时效时间对Mg-5Sn-Zn合金热导率和力学性能的影响

郭会玲，李秋书，李建文，胡延昆，吴瑞瑞

（太原科技大学材料科学与工程学院，太原030024）

时效时间对Mg-5Sn-Zn合金热导率和力学性能的影响

郭会玲，李秋书，李建文，胡延昆，吴瑞瑞

（太原科技大学材料科学与工程学院，太原030024）

通过XRD、SEM扫描电镜、室温下的拉伸性能等实验研究了不同时效时间对Mg-5Sn-Zn合金热导率和力学性能的影响。研究发现，合金显微组织中主要存在Mg2Sn和MgZn两种相，固溶处理后这两种相基本消失，随着时效时间的增加，Mg2Sn和MgZn相析出的越来越多，最后出现聚集倾向。合金的热导率经过固溶处理后下降，随着时效时间的增加逐渐增大，抗拉强度随时效时间增加先降低然后升高，达到峰值后又下降，在时效144 h的时候达到峰值200.17 MPa.伸长率先上升，然后逐渐下降，时效168 h后又上升。

时效时间；Mg-5Sn-Zn合金；热导率；力学性能

镁合金作为一种新型商用合金具有轻质、比强度比刚度高、易加工等优良性能，在许多工程领域具有潜在的应用价值，尤其是在汽车，航空航天以及电子产品等领域。这些应用领域要求镁合金不仅要有良好的力学性能，还要有较好的散热性能[1-4]。一些研究人员对镁合金的散热性能已经进行过部分研究。潘虎成[5]在研究化合物析出对Mg-Sn合金热导率的影响规律时发现，固溶态Mg-Sn合金的热导率随时效时间的延长而不断升高，这主要是由于第二相的析出导致的基体纯化引起的；Jian Peng等人[6]研究了Ce的加入对Mg-2Zn-1Mn合金热导率的影响，结果显示加入质量分数为0.2%的Ce会提高Mg-2Zn-1Mn合金的热导率，这是由于Ce的加入使固溶在Mg中的Zn原子以第二相形式析出，减少了晶格缺陷；T Ying等人[7]在研究铸态和挤压态Mg-Zn合金热导率时发现，固溶在Mg基体中的Zn原子越少，合金的热导率越大。上述研究人员均认为Mg基体中固溶原子的析出会对热导率产生较为明显的影响，时效处理可以使合金中的第二相从镁基体中析出，减小晶格畸变，Sn原子半径是1.58A，Mg原子半径是1.60A，Sn原子加入Mg中造成晶格畸变较小，Zn具有较好的时效强化作用[8]，基于此，本文研究了时效处理对Mg-5Sn-Zn合金热导率的影响。

1 实验材料与方法

实验中所用的Mg-5Sn-Zn合金采用纯Mg（99.85%）、纯Sn（99.99%）和纯Zn（99.99%）按一定比例加入中频感应炉熔炼，合金成分见表1，浇注于提前预热好的金属型模具中，形成尺寸为12 mm× 300 mm的圆柱形试样。

Mg-5Sn-Zn镁合金热导率的测试是在三种不同的状态下进行的，包括铸态，固溶态（在440℃下保温12 h后水冷），时效态（在230℃下分别保温8 h、16 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h后空冷），使用TH2512型智能直流低电阻测试仪测试电阻率，通过R=计算得到电导率并且运用魏德曼-弗兰兹定律[9]计算热导率。魏德曼-弗兰兹定律数学表达式如下：

式中，λ是金属的热导率，W·m-1·K-1；σ是金属的电导率，S·m-1，T是热力学温度，K；L0是洛伦兹数，L0=2.45×10-8W·Ω/K2.

