許春香，鞠 輝，張志瑋

(太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024)

隨著世界能源危機與環(huán)境污染資源危機問題的日趨嚴重，汽車的質(zhì)量大小對其能量消耗起著重要的作用。研究表明[1-3]，一輛轎車的質(zhì)量減少10%，油耗量可降低5%～6%。鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、散熱性和屏蔽性好、無污染以及鑄造、切削加工性能優(yōu)異和易回收等一系列優(yōu)點[4-5]。此外，鎂合金還是優(yōu)良的減震材料。因此，鎂合金是汽車行業(yè)最理想的材料選擇。目前，在汽車行業(yè)中，鎂合金廣泛地應用于閥套、轉(zhuǎn)向盤軸、離合器殼體、儀表盤等汽車零部件[6-7]。Sr作為一種變質(zhì)劑和修復劑早在Al合金中得到廣泛的應用。該元素對合金的基體和二次相的形態(tài)、數(shù)量和分布都有明顯的改善。冒國兵等[8]在AZ91合金中添加Sr后發(fā)現(xiàn)，Sr能夠顯著減小晶粒尺寸(晶粒尺寸從250 μm降至120 μm)，降低顯微縮松，并研究了Sr對AM50鎂合金高溫性能的影響。李落星等[9]研究了Ca和Sr復合加入對AM80合金顯微組織和力學性能的影響，同時又闡述了其對AM80高溫蠕變性能的影響。湯彬等[10]、BAI等[11]和 HIRAI等[12]研究了Ca和Sr復合添加對Mg-Al合金性能的影響，結(jié)果表明：Ca能提高的抗熱裂性，但合金的耐熱性大幅降低；Sr可以對加Ca合金起到變質(zhì)和修復作用，但對抗熱裂性的改善不明顯。AM80鑄造鎂合金具有良好的伸長率、韌性、抗沖擊能力，但關于Sr對 AM80鎂合金在常溫下的力學性能未見文獻報道。因此，基于以上研究背景，在本實驗中，本文作者在以 AM80鎂合金為基體的基礎上單獨添加Sr來研究其對AM80鎂合金顯微組織和室溫下力學性能的影響，旨在為開發(fā)成本低鑄造性能和綜合力學性能優(yōu)異的鎂合金提供指導。

1 實驗

本試驗用 AM80系鎂合金采用工業(yè)純鎂錠(99.5%，質(zhì)量分數(shù))、純鋁(99.5%)、Al-Be、Al-10%Mn、Mg-10%Sr中間合金，在井式坩堝電阻爐中熔煉，分別選用 RJ-6和RJ-2 作為覆蓋劑和精煉劑。當熔體溫度達到740 ℃時，加入含Sr中間合金并進行機械攪拌以混合均勻，然后采用金屬模具在 700 ℃澆注制得。所有原料裝爐前均要在 200 ℃的烘干箱中進行烘干，試驗合金成分參見下表 1。采用晶粒截點法測定晶粒尺寸：首先，將試樣進行腐蝕，再借助測微尺測量合金的晶粒尺寸(在相同放大倍率下)，在不同視場下利用公式測量3次求平均值。用XJ-16A 型光學顯微鏡分析合金的顯微組織，并用Y-2000型X射線衍射分析儀測定合金的相組成，采用附帶Oxford型能譜儀(EDS)的 JSU-6700F型掃描電鏡(SEM)分析合金的微觀組織以及檢測其中Sr元素的分布。

表1 AM80合金的化學成分Table 1 Chemical compositions of AM80 alloys

采用 HB-3000型布氏硬度計測試合金的宏觀硬度，試驗力為625 N，加載時間為30 s；用DNS100 型電子萬能試驗機測試合金的抗拉強度，抗拉試樣采用圓形試棒(見圖1)，拉伸速度為0.5 mm/min。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig. 1 Schematic diagram for tensile testing samples (Unit:mm)

2 實驗結(jié)果

2.1 晶粒尺寸與鑄態(tài)組織

添加不同量Sr后AM80鎂合金樣品的組織如圖2所示。與未添加Sr的樣品相比(見圖2(a))，添加Sr后的晶粒尺寸明顯細化。隨著Sr含量的增加，晶粒尺寸變小，晶粒也變得更為均勻。在添加 Sr之前 AM80合金的晶粒尺寸比較粗大，隨著Sr加入量增多，晶粒尺寸有增大的趨勢，但是仍然比AM80基體晶體尺寸小很多，在本實驗條件下，Sr對AM80合金晶粒尺寸的影響見表2。

