李建文，李秋書，郭會玲，胡延昆，吳瑞瑞

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

鎂合金的密度比較小，只有鋁的2/3，鋼鐵的1/4；比強度及比剛度高，其比強度高于鋁合金和鋼鐵，比剛度與鋁合金相比幾乎相等[1-2]；純鎂還有較高的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率在常用的金屬結(jié)構(gòu)材料中僅次于Cu和Al；同時，鎂合金還有優(yōu)異的減震、環(huán)保等諸多性能，可以廣泛用于汽車制造、電子電器產(chǎn)品、航空航天等領(lǐng)域[3-6]。近年來，由于Sn元素具有較強的細化晶粒，提高鎂合金耐熱性能的作用，因而得到了眾多研究者們的關(guān)注。李正祥等人[7]在研究Sn對Mg合金的影響時發(fā)現(xiàn)，當Sn含量為4 wt%時，晶粒得到明顯細化，力學(xué)性能明顯提高；劉紅梅等人[8]在研究鑄態(tài)Mg-Sn合金時發(fā)現(xiàn)，加入5 wt%Sn時晶粒尺寸最小，加入Sn為10 wt%時晶粒粗化。黃正華等人[9]研究了鑄態(tài)和固溶態(tài)Mg-Sn二元合金，認為隨Sn含量增加，Mg2Sn相逐漸增多，拉伸力學(xué)性能先提高后下降。本文通過在鎂中加入不同含量的Sn元素，研究了Mg-xSn合金的顯微組織、熱導(dǎo)率及力學(xué)性能。

1 實驗方法

本實驗選用純鎂(99.95%)和純錫(99.95%)作為原材料，在石墨坩堝中將按比例配好的純鎂和純錫進行熔煉(Sn含量分別為1 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%、9 wt%)，并澆注于提前預(yù)熱好的金屬模中。澆鑄出的試樣是規(guī)格為φ12 mm×300 mm的圓柱形試樣。

將澆鑄出的圓柱試樣加工成規(guī)格為φ10 ×200 mm的試棒，進行熱導(dǎo)率測量實驗。熱導(dǎo)率測量實驗測量得出的是電阻，通過魏德曼-弗蘭茲定律[10]計算出熱導(dǎo)率數(shù)值，從而反映出熱導(dǎo)率的變化規(guī)律。魏德曼-弗蘭茲定律數(shù)學(xué)表達式如下：

其中，λ是金屬的熱導(dǎo)率，σ是金屬的電導(dǎo)率，T是絕對溫度，L0是洛倫茲數(shù)，L0=2.45×10-8W·Ω/K2.

之后再將試棒按一定規(guī)格加工成圓柱形拉伸試樣進行拉伸實驗，拉伸試驗在WDW-E100D微機控制電子式萬能試驗機上進行，在室溫下采用的拉伸速率為0.5 mm/min.同時在余下的試樣相同部位取樣制成金相試樣進行顯微組織觀察。

其中，實驗所用拉伸試樣采用GB/T16865-1997標準，具體尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸

Fig.1 The size of tensile sample

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)Mg-xSn合金的顯微組織分析

圖2 鑄態(tài)Mg-xSn合金的金相顯微組織

Fig.2 Optical microstructure of as-cast Mg-xSn alloys

圖2是鑄態(tài)Mg-xSn(x=1、3、5、7、9)合金的金相顯微組織。由圖可知，合金的晶粒主要由等軸晶組成，并有產(chǎn)生樹枝晶的傾向。當Sn含量小于5 wt%時，隨著Sn含量的增加，晶粒逐漸得到細化，當Sn含量為9 wt%時，晶粒發(fā)生粗化。

圖3所示為鑄態(tài)Mg-xSn合金的X射線衍射結(jié)果。實驗采用Cu靶X射線衍射儀進行物相分析，入射線波長為0.154 06 nm，掃描步長0.02°，掃描速度為0.3 s/步，掃描3 000步，掃描范圍20°～90°，發(fā)散狹縫3.03 mm.結(jié)果表明，鑄態(tài)Mg-xSn合金中的第二相為Mg2Sn相，當Sn含量越高的時候，Mg2Sn相的衍射峰越明顯，且沒有出現(xiàn)新的第二相。

