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文章详情介绍：
挤压态AT95-xsb镁合金，它的高温力学性能及组织如何进行分析？
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镁合金是迄今为止开发的最轻的金属结构材料，具有低密度、高比强度、高比刚度及可回收性等优点，在交通、医用及电子等工业领域中具有广阔的应用前景，尤其在高性能汽车上的应用具有很大潜力。近年来，高温镁合金在许多领域呈现出巨大的应用潜力，提高镁合金的高温性能已成为镁合金应用的关键问题。
锑元素的添加对镁合金力学性能有着显著的成效，因此近年来备受科研工作者的关注。Mg–Al合金仍然是目前值得深入研究的代表性轻合金，具有很好的应用前景，元素Sb作为工业上常用的变质剂，因加入镁合金中可以形成Mg3Sb2相而广受关注。Sb元素的加入使Mg3Sb2颗粒相形核，从而使Mg2Si金属间相的形态由汉字状变为多边形，改善了其拉伸性能。
因此，与基体合金相比，向镁合金中添加锑元素可以改善合金的微观结构，从而提高合金抗拉性能和韧性。而元素Sn和Si在元素周期表中属于同族元素，元素Mg和Sn可以形成Mg2Sn相。Sb元素的加入可使细小的Mg3Sb2颗粒分布在晶界细化Mg17Al12析出物中，形成良好的微观组织结构而改善其抗拉性能。有研究人员报道，由于Mg3Sb2相可以作为熔体的异相成核中心，Sb元素的添加可显著细化α–Mg基体相的晶粒尺寸。
有研究结果表明，Sb元素的加入可以降低镁合金的织构，细化Mg–9Al–5Sn镁合金的晶粒，具有较好的室温力学性能，该合金体系中有Mg2Sn和Mg3Sb2等稳定的高温合金相，因此推测该合金体系将呈现良好的高温性能，每种晶格类型的金属都有特定的滑移系，滑移系数量不同，晶体结构不同，滑移系也不相同；晶体的滑移系越多，滑移越容易进行，塑性也就越好。
镁合金属于对称性低的密排六方晶格结构，室温滑移系少，室温塑性变形能力较差，这成为限制镁合金应用的因素之一，镁合金在高温变形时，随着温度的升高可以开启一些其他滑移系（如非基面滑移系、<c+a>滑移系），很大程度上能够提高镁合金的塑性变形能力。同时，由于激活了基面滑移系和棱柱面滑移系，晶界滑移也得以启动，可以获得较高的塑性变形，所以学者们将目光转向镁合金的高温变形方面，文中基于Mg–9Al–5Sn镁合金的研究基础，对挤压态Mg–9Al–5Sn–x Sb镁合金进行高温性能研究。
试验
试验材料
试验材料来自于本课题组熔炼挤压制备的ϕ18 mm AT95–x Sb(x=0.0,0.3,1.0,x表示质量分数，%）镁合金挤压棒材，合金熔炼采用真空感应炉熔炼，所制备的铸锭放入箱式炉内进行均匀化处理，以0.68℃/min的速率随炉升温至420℃保温12h后空冷。在热挤压之前，将均匀化处理过的铸锭和挤压模具在300℃预热2h并进行正向挤压，挤压比为28.2，平均挤压速度为10mm/s。
试验方法
选取AT95–x Sb镁合金挤压棒材的3个代表性合金样品AT95–x Sb，分别在25、150、200℃下进行拉伸力学性能测试，拉伸速度为2mm/min，以得到具有代表性的试验数据。高温拉伸试验的试样采用车床加工，尺寸参照GB/T 4338—1995。拉伸试验采用新三思CMT–5105微机控制电子万能试验机进行，并采用匀速单向位移拉伸，拉伸速率为2mm/min，为保证试验数据的准确性，每个同成分的合金加工6个高温拉伸试棒，测试结果取平均值。
合金的化学成分采用X射线荧光光谱仪（XRF–1800 CCDE）进行测试。采用X射线衍射仪（Rigaku D/max 2500PC）对合金样品进行物相分析，物相测试参数：射线为CuKα；石墨单色器；加速电压为40kV；扫描角度为10°～90°；扫描速度为4 (°)/min；灯丝电流为250mA；步长为0.02min–1，工作电压为60kV。采用扫描电子显微镜（TESCAN VEGAⅡLMU）进行断口分析，加速电压为0.2～30kV，电子束电流为1pA～2μA。