表2 Sr對AM80合金平均晶粒尺寸的影響Table 2 Effects of Sr on average grain size of AM80 alloy

圖3所示為AM80鎂合金添加不同Sr含量的XRD譜。由圖可知，它由α-Mg、β-Mg17Al12和Al4Sr組成。隨著Sr的含量的增加，α-Mg的衍射峰逐漸左移，Al4Sr衍射峰出現(xiàn)并逐漸增強，表明Al4Sr的含量隨著Sr的含量的增多而增加，并且逐漸溶入基體中從而導致α-Mg峰左移。

圖2 不同Sr含量時AM80鎂合金的顯微組織Fig. 2 Microstructures of AM80 magnesium alloy with different contents of Sr: (a) Without Sr; (b)1%Sr; (c)1.5%Sr; (d) 2%Sr;(e) 2.5%Sr; (f) 3%Sr

圖2(a)～(f)所示為添加不同Sr含量的AM80鎂合金的鑄態(tài)組織。由圖 2(a)可以看出，在未添加 Sr的AM80鎂合金中，鑄態(tài)合金組織較為粗大，主要以初生相α-Mg相為基體，β-Mg17Al12主要以骨骼狀存在于晶體當中。合金元素Sr的加入，在很大程度上改變了合金的鑄態(tài)組織形貌，添加 1%Sr時(見圖 2(b))，可細化組織，骨骼狀的β-Mg17Al12相轉(zhuǎn)變?yōu)榧氠槧睢＠^續(xù)添加1.5%Sr，此時晶粒大小相對1%Sr更為細化，而且顆粒狀相增加(見圖2(c))。隨合金中Sr含量的增加，當加入量達到2%時，骨骼狀的β-Mg17Al12相減少，并且出現(xiàn)少量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖2(d))。當 Sr加入量超過2.5%時，網(wǎng)狀數(shù)量相對增多，網(wǎng)格粗化，作為強化相的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)多呈連續(xù)狀態(tài)(見圖2(e))。當Sr加入量超過 3%時強化相的組織形貌進一步發(fā)生改變，從而使得組織變得粗化，如圖2(f)所示。

2.2 β-Mg17Al12相形貌及析出相

圖4所示為AM80合金分別添加1%Sr、1.5%Sr、3%Sr的鑄態(tài)SEM像。從圖4可以看出，含1%Sr的AM80鎂合金的β-Mg17Al12相呈連續(xù)不規(guī)則的顆粒狀或者條狀分布在晶界和枝晶間。當Sr含量達到1.5%時，出現(xiàn)長條狀新相Al4Sr，同時β-Mg17Al12數(shù)量減少并多以圓點狀存在，少數(shù)呈長條狀。當 Sr含量達到3%時，Al4Sr相主要以網(wǎng)格狀分布于基體中，β-Mg17Al12相幾乎消失。

圖3 不同Sr含量時AM80合金的XRD譜Fig. 3 XRD patterns of AM80 alloys with different contents of Sr

圖5所示為添加1.5%Sr后AM80的SEM像和EDS能譜分析結(jié)果。從圖5可以看出，A點處圓點或者牙齒狀相不含Sr，而Mn元素含量很高，可以認為Mn和Al結(jié)合生成微量的Al-Mn相，Al與Mn摩爾比為1.78，與Al8Mn5接近，同樣與北京大學王榮明教授的研究結(jié)果相符[13]，Al8Mn5以圓點狀或者牙齒狀形式存在，并且呈彌散分布。B點處含有Sr，根據(jù)摩爾比可判斷為Al4Sr。C點處為β-Mg17Al12。

2.3 Sr對AM80鎂合金力學性能的影響

圖4 不同Sr含量時AM80合金的SEM像Fig. 4 SEM images of AM80 magnesium alloy with different contents of Sr: (a) 1%Sr; (b) 1.5%Sr; (c) 3%Sr

圖5 鑄態(tài)AM80-1.5Sr的SEM像及EDS分析結(jié)果Fig. 5 SEM image(a) of as-cast AM80 alloy with 1.5%Sr and EDS results of spots A(b), B(c) and C(d)

表3 室溫下合金的拉伸性能Table 3 Tensile properties of alloys at room temperature

圖6 不同Sr含量時AM80合金的室溫拉伸性能Fig. 6 Tensile properties of alloys with different contents of Sr at room temperature

