宋佩维， 白 玫

(1.陕西理工学院 材料科学与工程学院， 陕西 汉中 723003；2.西安铁路局 西安工务段， 陕西 西安 710000)

Si及Sb对铸态Mg-Al-Si合金组织和力学性能的影响

宋佩维1， 白 玫2

(1.陕西理工学院 材料科学与工程学院， 陕西 汉中 723003；2.西安铁路局 西安工务段， 陕西 西安 710000)

用普通铸造法制备不同Al、Si含量的Mg-Al-Si三种合金，研究了Si含量和微量Sb对合金组织和力学性能的影响。结果表明：随着Si含量增加，合金中的Mg2Si逐渐变粗大，合金力学性能逐渐提高。添加0.75% Sb后，三种合金均产生Mg3Sb2相，粗大的Mg2Si得到细化，呈相对弥散分布，合金的屈服强度和抗拉强度进一步提高。拉伸断裂形式为准解理脆性断裂。

Mg-Al-Si合金； Mg2Si； Sb； 显微组织； 力学性能

0 引 言

镁是继钢、铝合金之后发展起来的新型结构材料[1-2]，其中，具有良好的铸造性能和较高强度的Mg-Al基合金(如AZ91)得到广泛应用。以Mg-Al二元合金为基础，通过添加Si、RE、Ca、Sr等合金元素，先后开发出了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)系等镁合金[3]。其中，Si是价格较为低廉的合金化元素，合金中加入Si后可形成Mg2Si相金属间化合物。该化合物具有高熔点(1 085 ℃)、低密度(1.99 g/cm3)、高硬度(HV460)、高弹性模量(120 GPa)和低热膨胀系数(7.5×10-6K-1)[4]。它可强化基体，进一步改善材料的力学性能[5-6]。Mg-Al-Si合金的强化主要依赖于细小、弥散分布的Mg2Si相颗粒。但是，对于重力铸造而言，较低的冷速易形成粗大Mg2Si相，降低合金的力学性能[7-8]。而且，Si含量不同，形成的Mg2Si相的数量、形貌、尺寸及分布有较大差异[8]，这将对材料的性能产生重要影响。研究发现[9-11]，添加微量元素可细化组织，提高性能。

本研究采用重力铸造法制备Mg-Al-Si系三种合金，主要研究不同Si含量以及添加微量Sb对合金组织和力学性能的影响。这对细化组织、开发性能更为优良的低铝(≤6%)、高硅(≥6%)AS系镁合金具有重要意义。

1 实验方法

实验用合金的成分见表1，按照配比制备合金试样。在井式坩埚采用工业专用覆盖剂进行保护熔炼，金属型铸造。

显微组织观察用Nikon Epiphot光学显微镜；物相分析用XRD-7000S型X射线衍射仪；硬度测试用维氏硬度计；力学性能测试用WDW3100电子万能拉伸机，试样标距尺寸为Φ6 mm×30 mm，拉伸速率为1 mm/min；断口形貌观察用JSM-6700F扫描电镜。

表1 Mg-Al-Si(AS)合金的化学成分(质量分数/%)

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1、图2为合金的XRD分析图谱。结果表明，未加Sb时，合金由α-Mg、β-Mg17Al12和Mg2Si相组成；加Sb后，合金由α-Mg、β-Mg17Al12、Mg2Si和Mg3Sb2相组成。根据Mg-Si、Mg-Al和Mg-Sb二元相图[12]，结合已有研究结果[13]，可推知AS66-xSb合金的相组成应该与上述合金的相同。

(a) AS42； (b) AS42-0.75Sb (a) AS44； (b) AS44-0.75Sb 图1 铸态AS42-xSb合金XRD图谱 图2 铸态AS44-xSb合金XRD图谱

图3为AS42、AS44和AS66三种合金加Sb前后的显微组织。未加Sb时，随着Si含量逐渐增加，合金中Mg2Si相的数量(体积分数)、尺寸、形貌及分布逐渐发生变化，如图3(a)—(c)所示。当Si含量为2%时，合金中存在大量粗大的汉字状共晶Mg2Si相颗粒和少量的多边形块状初生Mg2Si相颗粒。当Si含量为4%时，合金中出现大量粗大的多边形块状初生Mg2Si相颗粒和少量骨骼状初生Mg2Si相颗粒，同时还存在一定量的汉字状和棒状共晶Mg2Si相颗粒，但与2%Si时比较，汉字状Mg2Si相颗粒数量明显减少。当Si含量为6%时，合金中出现大量粗大的骨骼状初生Mg2Si相颗粒。由上述可见，随Si含量逐渐增加，合金中粗大的汉字状Mg2Si相颗粒数量逐渐减少，尺寸逐渐减小，同时出现短棒状共晶Mg2Si相；大量粗大的骨骼状Mg2Si相颗粒数量逐渐增多，尺寸逐渐增大。根据Mg-Si[12]相图可知，当Si含量>1.38%时，在凝固过程中，初生Mg2Si首先从液相形核并长大成为粗大的多边形块状或骨骼状。随着温度降低到637.6 ℃时，发生共晶反应，生成汉字状Mg2Si相。因此，在Si含量为2%的AS42合金中，主要为汉字状共晶Mg2Si相。进一步增加Si含量，将会使初生Mg2Si相的体积分数增加，其颗粒更为粗大，从而使AS44和AS66合金形成大量粗大的块状和骨骼状Mg2Si相颗粒。