结果与分析
Sb元素对合金强化相的影响
可以看出，各衍射峰的位置基本一致，随着Sb元素的添加，α–Mg的各峰位向高角度略有偏移。铸态AT95镁合金由α–Mg、Mg2Sn和Mg17Al12相组成；铸态AT95–1.0Sb镁合金的主要第二相为Mg3Sb2、Mg2Sn和Mg17Al12相。相比之下，添加Sb元素的镁合金具有对应于Mg3Sb2相的X射线衍射峰，说明Sb元素的添加促进了Mg3Sb2相的生成，且随着Sb元素含量的增加，Mg3Sb2相的衍射峰强度逐渐增大。
Sb元素对高温力学性能的影响
将AT95–x Sb镁合金挤压棒材的3个代表性合金样品AT95–x Sb分别在25、150、200℃下进行拉伸力学性能测试，拉伸速度为2mm/min，为保证试验数据的准确性，每个成分的合金样品最少测试3次并取平均值，得到具有代表性的试验数据。分别给出了合金试样在不同温度下拉伸的工程应力–应变曲线，整体来看，随着温度的升高，所有样品都出现强度降低、伸长率增大的变化趋势，在拉伸开始变形的阶段，随着变形量的增加出现加工硬化现象，应力快速增大直至达到峰值，然后逐渐下降直到样品断裂。对于没有添加Sb元素的AT95合金，随着温度由室温升高到150℃，再升高到200℃，其伸长率由4.6%逐渐增大到28.0%，最后增大至42.1%。
可以看出，在室温拉伸时，AT95镁合金在应力达到峰值时发生断裂，没有形成稳态阶段；而变形温度达到150℃以上时，合金在达到峰值应力时并没有断裂，而是应力随着应变的增大而逐渐降低，因此得出，合金在高温时发生软化，其强度逐渐降低，形成较短的稳态阶段。含质量分数0.3%Sb元素的AT95–0.3Sb镁合金在室温下的伸长率是4.7%，随着温度的升高，在200℃时达到85.6%，其强度逐渐降低；含质量分数为1.0%Sb的AT95–1.0Sb镁合金在室温下的伸长率是3.9%，随着温度的升高，在200℃时达到61.9%，其强度逐渐降低。
3个合金样品伸长率都在200℃时达到最大值，其中，AT95–0.3Sb镁合金的伸长率最大，未添加Sb元素的AT95镁合金伸长率最小，因此，添加适量的Sb元素可以增大AT95挤压镁合金的伸长率。150℃时拉伸呈现明显的上凸形状，而200℃时拉伸的凸起降低，这是变形温度升高时材料的软化和拉伸变形产生的硬化竞争结果造成的差异。温度不同，在弹性变形阶段的斜率也发生了变化，斜率随着温度的升高逐渐降低，有报道指出，在应力–应变曲线中的峰值是动态回复的开始，镁合金高温变形时由于非基面滑移的开启对材料软化有着重要贡献，非基面滑移的CRSS(Critical Resolved Shear Stress，又称Schmid定律）随着温度的升高而减小，发生动态回复所需要的应力也会越来越小，从而导致曲线峰值应力随着变形温度的升高而降低。
挤压态AT95–x Sb镁合金高温拉伸屈强比分析
作为衡量材料强度储备标准的屈强比（σs/σb）也是重要的材料性能参数，屈强比越大，零件的可靠性结构越高，从表2可以看出，不含Sb的AT95镁合金室温时的屈强比为0.73，随着温度的升高，200℃时屈强比达到0.85；含质量分数0.3%Sb的AT95–0.3Sb镁合金室温时的屈强比为0.66，随着温度的升高，200℃时屈强比达到0.91；含质量分数1.0%Sb的AT95–1.0Sb镁合金室温时的屈强比是0.70，随着温度的升高，200℃时屈强比达到0.90，因此，随着温度的升高，AT95–x Sb挤压镁合金的屈强比也逐渐增大。
屈强比增大或降低对于不同材料的不同使用要求各有益处。对于机械结构件，增大屈强比将增长材料在屈服前的工作时间，可以充分利用材料。再就是，较大的屈强比可以使材料安全强度和使用强度之间的差距减小，从而提高结构件可靠性，产品质量得以保证，加工成本降低。同时，较大的屈强比提供优良的塑性，可改善结构件的使用安全性。随着Sb元素的增加及拉伸变形温度的升高，AT95–x Sb挤压镁合金屈强比呈现增大的趋势，因此，该合金材料具有更加优良的使用可靠性。