圖7 不同Sr含量時AM80合金的硬度Fig. 7 Macro-hardness of AM80 magnesium alloy with different contents of Sr

AM80合金室溫力學性能的測試結(jié)果見表3所列。隨著Sr含量的增加，合金的抗拉強度先增大后減小，而合金的伸長率和屈服強度有所增加但變化不大。如圖6所示，添加1.5%Sr和2%Sr能明顯改善AM80的性能，但是繼續(xù)添加抗拉強度會下降。Sr對AM80鎂合金的硬度影響如圖7所示，不含Sr時AM80合金的硬度初始值為 49.9HB，當 Sr的添加量達到 1.5%時AM80合金的硬度上升到最大值 60.5HB，繼續(xù)添加Sr時合金硬度下降。圖8所示為 AM80合金在不同Sr含量時的室溫拉伸斷口形貌。由圖可知，不含 Sr的拉伸斷口比較平齊，存在解理臺階，呈解理斷裂，這是由于Mg屬于密排六方(HCP)晶系，滑移面和滑移系都比較少，塑性變形程度小。隨著 Sr含量增加到1.5%時，并沒有發(fā)現(xiàn)解理臺階的存在，但是明顯存在一些撕裂棱和韌窩，韌窩較小而且密集，這種斷裂方式為韌窩斷裂。當繼續(xù)添加Sr達到3%時，發(fā)現(xiàn)存在明顯的河流花樣，為典型的解理斷裂。因此，AM80鎂合金在添加Sr的過程中，斷裂方式由解理斷裂向韌性斷裂，再向解理斷裂方式轉(zhuǎn)變。

圖8 不同Sr含量時AM80合金的室溫拉伸斷口FESEM像Fig. 8 Tensile fracture FESEM images of AM80 magnesium alloy at room temperature with different contents of Sr:(a) Without Sr; (b) 1.5%Sr; (c) 3%Sr

3 分析與討論

3.1 Sr對晶粒尺寸的影響

圖9所示為AM80-3%Sr的背散射像。從圖9可以看出，活性元素Sr幾乎不溶于α-Mg基體，而在枝晶間有一定的富集。因此，凝固時在固/液界面的前沿易發(fā)生偏聚形成成分過冷，從而形成過冷來抑制晶核的生長，合金的基體組織得到細化。合金元素阻礙晶粒長大的程度可以用生長阻礙因子GRF表示：

式中：mi為二元相圖中的液相線斜率(設為直線)，c0,i為第i個元素的初始濃度，ki為溶質(zhì)平衡分配系數(shù)。從式(1)可以看出，GRF的數(shù)值越大，合金元素抑制合金晶粒生長的能力越強，而所達到的晶粒細化效果就越好。

圖9 鑄態(tài)AM80-3%Sr的背散射像Fig. 9 Backscattered electron image of as-cast AM80 with 3%Sr

3.2 Sr對組織形貌的影響

對于Al含量較高的Mg-Al合金，由于在共晶溫度時仍然存在大量的液態(tài)相，這使得α-Mg相枝晶在液相中繼續(xù)生長，直到達到一定的過冷度時，β相依附在α-Mg相枝晶形核，繼而得到共晶組織，因此共晶組織的形貌由初生α-Mg枝晶相決定。KINJI等[14]在Sr在鎂合金起到變質(zhì)作用的試驗中得到Sr能使二次相的形貌特征及分布區(qū)域大小發(fā)生變化的結(jié)論。Sr的加入對β-Mg17Al12相的析出有抑制作用。未加入Sr的Mg-Al基合金中第二相為β-Mg17Al12相，β-Mg17Al12相的熱穩(wěn)定性差，而二次析出的β-Mg17Al12相形貌粗大，所以導致合金的高溫力學性能較低。加入的 Sr元素能夠優(yōu)先與 Al形成化合物，抑制了β-Mg17Al12相的形成，并且這類化合物有較高的穩(wěn)定性。Mg、Al和Sr這3種元素之間親和力大小的判定可以通過電負性差值的方法確定，元素之間的電負性差值越大，則這兩元素間親和力越大，越能形成穩(wěn)定的化合物。Mg、Al、Sr的電負性分別為χAl=1.5、χMg=1.2、χSr=1.0[15]，由此可見Al和Sr的電負性差值ΔχAl-Sr=0.5大于Mg和Sr之間的電負性差值ΔχMg-Al=0.3。Al、Sr之間親和力要強于Mg、Al之間的親和力，所以更容易形成穩(wěn)定的化合物。此外，Al在固液界面的富集速度沒有 Sr的快，因此在凝固過程中富集速度比 Sr的慢，在與Sr形成Al4Sr相后，Al的含量大大降低，所以無法與其他合金元素形成新相，這也解釋了隨Sr含量的增加β-Mg17Al12相減少的原因。隨著Sr含量的逐漸增加到2.5%時，Al4Sr組織變成粗大的網(wǎng)格狀。

