Sn和Sr对Mg-2.0％Si镁合金组织和性能的影响

摘要

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、铸造成型性好、导热和导电性能好、减振降噪、电磁屏蔽能力强和易于回收利用等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。但镁合金的绝对强度比较低，制约了其大规模的生产和应用。虽然已经研发出添加稀土和稀有金属而获得性能优异的镁合金，但是由于成本较高，限制其只能在民用领域应用。所以研究设计出一些具有优良机械性能的铸造镁合金具有重要的现实意义。
　　本课题在继承前人研究的基础上，继续对Mg-Si系合金的组织和性能进行研究。通过合金化处理来细化合金组织、改变合金中强化相的形状、分布以及数量，以期达到提高镁合金性能的目的。本文以Mg-2.0％Si合金为基础，通过添加碱金属元素Sr以及合金元素Sn，借助金相分析（OM）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS），以及万能拉伸试验机等实验设备，研究Sn和Sr对Mg-2.0%Si镁合金组织和性能的影响。
　　研究结果表明：
　　（1）Mg-2.0%Si铸造镁合金组织主要由α-Mg基体和Mg2Si两相组成。而Mg-2.0%Si-x%Sr合金组织也是由α-Mg基体、初生Mg2Si相、共晶Mg2Si相组成；添加0.04%和0.08%Sr时，大块的初生Mg2Si尺寸变小，棱角钝化，数量增多，枝晶α-Mg的尺寸减小并趋于均匀化，混晶现象减少，共晶Mg2Si仍以层片状存在；当Sr的含量增加到0.16%时，初生Mg2Si颗粒尺寸达到最小，近似球化，均匀分布在α-Mg基体中；共晶Mg2Si相不再是层片状结构，而是变成不规则的短棒状弥散分布在整个基体。虽然Sr元素的添加可以使合金组织细化，但是合金的硬度降低，合金抗拉强度并没有显著的提高，而合金的延伸率却有明显提升，其中Mg-2.0%Si-0.16%Sr合金较之Mg-2.0%Si提升了179%。
　　（2）Mg-2.0%Si合金添加合金元素Sn后，能有效降低初生Mg2Si相的尺寸，而共晶Mg2Si由原来的层片状变成汉字状；在Mg-2.0%Si-x%Sn合金中，随着Sn合金元素的增加，汉字状的Mg2Si的整体尺寸减小，并且逐渐向棒状和颗粒状分解；当Sn合金元素含量低于3.5%时，Mg-2.0%Si-x%Sn合金中Mg2Sn相以颗粒状存在，而Sn含量为4.5%时，会生成不规则粗大的Mg2Sn；Mg-2.0%Si-x%Sn合金的抗拉强度和延伸率均随着Sn含量的增加先增大后减小，在Sn含量为3.5%时达到最大值，分别为148.5Mpa和11.85%。合金硬度随着Sn的添加先降后生，在3.5%Sn时达到峰值；对Mg-2.0%Si-4.5%Sn合金进行固溶处理后，粗大的Mg2Sn相已经不复存，共晶Mg2Si由原来的汉字状变为小颗粒状；与160℃/4h和240℃/4h时效处理后相比，160℃/8h和240℃/8h时效处理后，均观察到多边形初生Mg2Si棱角被钝化的现象。
　　（3）Mg-2.0%Si-3.5%Sn-x%Sr合金组织主要由α-Mg基体、Mg2Si和Mg2Sn相以及MgSnSr三元合金相组成。基体中共晶Mg2Si在添加Sr后其形貌由原来的汉字状变为细长的棒状和细小块状，而初生块状Mg2Si的尺寸变小而且数量随着Sr含量的增加而减少。当Sr的含量低于0.5%时，MgSnSr主要以细小的针状组织存在，并且横跨晶界。而在Sr的含量达到1.0%时，合金组织中开始形成粗大的针状MgSnSr，进一步增加Sr的含量至1.5%和2.0%时，针状MgSnSr相数量进一步增加，但粗大的针状MgSnSr组织也越来越多。