拉伸测试在WDW-E100D微型控制电子式万能试验机上进行，拉伸速度为0.5 mm/min，每次试验重复三次求平均值。

表1 Mg-5Sn-Zn合金成分表

2 结果与分析

2.1 显微组织及相分析

图1所示为Mg-5Sn-Zn合金分别在铸态、固溶态和不同时效时间下的SEM图片。从图1a）中可以看出，在铸态合金晶界处分布着白色粗大的第二相组织，也有少量第二相组织以弥散形式存在。结合图2 EDS结果可以发现，这些析出相主要由Mg、Sn、Zn三种元素组成。图3是Mg-5Sn-Zn合金在不同状态下的XRD衍射结果，发现合金中主要存在Mg2Sn和MgZn两种相，结合EDS结果可以确定Mg-5Sn-Zn合金中的第二相组织是Mg2Sn和MgZn相。其中，在三角晶界处的组织是α-Mg+Mg2Sn +MgZn形成的共晶组织，在晶界其他部位分布着多为杆状离异共晶组织Mg2Sn+MgZn[10].经过固溶处理之后，合金中第二相显著减少，仅在三角晶界处残存少量第二相组织。消失的第二相组织大部分以固溶原子的形式固溶进Mg基体中。

经过不同时效时间处理后，Mg-5Sn-Zn合金的组织逐渐发生变化。时效24 h时（图1c）所示），有少量弥散析出的第二相分布在晶界处，时效时间达到72 h的时候，更多的第二相组织从合金中析出来，一部分弥散分布在晶界上，还有一部分在晶粒内部沉淀析出。当时效时间增加到144 h的时候，合金晶界上和晶粒内部析出的第二相继续增加，晶粒内部的第二相组织更加均匀。时效时间达到168 h时，晶粒内部沉淀析出的第二相组织出现聚集倾向。

图1 Mg-5Sn-Zn合金在不同状态的SEM结果

2.2 热导率结果分析与讨论

Mg-5Sn-Zn合金在不同状态下的热导率结果如图4所示。铸态合金的热导率为80.31 W·m-1·K-1，经过固溶处理后，合金热导率下降为70.37W·m-1·K-1.经过不同时间的时效处理之后，合金的热导率逐渐上升，达到时效168 h时的123.30 W·m-1·K-1后基本不再继续上升。

合金的热导率由电子和声子共同决定。在纯金属中，热传递的电子机制远大于声子机制的贡献，因为纯金属中杂质缺陷较少，对电子和声子的散射几乎没有，电子传递速度远大于声子，所以电子传导机制主导着纯金属的热导率。纯金属加入合金元素后，由于各元素原子半径大小、能量等各不相同，会造成大量的缺陷，这些缺陷形成散射中心，阻碍电子和声子的传递，这时合金的热导率由电子和声子共同决定[11，12]。

对于Mg-5Sn-Zn合金，在之前已经分析过，经过固溶处理之后，合金中的Mg2Sn和MgZn相大量消失，这些消失的第二相以Sn原子和Zn原子的形式固溶进α-Mg基体中。Mg的原子半径为1.60A ，Sn的原子半径为1.58A ，二者相差不大，固溶的Sn原子在α-Mg基体中造成的晶格畸变相对较小，而Zn原子半径为1.39A， 与Mg原子半径有一定差距，固溶进α-Mg基体中会造成大量晶格畸变，形成散射中心，阻碍电子和声子在合金中的传递，从而造成合金热导率下降[13]。经过不同时间的时效处理后，合金的热导率逐渐上升。这是因为时效处理过程中，之前固溶进合金中Sn原子和Zn原子以第二相的形式逐渐析出，减少了α-Mg基体中的晶格畸变,纯化了镁基体。时效时间越长，析出的Mg2Sn和MgZn相越多，基体中的晶格畸变就越少，所以合金热导率逐渐上升。虽然析出的Mg2Sn和MgZn相也会形成散射中心，对电子和声子的传导产生一定的阻碍，但与固溶原子造成的晶格畸变相比，这种阻碍作用较小，对热导率的影响也就比较小。在时效保温时间达到180 h时，合金热导率的值上升已经基本不明显了，这是因为第二相在此时的析出数量已不再增加，并且在时效168 h时已经发生了聚集，这对合金的热导率产生一定不利的影响，因此将不会继续提高Mg-5Sn-Zn合金的热导率。