加入0.75% Sb后，合金中的Mg2Si相颗粒形貌、尺寸及分布发生了显著变化，如图3(d)—(f)所示。其中，AS42合金中的多边形块状Mg2Si相消失，全部转变为汉字状、短棒状及点状Mg2Si相，且分布较为弥散，如图3(d)；AS44合金中的骨骼状Mg2Si相消失，转变为大量汉字状Mg2Si相和少量多边形块状Mg2Si相颗粒，如图3(e)；AS66合金中的骨骼状Mg2Si相也发生细化。综上所述，微量Sb使大量粗大的Mg2Si相对细小化。根据已有研究结果[14-15]，Mg2Si相颗粒的细化机制为：在凝固过程中，首先析出高熔点的Mg3Sb2(1 228 ℃)相，作为异质形核核心，使初生Mg2Si相颗粒得到细化；同时，部分Sb富集于初生Mg2Si相界面前沿，从而阻碍Mg2Si晶粒的生长。

(a)AS42； (b)AS44； (c)AS66； (d)AS42-0.75Sb； (e)AS44-0.75Sb；(f)AS66-0.75Sb图3 铸态AS-xSb合金的显微组织

2.2 力学性能

铸态AS-xSb合金的室温力学性能测试结果如表2所示。未加Sb时，与AS42合金相比，AS44和AS66合金的屈服强度的提高率分别为49%和35%，抗拉强度的提高率分别为38%和31%。AS44和AS66合金硬度较高的主要原因是由于其中所含高硬度的Mg2Si相的体积分数高于AS42合金所致；AS44和AS66合金屈服强度和抗拉强度较高的主要原因可能是由于Si对基体组织细化所致[16]；伸长率降低的主要原因是由于AS44和AS6合金中粗大的块状和骨骼状Mg2Si相颗粒割裂基体组织，产生较大的应力集中所致。

表2 铸态AS-xSb合金的室温力学性能

加入Sb后，与AS42合金相比，AS42-0.75Sb合金的硬度略有提高；屈服强度和抗拉强度有较大幅度的提高，提高率分别为122%和92%；伸长率略有提高；与AS44合金相比，AS44-0.75Sb合金的屈服强度和抗拉强度略有提高，提高率分别为6.5%和9.8%；硬度和伸长率变化幅度较小；与AS66合金相比，AS66-0.75Sb合金强度略有提高。力学性能的提高主要缘于微量Sb细化了组织，并使第二相呈相对弥散分布。相比较而言，加Sb后，AS42合金的细化效果尤为显著，其硬度、强度和伸长率提高幅度最大。

2.3 断口形貌

图4为试样的室温拉伸断口SEM形貌。根据断口形貌特征可以推断，在拉伸过程中，位错在Mg2Si颗粒强化相处和Mg2Si颗粒与基体的界面处发生塞积，使Mg2Si发生解理脆性断裂，在试样中直接形成裂纹；同时，在Mg2Si与基体的界面处也萌生微裂纹，然后扩展至基体。随着拉伸过程的继续，微裂纹之后发生扩展，最终导致材料断裂。

(a)AS42； (b)AS44； (c)AS42-0.75Sb； (d)AS44-0.75Sb图4 铸态AS-xSb合金试样拉伸断口SEM形貌

综上所述，在一定范围内增加Si含量有利于合金硬度和强度的提高，添加适量Sb能够细化粗大的Mg2Si，进一步提高材料的力学性能。

3 结 论

(1)铸态AS42合金中的Mg2Si以大量共晶汉字状和少量初生块状形式存在；AS44和AS66合金中的Mg2Si以大量初生块状、骨骼状和少量共晶汉字状存在。

(2)随Si含量由2%分别增加到4%和6%，合金的力学逐渐提高。与AS42合金相比，AS44和AS66合金的屈服强度的提高率分别为49%和35%；抗拉强度的提高率分别为38%和31%。

(3)添加0.75% Sb后，三种合金均产生Mg3Sb2新相，使组织得到细化，改善了力学性能。

(4)拉伸断裂形式为准解理脆性断裂。

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[责任编辑：谢 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

陕西省教育厅科学研究计划项目(2010JK470)

宋佩维(1964—)，男，陕西省扶风县人，陕西理工学院教授，博士，硕士研究生导师，主要研究方向为高性能轻金属材料的开发及应用。

TG146.2

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