圖3 鑄態(tài)Mg-xSn (x=3,5,7,9)合金的XRD圖譜

Fig.3 XRD patterns of as-cast Mg-xSn (x=3,5,7,9) alloys

圖4是鑄態(tài)Mg-xSn合金的SEM圖片及Mg-5Sn合金的能譜結(jié)果，SEM圖片放大倍數(shù)均為1 000倍。圖中，白亮的物質(zhì)是析出的第二相。EDS結(jié)果顯示，第二相由Mg和Sn兩種元素構(gòu)成，結(jié)合圖3所示XRD的結(jié)果進一步證實，鑄態(tài)Mg-xSn合金中的第二相是Mg2Sn相。觀察SEM圖片可以發(fā)現(xiàn)，第二相主要沿晶界分布，隨Sn含量升高，Mg2Sn的含量逐漸升高。圖4(a)所示Sn含量是1 wt%時，晶界上分布的第二相主要以球狀為主。當合金中Sn含量增加時，如圖4(b)和4(c)所示，桿狀Mg2Sn相明顯增多。桿狀Mg2Sn相的形成機理是合金中的Sn含量相對比較低，遠離共晶點，Mg2Sn相在凝固過程連續(xù)析出時，沒有足夠的Sn原子使其繼續(xù)長大，從而發(fā)生了離異共晶反應(yīng)，形成了桿狀的離異共晶Mg2Sn相。當合金中Sn繼續(xù)增多時，Mg2Sn相的析出過程獲得了足夠多的Sn原子，Mg2Sn相與α-Mg形成魚骨狀的共晶組織[11]，如圖4(d)和(e)所示，此時第二相逐漸沿晶界以網(wǎng)狀形式存在。

(a)x=1

(b)x=3

(c)x=5

(d)x=7

(e)x=9

(f)A點EDS

圖4 鑄態(tài)Mg-xSn合金的SEM圖及EDS結(jié)果

Fig.4 The SEM images and EDS of the as-cast Mg-xSn alloys

2.2 鑄態(tài)Mg-xSn合金的導(dǎo)熱性能分析

圖5所示為鑄態(tài)Mg-xSn合金熱導(dǎo)率變化規(guī)律。由圖可知，Mg-xSn合金的熱導(dǎo)率隨Sn含量的升高逐漸降低，由Sn含量為1 wt%時的141.58 W/m·K下降到Sn含量為9 wt%時的65.94 W/m·K.鑄態(tài)Mg-xSn合金熱導(dǎo)率變化規(guī)律可從以下幾個方面進行分析：

根據(jù)熱傳導(dǎo)的相關(guān)理論，合金材料的熱導(dǎo)率主要與固溶原子、晶格缺陷(如點缺陷、位錯、晶界)、沉淀析出相等因素有關(guān)[12-13]，它們通常會作為電子和聲子的散射中心，阻礙電子和聲子在金屬中的自由運動，從而阻礙電子和聲子對熱量的傳遞，對熱導(dǎo)率產(chǎn)生不利影響[14-15]，其中固溶原子和沉淀析出相對合金熱導(dǎo)率的影響起重要作用。

對于Mg-xSn二元合金，當加入1 wt%的Sn的時候，固溶進α-Mg基體的Sn原子相對較少，析出的第二相也特別少(如圖4(a))，此時合金成分比較接近純鎂，因此合金熱導(dǎo)率比較高。隨著Sn含量的增加，固溶原子造成了更多的晶格畸變，同時從圖4可以看出，合金中的Mg2Sn相越來越多，最后形成了大量的α-Mg+Mg2Sn的共晶組織，并連成網(wǎng)狀，這些第二相組織對電子和聲子的作用同晶格畸變對電子和聲子的作用是相同的，它們作為散射中心，阻止Mg-xSn合金中電子和聲子對電和熱的自由傳輸，使合金熱導(dǎo)率降低。

圖5 鑄態(tài)Mg-xSn合金熱導(dǎo)率

Fig.5 The thermal conductivity of as-cast Mg-xSn alloys

另外，前面已經(jīng)分析過，隨Sn原子增多，合金晶粒會明顯細化，晶界數(shù)量就會增加。晶界是一種缺陷，它也會成為阻礙電子和聲子傳遞熱量的散射中心，使合金的熱導(dǎo)率下降。

2.3 鑄態(tài)Mg-xSn合金的拉伸性能分析

鑄態(tài)Mg-xSn合金的極限抗拉強度(UTS)和伸長率如圖6所示。實驗結(jié)果表明，合金的UTS隨Sn含量的升高先上升后下降。當Sn含量為1 wt%時，UTS最低，其值為110.21 MPa，當Sn含量為5 wt%時，UTS最大，其值為150.23 MPa.合金的伸長率也是隨Sn含量升高先上升后下降，當Sn含量為1 wt%時伸長率最低，其值為5.6%，Sn含量為5 wt%時伸長率最高，其值為8.7%.