图2 Mg-5Sn-Zn合金的EDS结果

图3 Mg-5Sn-Zn合金的XRD图

图4 Mg-5Sn-Zn合金在不同状态下的热导率

2.3 力学性能结果分析与讨论

图5所示为Mg-5Sn-Zn合金在不同时效时间下的抗拉强度与伸长率实验结果。由图可知，在时效处理初期，合金的抗拉强度先下降，时效24 h的时候抗拉强度降到134.78 MPa，随着时效时间的延长，合金的抗拉强度又逐渐升高，在144 h时达到峰值200.17 MPa，随后继续时效处理，合金抗拉强度下降。合金抗拉强度的变化规律可以结合合金的显微组织进行分析。如图1c）所示为时效24 h时的显微组织结果，可以发现此时从过饱和α-Mg固溶体中析出了部分第二相组织，使之前的固溶强化效果减弱，这导致了合金抗拉强度下降[14]。当时效72 h的时候，如图1d）所示，在晶界处析出的第二相明显增多，呈弥散析出，晶界内也有部分第二相沉淀析出，此时由于晶界上第二相的弥散强化作用和晶界内部的沉淀强化作用，合金的抗拉强度提高至159.46 MPa.当时效时间增加至144 h的时候，合金显微组织中弥散析出和沉淀析出的第二相持续增加，如图1e）所示。除了晶界上增加的第二相之外，晶粒内部也有少量第二相弥散析出，并均匀分布在晶粒各处。晶粒内部沉淀析出的第二相也明显增多并均匀分布在晶界内。此时的强化效果达到最佳，合金的抗拉强度也达到最大值。当合金的时效时间继续增加时，合金的抗拉强度减小。结合图1f）发现，此时显微组织中沉淀析出的第二相开始发生聚集现象，这使合金的抗拉强度下降。

伸长率随着时效时间增长逐渐降低，这是因为随着时效时间的延长，合金中析出的第二相越来越多，其对位错的阻碍作用增强，应力增加，使伸长率逐渐下降。

图5 Mg-5Sn-Zn合金在不同时效时间下的抗拉强度和伸长率变化曲线

3 结论

1）Mg-5Sn-Zn合金显微组织主要有Mg2Sn和MgZn两种第二相，固溶处理后第二相含量减少，然后随时效时间延长而逐渐增多，最后出现聚集倾向。

2）Mg-5Sn-Zn合金的热导率随时效时间增加而逐渐提高，由时效之前的70.37 W·m-1·K-1提高到时效168 h时的123.30 W·m-1·K-1.

3）Mg-5Sn-Zn合金的抗拉强度随时效时间先下降，然后逐渐升高，在时效144 h的时候达到最大值200.17 MPa后，继续时效会下降。伸长率随时效时间增长逐渐下降。

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Effect of Aaging Time on Thermal Conductivity and Mechanical Property of Mg-5Sn-Zn Alloy

GUO Hui-ling，LI Qiu-shu，LI Jian-wen，HU Yan-kun，WU Rui-rui
（School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

The effect of different aging time on thermal conductivity and mechanical properties of Mg-5Sn-Zn alloy were investigated by XRD，SEM and tensile tests，etc.The results showed that Mg2Sn phase and Mg2Zn3phase appeared in the microstructure of as-cast Mg-5Sn-Zn alloy，reduced after solid solution treatment，then increased with the increasing of aging time and accumulate at last.The thermal conductivity decreased after solid solution treatment and then added with the increasing of aging time.The tensile strength decreased firstly and then increased When it reached to the maximum 200.17 MPa after 144 h aging,it The elongation gone up first and decreased after that，then increased after aging 168 h.

aging time，Mg-5Sn-Zn alloy，thermal conductivity，mechanical property

TG146.2

A

1674-6694（2017）01-0037-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.012

2016-10-29

郭会玲（1991-），女，硕士研究生.

李秋书（1961-），男，教授，博士生导师，主要从事轻质合金材料的研究。

晋城市科技计划项目（201501004-13）；山西省研究生创新项目（2016BY37）