高温拉伸断口形貌分析
合金样品的拉伸断口显示都含有大量韧窝和撕裂棱，呈现河流花纹的分布，为韧性断裂，撕裂棱的间距约为15μm，有大量空洞存在。同时，在韧窝底部有较多第二相，大小约为几微米，这些第二相颗粒与镁基体的结合能力较差，在拉伸变形过程中易成为裂纹源，导致断裂的产生。高温拉伸时，随着时间和应变的增加，由于晶界的运动能力较差，因而形成空洞，随着拉伸变形的继续，空洞长大并相互合并，使得局部应力应变增大，因而最终沿晶界撕裂形成韧性断裂。
由于镁合金的独立滑移系少，孪生是低温变形的主要变形机制，随着变形温度的升高，位错的攀移和交滑移更易发生，使得晶界的迁移能力增强，动态再结晶形核增多，从而促进动态再结晶的发生，提高塑性变形，热稳定性差的Mg17Al12合金相在高温变形过程中容易发生分解；而Mg2Sn合金相有着相对高的熔点、硬度和热稳定性，可以提高镁合金的耐热性能。AT95–x Sb镁合金中的合金相有Mg17Al12相、Mg2Sn相和Mg3Sb2相。Mg2Sn相可以作为Mg17Al12相的异质核心而共存，这样可间接提高Mg17Al12相的耐高温性，从而使得合金在高温下具有较高的强度。
而在Mg–Al–Sn镁合金中加入Sb元素，可与Mg形成Mg3Sb2相。Mg3Sb2相具有良好的电性能、热性能以及高的ZT值（Thermoelectric figure of merit),Mg3Sb2相与Mg2Sn相的位相关系满足(0001)Mg3Sb2//(111) Mg2Sn，因此，Mg3Sb2相可以作为Mg2Sn相的异质形核核心从而细化Mg2Sn相，而且异质形核需要的能量小，形核几率大，如果存在形核核心将优先发生异质形核。Mg3Sb2相熔点较高（1228℃），可显著提高合金在高温下的性能，在不同变形温度下的拉伸变形过程中，第二相对优化和改善镁合金的高温性能起着关键作用。由此可以总结出，AT95–x Sb挤压镁合金在较高温度下拉伸变形，随着应变量的蓄积，合金强化相尺寸增大，数目减少，将向晶界发生团聚。而强化相粒子对晶界起着重要的钉扎作用，能够有效阻碍晶界的移动并限制晶粒长大。
随着拉伸变形温度的升高，合金在150℃时的断口形貌，解离平台减少，断口扫描可以看到大量的浅小韧窝和明显的河流花样，表明变形温度的升高导致韧性变形时位错的滑移机制起到主要作用。200℃拉伸断裂时，断口形貌特征与150℃时基本相同，但出现极少量的解理面和较大较深的孔洞，因此该断裂主要属于韧性断裂，且夹杂有极少量脆性断裂，断口形貌主要为韧窝。
同时可以看出，200℃时断口第二相颗粒数量明显比150℃时少，颗粒尺寸变小，这是由于随着变形温度的升高，变形继续进行，晶粒发生转动，释放高的应力以避免微裂纹的形成，合金相向晶界位置移动并发生团聚，因此，150℃时断口处合金相数目增多，尺寸变大；随着温度的继续升高，镁基体中的合金固溶度增大，同时，当变形温度到达200℃时，共晶相Mg17Al12由于热稳定性差而被熔融，因而导致合金相数目减少，尺寸变小。
结论
1)AT95–x Sb镁合金中的主要合金相为Mg17Al12相、Mg2Sn相和Mg3Sb2相，Sb元素的添加使得AT95合金的第二相种类增加，数量增多，Sb元素主要以Mg3Sb2相形式存在。
2）随着拉伸温度的升高，AT95–x Sb镁合金拉伸样品均呈现强度降低、伸长率逐渐增大的变化趋势，因此，适量Sb元素可以增大AT95挤压镁合金的伸长率，随着Sb元素含量的增加以及温度的升高，屈强比也呈现增大的趋势。
3）随着Sb元素含量的增加和拉伸变形温度的升高，150℃时拉伸断口的第二相明显比200℃时数量多，颗粒大。解离平台减少，从断口扫描图片可以看到大量的浅小韧窝和明显的河流花样，出现极少量的解理面和较大较深的孔洞，属于韧性断裂，断口形貌以韧窝为主，200℃时合金拉伸变形能力最好。