時效時間對Mg-5Sn-Zn合金熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響

郭會玲，李秋書，李建文，胡延昆，吳瑞瑞

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

時效時間對Mg-5Sn-Zn合金熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響

郭會玲，李秋書，李建文，胡延昆，吳瑞瑞

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

通過XRD、SEM掃描電鏡、室溫下的拉伸性能等實驗研究了不同時效時間對Mg-5Sn-Zn合金熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，合金顯微組織中主要存在Mg2Sn和MgZn兩種相，固溶處理后這兩種相基本消失，隨著時效時間的增加，Mg2Sn和MgZn相析出的越來越多，最后出現(xiàn)聚集傾向。合金的熱導(dǎo)率經(jīng)過固溶處理后下降，隨著時效時間的增加逐漸增大，抗拉強(qiáng)度隨時效時間增加先降低然后升高，達(dá)到峰值后又下降，在時效144 h的時候達(dá)到峰值200.17 MPa.伸長率先上升，然后逐漸下降，時效168 h后又上升。

時效時間；Mg-5Sn-Zn合金；熱導(dǎo)率；力學(xué)性能

鎂合金作為一種新型商用合金具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度比剛度高、易加工等優(yōu)良性能，在許多工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，尤其是在汽車，航空航天以及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域要求鎂合金不僅要有良好的力學(xué)性能，還要有較好的散熱性能[1-4]。一些研究人員對鎂合金的散熱性能已經(jīng)進(jìn)行過部分研究。潘虎成[5]在研究化合物析出對Mg-Sn合金熱導(dǎo)率的影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，固溶態(tài)Mg-Sn合金的熱導(dǎo)率隨時效時間的延長而不斷升高，這主要是由于第二相的析出導(dǎo)致的基體純化引起的；Jian Peng等人[6]研究了Ce的加入對Mg-2Zn-1Mn合金熱導(dǎo)率的影響，結(jié)果顯示加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的Ce會提高M(jìn)g-2Zn-1Mn合金的熱導(dǎo)率，這是由于Ce的加入使固溶在Mg中的Zn原子以第二相形式析出，減少了晶格缺陷；T Ying等人[7]在研究鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-Zn合金熱導(dǎo)率時發(fā)現(xiàn)，固溶在Mg基體中的Zn原子越少，合金的熱導(dǎo)率越大。上述研究人員均認(rèn)為Mg基體中固溶原子的析出會對熱導(dǎo)率產(chǎn)生較為明顯的影響，時效處理可以使合金中的第二相從鎂基體中析出，減小晶格畸變，Sn原子半徑是1.58A，Mg原子半徑是1.60A，Sn原子加入Mg中造成晶格畸變較小，Zn具有較好的時效強(qiáng)化作用[8]，基于此，本文研究了時效處理對Mg-5Sn-Zn合金熱導(dǎo)率的影響。

1 實驗材料與方法

實驗中所用的Mg-5Sn-Zn合金采用純Mg（99.85%）、純Sn（99.99%）和純Zn（99.99%）按一定比例加入中頻感應(yīng)爐熔煉，合金成分見表1，澆注于提前預(yù)熱好的金屬型模具中，形成尺寸為12 mm× 300 mm的圓柱形試樣。

Mg-5Sn-Zn鎂合金熱導(dǎo)率的測試是在三種不同的狀態(tài)下進(jìn)行的，包括鑄態(tài)，固溶態(tài)（在440℃下保溫12 h后水冷），時效態(tài)（在230℃下分別保溫8 h、16 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h后空冷），使用TH2512型智能直流低電阻測試儀測試電阻率，通過R=計算得到電導(dǎo)率并且運(yùn)用魏德曼-弗蘭茲定律[9]計算熱導(dǎo)率。魏德曼-弗蘭茲定律數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，λ是金屬的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；σ是金屬的電導(dǎo)率，S·m-1，T是熱力學(xué)溫度，K；L0是洛倫茲數(shù)，L0=2.45×10-8W·Ω/K2.

