Sn对抗蠕变镁合金蠕变力学性能的影响

摘要：本文主要探讨了不同含量的锡在不同温度下对抗蠕变镁合金蠕变力学性能的影响。得出结论：1、Sn元素的添加能提高镁合金的室温抗拉强度和屈服强度；2、随着Sn含量的增加试验镁合金的蠕变速率逐渐降低，高温塑性随着Sn的增加而下降；3、随着蠕变温度升高，试验镁合金的蠕变总形变量增加，蠕变速率提高。

关键词：镁合金 锡 抗蠕变性能 蠕变曲线

环保是当今世界发展的主题之一，减轻汽车以及其它运输、飞行工具的重量，降低能耗，是保护环境的有效途径。镁合金是最轻的金属之一，利用镁合金制作零部件是降低运输工具重量最有效的方法，但需要镁合金具有高强度和高温抗蠕变的力学性能[1]。汽车中镁合金传动零件的一般工作环境温度是150℃-250℃，研究此温度范围下镁合金的蠕变性能是很有实用性的。

Sn在镁合金中能形成高熔点的Mg2Sn第二相，能阻止高温下晶界的滑移和位错的攀移，从而可以提高镁合金的抗蠕变性能。但是目前关于Sn元素对镁合金在力学性能、组织等方面的研究很少。本文将就这写方面作一些探讨。

一 Sn对常温抗拉力学性能的影响

要提高材料的抗蠕变力学性能，首先要保证材料在常温使用时就具有相当的抗拉伸强度。本论文所论述的含Sn超过0.5%的镁合金的抗拉强度都比AZ91要好。而且通过实验数据（表一）比对，随着Sn含量增加镁合金的抗拉强度也同时得到提高，当Sn含量达到1.5%时出现一个峰值278.5MPa，比AZ91提高了7%，随后其抗拉强度有所下降，但是并不低于270MPa。与此同时，实验材料的屈服强度也有着相似的规律，在Sn含量达1.5%时其屈服强度达到170.5Mpa，随后也有一定的下降，但是下降的程度不大。从此规律可以看出适量Sn元素的添加可以提高此种镁合金的屈服强度和抗拉强度。对于延伸率的比较可以看出，Sn的添加使得镁合金的塑性在整体上有所下降，但是下降的程度不是很大，而且在添加少量Sn（

此外，比较前两种不含Sn的镁合金，可以发现加入了稀土的镁合金要比没有加入稀土的镁合金的抗拉和屈服强度分别增加了15.5MPa和27MPa，这说明稀土元素的加入能显著提高镁合金的室温强度，同时也表明稀土元素对镁合金的屈服强度的影响要大于对抗拉强度的影响，使得镁合金的屈强比增加，并且通过比较其塑性，发现其在塑性上没有太大的变化。

2.1 相同温度下不同Sn含量镁合金的蠕变曲线分析

汽车的油箱外壳和活塞等零件一般的工作温度在250℃以下，本实验针对其使用温度研究了本系列镁合金分别在180℃和220℃时的蠕变性能。

2.1.1 180℃时镁合金的蠕变性能

图1是没有加稀土的0号镁合金试样和加了稀土的2号试样在50MPa、180℃时的蠕变曲线。

图1 加入稀土镁合金与没有加入稀土镁合金的蠕变曲线

分析图1可以看出随着蠕变时间的增加，其形变量呈指数级增加。由于金属的蠕变曲线，不论是单晶体还是多晶体，对于各种金属都具有相近的形式[2]，其蠕变加速度也是不断增加的，同时随着蠕变时间的延长，其形变伸长量不断增加，本试验镁合金的蠕变曲线也具有此种特征。

对图1的蠕变曲线分析可以发现，0号有着比2号高的蠕变速率、短的蠕变断裂寿命、低蠕变强度和低持久塑性的特征。也就是说加入了稀土的2号镁合金的抗蠕变性能大大强于0号。

图2（a，b）是不同含Sn量的试验镁合金的蠕变曲线，4号、8号和11号的Sn含量分别是0.3%、1.5%和3%。

（a）

（b）

图2 180℃不同Sn含量镁合金的蠕变曲线

分析这三种试验镁合金的Sn含量和蠕变曲线的变化规律，可以看出随着Sn含量的增加镁合金的蠕变速率随着降低，Sn含量为1.5%时蠕变速率达到最低，其后随着Sn含量的进一步增加蠕变速率稍有增加。另外，蠕变塑性随着Sn的增加而下降，但Sn含量为0.3%到1.5%时的蠕变塑性下降很小，由1.65%到1.40%；其后下降很多，由1.4%到0.5%。同时，随着Sn含量的增加断裂寿命有所增加，当Sn的含量超过1.5%时其断裂寿命反而有所下降，依曲线所示，当Sn的含量达到3%时，其蠕变断裂寿命比1.5%时已经下降了近一个数量级。结合组织分析，这主要是Mg2Sn相长大以及其与（Mg、Zn）17Al12相的复合，严重地断裂了基体，而使镁合金的力学性能大幅度下降。综上所述，Sn元素能够改善镁合金的蠕变断裂强度，当增加适量Sn时（1.5%左右）能显著提高镁合金的蠕变强度和蠕变断裂寿命，从而得到我们所期望的“强韧化”抗蠕变镁合金。