3.3 Sr對力學性能的影響

硬度測試結(jié)果顯示，試驗合金的硬度值隨Sr含量的增加而遞增，且在Sr含量為0～2%之間時增加的幅度最大，主要因為添加的Sr，少部分以固溶形式存在，其余通過富集的方式，參與強化相的形成。強化相Al4Sr是一種脆性很高的相，是合金凝固期間離異共晶的產(chǎn)物[16]，以點狀或者枝狀分布于晶界或者枝晶間隙中間，而α-Mg基體組織又很軟，這就相當于在很軟的基體嵌入硬質(zhì)顆粒。而后，隨 Sr含量的增加，β-Mg17Al12相會逐漸消失，導致析出強化作用消失以及組織形態(tài)的改變，因此強度下降。

室溫抗拉強度的測試結(jié)果表明：添加Sr可以產(chǎn)生Al4Sr相，并且彌散在基體中，能夠強化晶界，阻礙位錯滑移，根據(jù) Orowan機制滑動位錯遇到這種阻礙將變得彎曲[17]，隨著位錯線的繼續(xù)向前滑動，積累成環(huán)的 Al4Sr相質(zhì)點越多，位錯通過的阻力也就越大，從而強化合金。在拉伸過程中，位相不同的晶粒通過發(fā)生轉(zhuǎn)變來協(xié)調(diào)變形，此時硬質(zhì)顆粒阻礙了這種晶粒間的轉(zhuǎn)動，從而在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生位錯。繼續(xù)增大載荷，位錯開始運動，當位錯運動到硬質(zhì)顆粒界面時，將產(chǎn)生應力集中。當應力超過極限強度時，將發(fā)生斷裂。顯而易見，Al4Sr這種硬質(zhì)顆粒會使合金強度提高，但是一旦形成粗大網(wǎng)狀后會使合金的力學性能下降。出現(xiàn)下降現(xiàn)象的原因是Mg-Al合金的力學性能在很大程度上取決于合金組織中出現(xiàn)的二次相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布[18-20]，當Sr含量高于2.5%時，粗大網(wǎng)格狀的Al4Sr會割裂基體，導致力學性能下降。

4 結(jié)論

1) 添加Sr可顯著細化AM80鎂合金組織。在本實驗的條件下，晶粒尺寸從425 μm降至211 μm。隨Sr含量的增加，組織由不連續(xù)骨骼狀、細小網(wǎng)格狀逐漸演變成連續(xù)粗大的網(wǎng)狀。

2) 添加 1%～2%Sr時，Mg17Al12由長條狀變?yōu)轭w粒狀或者卵石狀，形成的新相 Al4Sr偏聚在晶界處。但隨著 Sr含量的繼續(xù)增加，Mg17Al12相消失，Al4Sr相也變?yōu)榇执蟮木W(wǎng)格狀。Al8Mn5以圓點狀或者牙齒狀形式存在并彌散分布。

3) 試驗合金的布氏硬度值隨 Sr含量的增加呈先升后降趨勢，在 Sr含量為 1.5%時達到最大硬度值60.5HB。對試驗合金的拉伸性能也有很大影響。當添加1.5%Sr時，合金的拉伸性能在室溫狀態(tài)下最佳，抗拉強度最大值為160 MPa ，此時，伸長率也達最大值15.04%。

4) 隨 Sr含量的增加，AM80鎂合金斷裂方式由解理斷裂向韌性斷裂，再向解理斷裂方式轉(zhuǎn)變。

[1]EDGAR R L. Magnesium alloys and their application[M].France: K.U. Kainer Pub, 2000: 3-8.

[2]LUO A A. Magnesium: Current and potential automotive applications[J]. JOM, 2002, 54(2): 42-48.

[3]MORDIKE B L, EBERT T. Magnesium properties applications potential[J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 302(1):37-45.

[4]曾榮昌, 柯 偉, 徐永波, 韓恩厚, 朱自勇. 鎂合金的最新發(fā)展及應用前景[J]. 金屬學報, 2001, 37(7): 673-685.ZENG Rong-chang, KE Wei, XU Yong-bo, HAN En-hou, ZHU Zi-yong. Recent development and application of magnesium alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2001, 37(7): 673-685.