拉伸測試在WDW-E100D微型控制電子式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為0.5 mm/min，每次試驗重復(fù)三次求平均值。

表1 Mg-5Sn-Zn合金成分表

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織及相分析

圖1所示為Mg-5Sn-Zn合金分別在鑄態(tài)、固溶態(tài)和不同時效時間下的SEM圖片。從圖1a）中可以看出，在鑄態(tài)合金晶界處分布著白色粗大的第二相組織，也有少量第二相組織以彌散形式存在。結(jié)合圖2 EDS結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，這些析出相主要由Mg、Sn、Zn三種元素組成。圖3是Mg-5Sn-Zn合金在不同狀態(tài)下的XRD衍射結(jié)果，發(fā)現(xiàn)合金中主要存在Mg2Sn和MgZn兩種相，結(jié)合EDS結(jié)果可以確定Mg-5Sn-Zn合金中的第二相組織是Mg2Sn和MgZn相。其中，在三角晶界處的組織是α-Mg+Mg2Sn +MgZn形成的共晶組織，在晶界其他部位分布著多為桿狀離異共晶組織Mg2Sn+MgZn[10].經(jīng)過固溶處理之后，合金中第二相顯著減少，僅在三角晶界處殘存少量第二相組織。消失的第二相組織大部分以固溶原子的形式固溶進(jìn)Mg基體中。

經(jīng)過不同時效時間處理后，Mg-5Sn-Zn合金的組織逐漸發(fā)生變化。時效24 h時（圖1c）所示），有少量彌散析出的第二相分布在晶界處，時效時間達(dá)到72 h的時候，更多的第二相組織從合金中析出來，一部分彌散分布在晶界上，還有一部分在晶粒內(nèi)部沉淀析出。當(dāng)時效時間增加到144 h的時候，合金晶界上和晶粒內(nèi)部析出的第二相繼續(xù)增加，晶粒內(nèi)部的第二相組織更加均勻。時效時間達(dá)到168 h時，晶粒內(nèi)部沉淀析出的第二相組織出現(xiàn)聚集傾向。

圖1 Mg-5Sn-Zn合金在不同狀態(tài)的SEM結(jié)果

2.2 熱導(dǎo)率結(jié)果分析與討論

Mg-5Sn-Zn合金在不同狀態(tài)下的熱導(dǎo)率結(jié)果如圖4所示。鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率為80.31 W·m-1·K-1，經(jīng)過固溶處理后，合金熱導(dǎo)率下降為70.37W·m-1·K-1.經(jīng)過不同時間的時效處理之后，合金的熱導(dǎo)率逐漸上升，達(dá)到時效168 h時的123.30 W·m-1·K-1后基本不再繼續(xù)上升。

合金的熱導(dǎo)率由電子和聲子共同決定。在純金屬中，熱傳遞的電子機(jī)制遠(yuǎn)大于聲子機(jī)制的貢獻(xiàn)，因為純金屬中雜質(zhì)缺陷較少，對電子和聲子的散射幾乎沒有，電子傳遞速度遠(yuǎn)大于聲子，所以電子傳導(dǎo)機(jī)制主導(dǎo)著純金屬的熱導(dǎo)率。純金屬加入合金元素后，由于各元素原子半徑大小、能量等各不相同，會造成大量的缺陷，這些缺陷形成散射中心，阻礙電子和聲子的傳遞，這時合金的熱導(dǎo)率由電子和聲子共同決定[11，12]。

對于Mg-5Sn-Zn合金，在之前已經(jīng)分析過，經(jīng)過固溶處理之后，合金中的Mg2Sn和MgZn相大量消失，這些消失的第二相以Sn原子和Zn原子的形式固溶進(jìn)α-Mg基體中。Mg的原子半徑為1.60A ，Sn的原子半徑為1.58A ，二者相差不大，固溶的Sn原子在α-Mg基體中造成的晶格畸變相對較小，而Zn原子半徑為1.39A， 與Mg原子半徑有一定差距，固溶進(jìn)α-Mg基體中會造成大量晶格畸變，形成散射中心，阻礙電子和聲子在合金中的傳遞，從而造成合金熱導(dǎo)率下降[13]。經(jīng)過不同時間的時效處理后，合金的熱導(dǎo)率逐漸上升。這是因為時效處理過程中，之前固溶進(jìn)合金中Sn原子和Zn原子以第二相的形式逐漸析出，減少了α-Mg基體中的晶格畸變,純化了鎂基體。時效時間越長，析出的Mg2Sn和MgZn相越多，基體中的晶格畸變就越少，所以合金熱導(dǎo)率逐漸上升。雖然析出的Mg2Sn和MgZn相也會形成散射中心，對電子和聲子的傳導(dǎo)產(chǎn)生一定的阻礙，但與固溶原子造成的晶格畸變相比，這種阻礙作用較小，對熱導(dǎo)率的影響也就比較小。在時效保溫時間達(dá)到180 h時，合金熱導(dǎo)率的值上升已經(jīng)基本不明顯了，這是因為第二相在此時的析出數(shù)量已不再增加，并且在時效168 h時已經(jīng)發(fā)生了聚集，這對合金的熱導(dǎo)率產(chǎn)生一定不利的影響，因此將不會繼續(xù)提高M(jìn)g-5Sn-Zn合金的熱導(dǎo)率。

