材料工程  2016, Vol. 44 Issue (11): 9-15   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.11.002
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唐甜, 张丁非, 孙静, 胡光山, 胥钧耀, 潘复生
TANG Tian, ZHANG Ding-fei, SUN Jing, HU Guang-shan, XU Jun-yao, PAN Fu-sheng
Sn对时效态ZM61镁合金高温力学性能的影响
Effects of Sn on Elevated-temperature Mechanical Properties of As-aged ZM61 Alloy
材料工程, 2016, 44(11): 9-15
Journal of Materials Engineering, 2016, 44(11): 9-15.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.11.002

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收稿日期: 2015-02-03
修订日期: 2016-08-02
引用本文
唐甜 , 张丁非 , 孙静 , 胡光山 , 胥钧耀 , 潘复生 . Sn对时效态ZM61镁合金高温力学性能的影响[J]. 材料工程,2016, 44(11): 9-15.
TANG Tian , ZHANG Ding-fei , SUN Jing , HU Guang-shan , XU Jun-yao , PAN Fu-sheng . Effects of Sn on Elevated-temperature Mechanical Properties of As-aged ZM61 Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44(11): 9-15.
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
收稿日期: 2015-02-03 ; 修订日期: 2016-08-02
基金项目: 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）
通讯作者: 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
摘要: 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。
关键词: ZM61-Sn合金    显微组织    高温拉伸性能    断裂机制   
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, Chongqing University, Chongqing 400045, China ;
2. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing University, Chongqing 400044, China
Abstract: 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, MgZn2 and 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℃.
Key words: ZM61-Sn alloy    microstructure    high temperature tensile property    fracture mechanism   

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/%)
Alloy Mg Zn Mn Sn
ZM61 93.09 5.96 0.95
ZM61-6Sn 87.19 6.05 0.92 5.84
ZM61-8Sn 84.85 6.24 0.85 8.06
ZM61-10Sn 83.55 5.94 0.95 9.56
表选项

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 Fig. 1 XRD patterns of tested alloys
图选项

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。

图 2 实验合金的金相组织(a) ZM61;(b) ZM61-6Sn; (c) ZM61-8Sn; (d) ZM61-10Sn Fig. 2 Optical images of tested alloys (a) ZM61;(b) ZM61-6Sn; (c) ZM61-8Sn; (d) ZM61-10Sn
图选项
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。

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 Fig. 3 High temperature mechanical properties of tested alloys (a) ultimate tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation
图选项

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。

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℃ Fig. 4 SEM images of fracture surface of ZM61(1) and ZM61-8Sn (2) alloys tested at different temperatures (a)180℃; (b)220℃; (c)260℃; (d)300℃
图选项
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
Point Atom fraction/% Phase
Mg Zn Sn
A 64.59 35.41 Mg2Sn
B 65.36 34.64 Mg2Sn
C 35.81 64.19 MgZn2
D 31.45 68.55 MgZn2
E 63.72 36.28 Mg2Sn
F 67.86 32.14 Mg2Sn
表选项
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℃ Fig. 5 Optical images of the fracture section of ZM61(1) and ZM61-8Sn (2) alloys tested at different temperatures (a)180℃; (b)220℃; (c)260℃; (d)300℃
图选项

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℃ Fig. 6 SEM images of the longitudinal section of fracture of ZM61-6Sn (1) and ZM61-8Sn (2) alloys tested at different temperatures (a)220℃; (b)260℃
图选项
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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