[5]MEHTA D S, MASOOD S H, SONG W Q. Investigation of wear properties of magnesium and aluminum alloys for automotive applications[J]. Journal of Materials Processing Technology,2004, 155/156(3): 1526-1531.

[6]劉 正, 王 越. 鎂基輕質(zhì)材料的研究與應用[J]. 材料研究學報, 2000, 14(5): 449-456.LIU Zheng, WANG Yue. Developing trends of research and application of magnesium alloys[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2000, 14(5): 449-456.

[7]張永忠, 張 奎, 樊建中. 壓鑄鎂合金及其在汽車工業(yè)中的應用[J]. 特種鑄造及有色合金, 1999(3): 54-56.ZHANG Yong-zhong, ZHANG Kui, FAN Jian-zhong. Die-cast magnesium alloy and its application in the automotive industry[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys, 1999(3):54-56.

[8]冒國兵, 孫宇峰, 張光勝, 劉 琪. 鍶及固溶處理對AM50鎂合金組織和高溫力學性能的影響[J]. 材料熱處理學報, 2013,31(4): 105-109.MAO Guo-bing, SUN Yu-feng, ZHANG Guang-sheng, LIU Qi.Effects of Sr addition and solid-solution treatment on microstructure and elevated temperature mechanical properties of AM50 magnesium alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2010, 31(4): 105-109.

[9]李落星, 梁桂平, 白 星, 劉 波, 劉揚勝. Ca, Sr對AM80鎂合金顯微組織和高溫蠕變性能的影[J]. 湖南大學學報: 自然科學版, 2010, 37(4): 46-52.LI Luo-xing, LIANG Gui-ping, BAI Xing, LIU Bo, LIU Yang-sheng. Microstructure and creep properties of casting AM80 alloy containing Ca and Sr[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2010, 37(4): 46-52.

[10]湯 彬, 李培杰, 曾大本.鈣、鍶對AZ91D合金組織及性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2004(5): 1-3.TANG Bin, LI Pei-jie, ZENG Da-ben. Effects of Ca and Sr on microstructures and properties of AZ91D Mg alloy[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys, 2004(5): 1-3.

[11]BAI Jing, SUN Yang-shan, XUN Shan, XUE Feng, ZHU Tian-bai. Microstructure and tensile creep behavior of Mg-4A1 based magnesium alloys with alkaline-earth elements Sr and Ca additions[J]. Materials Science and Engineering A, 2006,419(1/2): 181-188.

[12]HIRAI K, SOMEKAWA H, TAKIGAWA Y, HIGASHI K.Effects of Ca and Sr addition on mechanical properties of a cast AZ91 magnesium alloy at room and elevated temperature[J].Materials Science and Engineering A, 2005, 403(1/2): 276-280.

[13]WANG Rong-ming, ELIEZER A, GUTMAN E M. An investigation on the microstructure of an AM50 magnesium alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2003, 355(1/2):201-205.

[14]KINJI H, HIDETOSHI S, YORINOBU T. Effects of Ca and Sr addition on mechanical properties of a cast AZ91 magnesium alloy at room and elevated temperature[J]. Material Science and Engineering A, 2005, 403(1/2): 276-280.

[15]ZOU Hong-hui, ZENG Xiao-qin. Effects of Nd on the microstructure of ZA52 alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 392(1/2): 229-234.

[16]李落星, 白 星, 胡文俊. Sr對AZ91鎂合金時效行為的影響[J]. 湖南大學學報: 自然科學版, 2008, 35(10): 46-50.LI Luo-xing, BAI Xing, HU Wen-jun. Effects of Sr on the aging precipitation behavior of casting AZ91 alloys[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2008, 35(10): 46-50.

[17]HAUBOLD T. Nanocrystalline intermetallic compoundsstructure and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering A, 1992, 153(1/2): 679-683.

[18]WANG Feng, WANG Yue. Effect of combined addition of Y and Ca on microstructure and mechanical properties of die casting AZ91 alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20: 311-317.

[19]XIAO Wen-long, JIA Shu-sheng, WANG Li-dong, WU Yao-ming, WANG Li-min. The microstructure and mechanical properties of cast Mg-Zn-Al-RE alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 480: 33-36.

[20]ZOU Hong-hui, ZENG Xiao-qin. Effects of Nd on the microstructure of ZA52 alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 392: 229-234.