Mg-xSn合金性能分析及Zn对Mg-0.4Sn合金性能影响

陈显均，李林鑫、

（四川化工职业技术学院， 四川泸州 646005）

镁合金因其良好的性能已在航空航天、国防军工及交通运输等行业获得应用。镁合金密度比铝合金还要小，而其比强度比铝合金还要高，比刚度与铝合金几乎相等。近年来，有许多专家学者都对镁合金性能进行了相关研究,如Mg-Sn合金。由于Sn在Mg中的饱和固溶度较高，其固溶度随着温度下降显著降低，因此，Mg-Sn系合金被认为是一种潜在的沉淀硬化镁合金高爱华等［1～6］学者主要研究了Sn含量、浇注温度、时效处理和变形机理等对Mg-Sn合金的影响。同时，镁合金的板材加工较为广泛，在加工过程中，变形行为对镁合金材料成型有较为重要的影响。研究指出，Zn加入Mg-Sn合金中，Zn和Sn之间相互作用会降低晶体的层错能，从而影响该合金的塑性响应［7,8］。但目前为止。Zn对镁锡合金的性能影响研究相对较少。因此本文在探讨Sn含量对Mg-Sn合金性能影响的基础上，从Zn含量入手，对Mg-0.4Sn-Zn合金的力学性能和应变硬化行为进行了研究。

1 实验方法

选择纯镁（99.85%）、纯锡（99.95%）和纯锌（99.95%）按照对应比例加入真空熔炼炉中，合金成分见表1，浇铸在φ12mm×300mm的金属模具型腔中，铸好的铸件式样按照图1要求加工后得到拉伸式样，拉伸实验使用深圳新三思微机控制电子万能试验机。用线切割取切割金相试样，先用粗磨、精磨、抛光，然后用苦味酸溶液进行浸蚀，浸蚀出晶界后，采用截线法测算平均晶粒尺寸。

表1 合金成分表（单位：at.%）

图1 拉伸试样

固溶处理时，为防氧化，将铸锭放入铁质容器，并用石墨粉将其完全掩埋。固溶工艺：450℃×18h，水淬。

2 Mg-xSn二元合金室温拉伸性能

图2为固溶态Mg-xSn（x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%）合金的拉伸应力-应变曲线。图2（a）拉伸工程应力-应变曲线，由工程应变和真应变的关系：

其中，е为真应变，ε为工程应变。而真应力和工程应力的关系为：

其中，S为真应变，δ为工程应力，ε为工程应变。根据图2（a）中的数据导出真应力和真应变曲线。图2（b）为由图2（a）导出的拉伸真应力应变曲线。

图2 Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金应力应变曲线

采用Hollomon方程：

其中，S为真应变，е为真应变，K为硬化系数，为真应变为1时的真应力。应变硬化指数n可通过下式进行计算：此时的e就为最大均匀延伸率。

评价金属材料应变硬化能力的一个重要参数就是应变硬化指数n，其大小直接体现金属材料发生颈缩前凭借自身硬化使材料发生均匀变形的能力，直接影响金属材料的塑性加工性能。

拉伸过程中出现缩颈时，

图3 Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金log(S)-log(e)曲线

图4为Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金应变硬化指数n随Sn含量的变化曲线，可以看出，Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金的应变硬化指数n随着Sn含量增加降低。但Sn含量为0.4at.%时，应变硬化指数最高为0.71，但对应的屈服强度也是最低，为29MPa。当Sn含量增加到0.6at.%时，n值降低到0.59，继续增加Sn的含量，n值有所降低。当Sn含量为1.2at.%，n值最低为0.56，但相比于其它镁合金体系，这个值仍然较高，表明Mg-Sn合金是一种潜在的具有较好冷成型性的合金。

图4 Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金的应变硬化指数n与Sn含量的变化

图5为Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金拉伸力学性能及晶粒尺寸与Sn含量的变化。如图所示，当Mg-Sn二元合金的Sn含量从0.4at%提升至1.0at.%时，合金的抗拉强度和屈服强度随之增加，当Sn含量从0.4at%提升至1.0at.%时，抗拉强度由95.5MPa提升到161MPa。图5中也反映出了Mg-xSn合金晶粒尺寸与Sn含量的变化关系，随着Sn含量从0.4at.%增加到1.0at.%，平均晶粒尺寸从316μm降低到97μm。此外，随着Sn含量的增加，合金的断后延伸率也是随之增加，当Sn含量增加到1.0时，断后延伸率可以增加到11%，其塑性的提高可归因于晶粒的细化。

图5 Mg-xSn(x=0.4-1.2at.%)合金拉伸力学性能及晶粒尺寸与Sn含量的变化

在Mg-xSn(x=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2at.%)合金中，Mg-1.2at.%合金的力学性能是比较异常的，首先，其屈服强度与Mg-1.0at.%Sn的屈服强度相当，但是抗拉强度和断后延伸率反而比Mg-1.0at.Sn合金低，这不排除与Mg-1.2at.%Sn合金的热处理工艺有关。在这些合金中，只有Mg-1.2at.%Sn是在480℃固溶，而其它合金都是450℃固溶。但该合金的应变硬化指数与Mg-0.8at.Sn和Mg-1.0at.Sn相比，并没有太大变化，这暗示着晶粒度对应变硬化指数的影响非常小或者没有影响。表2列出了Mg-xat.%Sn合金的拉伸力学性能，晶粒度及应变硬化指数的数据。