2.1.2 在220℃时的蠕变性能

图3（a）、（b）是试验镁合金在50MPa应力、220℃时的蠕变曲线。

（a） 加入了稀土和没有加稀土的镁合金的蠕变曲线

（b）不同加Sn量的试验镁合金的蠕变曲线

图3 50MPa，180℃时不同Sn含量的试验镁合金的蠕变曲线

从3（a）可以看出，加入了稀土的2号镁合金试样具有较低的稳态蠕变速率，但同时又具有高的蠕变断裂强度和高的持久塑性，并具有比未加入稀土的0号试验镁合金更长的蠕变断裂寿命，从而2号镁合金具有较好的抗蠕变性能。这主要是2号镁合金稀土的加入形成了Al-RE第二相，这些第二相钉扎在晶界或是弥散分布于晶内而与位错发生交互作用从而阻碍位错的运动，故使得2号试验镁合金的蠕变速率低于0号。

对于图3（b），4号镁合金具有最高的稳态蠕变速率，最低的蠕变断裂寿命，蠕变第Ⅱ阶段和蠕变第Ⅲ阶段不明显，这主要是由于Sn元素含量较低，强度没有得到进一步的提高，由于在220℃时低熔点的（Mg、Zn）17Al12相已经有部分的软化，其强化效果已经不大，从而只有少量稳定的耐高温稀土第二相钉扎晶界并阻碍晶界的滑移运动，从而材料易变形、塑性高，抗蠕变断裂寿命短。11号镁合金的稳态蠕变速率和4号相当，但是其瞬时蠕变量较小，这说明材料的弹性应变最低，强度最高。原因可能是由于Sn的含量较高， Mg2Sn和稀土第二相强化了基体，同时还有Sn元素的固溶强化作用，从而使11号试验镁合金具有较好的强度，同时脆性增大，塑性降低。8号镁合金试样居于4号和11号之间，在强度和塑性的良好配合下，有着极低的稳态蠕变速率和最长的蠕变断裂寿命。由于稳态蠕变是蠕变过程中的形变硬化与回复相平衡的状态。在高温下，由于位错束集而形成位错胞或亚晶粒，在稳态蠕变中这一过程处于平衡状态，位错密度保持一定。8号试验镁合金中如此稳定的稳态蠕变速率，主要还是由于第二相对其位错的钉扎和阻碍，由于Sn元素加入量的合适，使得大小适宜、数量合适的Mg2Sn和稀土相的能够弥散地分布在整个材料中，并且阻止晶界的滑移与位错的攀移，与此同时，Sn元素也能固溶到合金中起到一定的固溶强化的作用。所以材料有着强度和韧性的良好配合，从而具备有最好的抗蠕变性能。

2.2 不同温度下含Sn镁合金蠕变性能分析

分析上图2、图3中试验镁合金180℃和220℃蠕变时的形变量，可以看出试验镁合金总的形变量都不是很高，最高也只有3.5%左右，此外，由于在180℃是中温蠕变，晶界形变很少，主要是大量位错的滑移，通过位错的湮灭以及晶界的滑移而产生变形；而220℃时的蠕变相对于镁合金来说是高温蠕变，在此条件下已经有较多的晶界参与形变，晶界变形量占蠕变总变形量的比例（ε晶界/ε总）是随着温度的升高而增加的 [3] 。故实验镁合金随着蠕变温度升高其蠕变总形变量得到提高，见下图（图4）是4号镁合金不同温度的蠕变曲线的比较。

图4 4号镁合金不同温度的蠕变曲线比较

比较4号镁合金在180℃和220℃两个温度下的蠕变速率，可以发现随着温度的升高，蠕变速率随着增加。这是由于在中低温蠕变时镁合金发生的主要是晶内蠕变，晶内蠕变是由滑移和微小滑移引起的。蠕变的第一阶段，晶粒由滑移和微小滑移引起变形，这些滑移和晶界或者晶粒相互干涉而引起局部应力集中。这种应力集中，由于局部晶粒产生变形带或扭折带而得到松弛。在第二阶段，晶粒被这些变形带或扭折带分割，并在多边化过程中产生亚晶粒。这种亚晶粒伴随着回复过程发生位错移动，而使亚晶粒的相对位置发生变化，引起蠕变。针对本实验镁合金，180℃的蠕变镁合金比220℃的蠕变镁合金的亚晶粒尺寸小、数量少，因而不易变形，故随着蠕变温度的升高，材料的形变速率变大。另一方面，220℃时原子容易运动，高温蠕变扩散过程能以很快的速度进行，回复过程在此温度下也容易通过位错的扩散性移动（如攀移）来实现。而180℃时的蠕变过程是中温蠕变，回复虽然已经开始，但是回复过程并不完全。故220℃时的蠕变速率会比180℃时有所提高。

三 小结

1，Sn元素的添加能提高镁合金的室温抗拉强度和屈服强度；随着加Sn量的增加，镁合金的塑性降低，在含Sn量

2，随着Sn含量的增加试验镁合金的蠕变速率逐渐降低，高温塑性随着Sn的增加而下降。

3，随着蠕变温度升高，试验镁合金的蠕变总形变量增加，蠕变速率提高。

4，稀土元素的加入可以提高试验镁合金的总形变量，并降低其稳态蠕变速率从而提高其抗蠕变性能。

参考文献

[1] 陈振华等，镁合金，化学工业出版社，2004，7，北京，10-19，

[2] 平修二，金属材料的高温强度理论设计，1983，7，科学出版社

[3] 陈国良，高温合金学，1988.5，冶金工业出版社