Sn對鎂合金力學(xué)性能的改善跟其細晶強化和第二相強化有關(guān)。根據(jù)劉紅梅等人[7]的研究，晶粒細化主要受兩個方面影響，首先，溶質(zhì)合金要有良好的偏析能力，其次，金屬液凝固過程中要有比較多的形核質(zhì)點。Sn的熔點是232 ℃，Mg的熔點是651 ℃，二者相差較大，使得Sn在Mg中具有良好的偏析作用。當Mg-Sn合金凝固的時候，加入的溶質(zhì)元素Sn會有一個溶質(zhì)再分配過程，由于Sn的偏析，使枝晶生長的固-液界面前沿出現(xiàn)成分過冷區(qū)，固液兩側(cè)Sn的含量有比較大的差別，溶質(zhì)Sn原子在液相區(qū)富集。富集的Sn原子為晶粒生成提供了大量的形核質(zhì)點，而晶核形成以后，Mg原子連續(xù)進入晶體內(nèi)部才會使晶粒不斷長大，液相中高含量的溶質(zhì)Sn原子會抑制Mg原子進入晶體，從而抑制了晶粒長大，達到細晶強化的作用。但當添加過量的Sn的時候，晶粒會逐漸粗化，這是因為第二相的粗化速度受溶質(zhì)原子濃度影響，當溶質(zhì)的原子含量越多的時候，第二相的粗化速度就越大，第二相粗化會使其對位錯的釘扎作用減弱，從而造成晶粒長大，晶粒細化的作用就減弱了[16]。

圖6 鑄態(tài)Mg-xSn合金的極限抗拉強度和伸長率

Fig.6 The UTS and elongation of as-cast Mg-xSn alloy

其次，合金中析出的第二相組織對拉伸性能也有重要的作用。根據(jù)Mg-Sn二元相圖，Sn在Mg中的固溶度隨溫度的下降逐漸降低，最大固溶度是當溫度為561 ℃時的14.85 wt%，溫度降至室溫后，其固溶度接近于0，此時Sn元素主要以Mg2Sn相的形式存在。前面已經(jīng)分析過，Mg2Sn相隨Sn含量升高而增加。Mg2Sn相屬于脆硬相，它的顯微硬度可達HV119，當合金發(fā)生塑性變形，位錯經(jīng)過Mg2Sn相時，由于這些Mg2Sn相比較堅硬且較為粗大，位錯會受到這些第二相的阻擋，當外力繼續(xù)增大時，位錯最終會繞過這些第二相粒子，留下一個個位錯環(huán)。這些位錯環(huán)會對合金產(chǎn)生明顯的強化效果，使合金的強度提高。但若添加過量的Sn元素，會產(chǎn)生過量的Mg2Sn相，在晶界上連成網(wǎng)狀，如圖4所示。因為Mg2Sn相是脆硬相，網(wǎng)狀的Mg2Sn相把塑性相在空間上分割開，使合金變形能力大大下降，從而造成合金極易脆性開裂，強度和塑性都大大降低。

3 結(jié)論

(1)鑄態(tài)Mg-xSn(x=1、3、5、7、9)合金的顯微組織主要由等軸晶組成。當Sn含量低于5 wt%時，晶粒逐漸細化，Sn含量高于5 wt%時晶粒粗化。合金中的第二相為Mg2Sn相，隨Sn含量增加Mg2Sn相主要沿晶界析出，含量越來越多，并逐漸連成網(wǎng)狀。

(2)鑄態(tài)Mg-xSn合金的熱導(dǎo)率隨Sn含量升高而下降，由Sn含量1 wt%時的141.58 W/m·K下降到Sn含量9 wt%時的65.94 W/m·K.

(3)鑄態(tài)Mg-xSn合金的抗拉強度和伸長率隨Sn含量的增多先升高后降低，且均在Sn含量為5 wt%時達到最大值，其值分別為150.23 MPa和8.7%.

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