从表2可知，当Sn的添加量达到1.2at.%时，合金的强度和延伸率均下降，其主要原因可能与固溶过程中第二相未完全固溶有关。当Sn含量为0.4at.%时，应变硬化指数最高，其金属加工性能最好，因此本文选择Mg-0.4Sn为研究基体，考察Zn含量与合金的性能关系。

表2 Mg-xat.%Sn合金拉伸力学性能，晶粒度及应变硬化指数

3 Mg-0.4Sn-xZn合金SEM结果分析

为了分析合金性能，本文对Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金式样进行了SEM扫描，合金SEM组织如图6所示。

图6 Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金SEM图像

从图6中（a）可以看出，合金中只有a-Mg和Mg2Sn相。从图6（b）、（c）中，可以观察到随着Zn含量的增加，晶粒及枝晶明显细化。同时，铸态合金出现了明显的偏聚迹象，形成了明显的偏聚带，这些偏聚带主要集中在a-Mg枝晶间区域。随着Zn的加入，合金的显微组织变得更为均匀。值得注意的是，合金中并没有Mg-Zn相生成，Zn以固溶于基体中的形式存在。

4 Mg-0.4Sn-xZn合金室温拉伸性能

图7（a）与（b）分别为Mg-0.4Sn-xZn合金的拉伸工程应力-应变曲线和拉伸真应力-应变曲线，图7（b）由图6（a）导出。

图8为Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金的log(S)-log(e)曲线，如图所示，曲线斜率随着Zn含量的增加而减小。

图9（a）为Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金拉伸力学随Zn含量的变化图，如图所示，当添加0.2at.%Zn到Mg-0.4Zn合金的时候，抗拉强度从85MPa上升到156MPa，断后延伸率从7.0%上升到15.6%，增加了123%。当Zn含量增加到0.4at%时，抗拉强度增加到169MPa，断后延伸率也是高达15.5%。

图7 Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金应力应变曲线

图8 Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金log(S)-log(e)曲线

图9 Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金的拉伸力学性能及晶粒尺寸随Zn含量的变化

图9（b）为Zn对Mg-0.4at.%Zn晶粒尺寸的影响，Zn含量由0增至0.2at.%，晶粒尺寸由316μm减小至152μm；Zn含量继续增至0.4at.%，合金晶粒尺寸减小为145μm，由此可见，Zn细化Mg-0.4at.%Sn晶粒度的效果较为明显。因此，合金强度的提高主要可归因于晶粒尺寸的明显细化。而延伸率的明显增加，除了和晶粒尺寸细化有关外，还可能与Zn的加入降低了合金的层错能有关［9］。

图10（a）为Zn含量对Mg-0.4Sn-xZn (x=0, 0.2,0.4at.%)合金应变硬化系数的影响，当0.2at.%、0.4at.%Zn分别添加到Mg-0.4at.%Sn后，合金的应变硬化系数从0.69分别降低到0.58、0.58。显然，Zn对合金应变硬化系数n影响较小，但降低的趋势是明显的，如图9所示。

图10 Mg-0.4Sn-xZn(x=0,0.2,0.4at.%)合金的应变硬化指数及应变硬化能力随Zn含量的变化

合金的应变硬化能力以Hc表示，应变硬化能力的提高，表明合金具有较好的塑性成型能力［10-11］：

其中，UTS、YTS分别代表合金的抗拉强度和屈服强度。当0.2at.%、0.4at.%Zn添加到Mg-0.4at.%Sn时，合金的应变硬化能力Hc从3.2分别增加到4.89、4.69。显然，Zn的加入增加了合金的硬化能力。表3列出了Mg0.4at.%Sn-xZn合金拉伸力学性能，晶粒度，应变硬化指数及应变硬化能力数据。

表3 Mg-0.4at.%Sn-xZn合金拉伸力学性能，晶粒度，应变硬化指数及应变硬化能力

5 结论

（1）Mg-xSn合金的拉伸强度和延伸率都随着Sn含量的增加而增高，Mg-1.0at.%Sn合金性能最好，而Mg-xSn应变硬化指数随着Sn含量（在0.4至1.2at.%区间内）的增加而降低，Mg-0.4at.%Sn合金的应变硬化指数最高，为0.71。

（2）Mg-0.4at.%Sn-xZn合金拉伸性能随着Zn含量而升高，Mg-0.4at.%Sn-0.4at.%Zn的拉伸强度最高，为169MPa；Mg-0.4at.%Sn-xZn合金Zn含量的变化对其应变硬化指数影响很小，但Zn含量的增加合金应变硬化能力显先上升再略降的趋势，Mg-0.4at.%Sn-0.2at.%Zn合金的应变硬化能力Hc最高，为4.89。