圖2 Mg-5Sn-Zn合金的EDS結(jié)果

圖3 Mg-5Sn-Zn合金的XRD圖

圖4 Mg-5Sn-Zn合金在不同狀態(tài)下的熱導(dǎo)率

2.3 力學(xué)性能結(jié)果分析與討論

圖5所示為Mg-5Sn-Zn合金在不同時效時間下的抗拉強(qiáng)度與伸長率實驗結(jié)果。由圖可知，在時效處理初期，合金的抗拉強(qiáng)度先下降，時效24 h的時候抗拉強(qiáng)度降到134.78 MPa，隨著時效時間的延長，合金的抗拉強(qiáng)度又逐漸升高，在144 h時達(dá)到峰值200.17 MPa，隨后繼續(xù)時效處理，合金抗拉強(qiáng)度下降。合金抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律可以結(jié)合合金的顯微組織進(jìn)行分析。如圖1c）所示為時效24 h時的顯微組織結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)此時從過飽和α-Mg固溶體中析出了部分第二相組織，使之前的固溶強(qiáng)化效果減弱，這導(dǎo)致了合金抗拉強(qiáng)度下降[14]。當(dāng)時效72 h的時候，如圖1d）所示，在晶界處析出的第二相明顯增多，呈彌散析出，晶界內(nèi)也有部分第二相沉淀析出，此時由于晶界上第二相的彌散強(qiáng)化作用和晶界內(nèi)部的沉淀強(qiáng)化作用，合金的抗拉強(qiáng)度提高至159.46 MPa.當(dāng)時效時間增加至144 h的時候，合金顯微組織中彌散析出和沉淀析出的第二相持續(xù)增加，如圖1e）所示。除了晶界上增加的第二相之外，晶粒內(nèi)部也有少量第二相彌散析出，并均勻分布在晶粒各處。晶粒內(nèi)部沉淀析出的第二相也明顯增多并均勻分布在晶界內(nèi)。此時的強(qiáng)化效果達(dá)到最佳，合金的抗拉強(qiáng)度也達(dá)到最大值。當(dāng)合金的時效時間繼續(xù)增加時，合金的抗拉強(qiáng)度減小。結(jié)合圖1f）發(fā)現(xiàn)，此時顯微組織中沉淀析出的第二相開始發(fā)生聚集現(xiàn)象，這使合金的抗拉強(qiáng)度下降。

伸長率隨著時效時間增長逐漸降低，這是因為隨著時效時間的延長，合金中析出的第二相越來越多，其對位錯的阻礙作用增強(qiáng)，應(yīng)力增加，使伸長率逐漸下降。

圖5 Mg-5Sn-Zn合金在不同時效時間下的抗拉強(qiáng)度和伸長率變化曲線

3 結(jié)論

1）Mg-5Sn-Zn合金顯微組織主要有Mg2Sn和MgZn兩種第二相，固溶處理后第二相含量減少，然后隨時效時間延長而逐漸增多，最后出現(xiàn)聚集傾向。

2）Mg-5Sn-Zn合金的熱導(dǎo)率隨時效時間增加而逐漸提高，由時效之前的70.37 W·m-1·K-1提高到時效168 h時的123.30 W·m-1·K-1.

3）Mg-5Sn-Zn合金的抗拉強(qiáng)度隨時效時間先下降，然后逐漸升高，在時效144 h的時候達(dá)到最大值200.17 MPa后，繼續(xù)時效會下降。伸長率隨時效時間增長逐漸下降。

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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

郭會玲（1991-），女，碩士研究生.

李秋書（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事輕質(zhì)合金材料的研究。

晉城市科技計劃項目（201501004-13）；山西省研究生創(chuàng)新項目（2016BY37）