(1)：32-39.

[15] YUAN G Y，LIU Z L，WANG Q D，et al.Microstructure refinement of Mg-Al-Zn-Si alloys [J].Materials Letters，2002(56)：53-58.

[16] García-Villarreal S，Chavez-Valdez A，MORENO K J，et al.Microstructural and mechanical characterization of Al-Zn-Si nanocomposites [J].Materials Characterization，2013(83)：187-197.

[責(zé)任編輯：謝 平]

Abstract: Three kinds of Mg-Al-Si alloys with different Al and Si content are prepared by the gravity casting.Effects of Al and Si contents on Microstructure andmechanical propertiesat room temperature of the as-cast alloys are investigated.The results show that the Mg2Si becomes bulky by increasing Si content in alloy and the hardness，yield strength and ultimate tensile strength of alloys increases. The Mg3Sb2phase is formed in the microstructures of alloys after adding 0.75% Sb.The Mg2Si particle gradually gets refined and shows a relative dispersion distribution in matrix (α-Mg)，which further increases the tensile strength and the yield strength of alloys. The fracture of the alloys is characterized by quasi-cleavage brittle.

Keywords: Mg-Al-Si alloy； Mg2Si； Sb； microstructure； mechanical property

Effects of Si and Sb on microstructures and mechanical properties of as-cast Mg-Al-Si alloys

SONG Pei-wei1， BAI Mei2

(1.School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，China；2.Xi’an Railway Bureau，Xi’an Construction Section，Xi’an 710000，China)

1673-2944(2014)03-0010-05

2014-03-24

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010JK470)

宋佩維(1964—)，男，陜西省扶風(fēng)縣人，陜西理工學(xué)院教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦咝阅茌p金屬材料的開發(fā)及應(yīng)用。

TG146.2

A