关于Zr对亚共晶Mg-Si合金组织和性能影响的探索

      由于Si在镁中的固溶度仅为0.003%，不会钉扎位错，阻碍位错运动，能够有效提高合金的阻尼性能。同时，添加Si元素在合金内部原位内生Mg2 Si相，可以强化基体合金，显著提高合金的强度和刚度，进而改善合金的高温蠕变性能。但是在传统铸造条件下，共晶

Mg2 Si相呈粗大的汉字状，割裂基体，严重损害合金的力学性能，因此必须对其进行变质处理。李焕文‘21研究表明，在ZLIOI铝合金中引入Zr能够对共晶Si相起到很好的变质作用。由于共晶Mg2 Si和共晶Si相的凝固机理相近，同时，Zr在镁合金中的溶解度较小，而且是镁合金最有效的晶粒细化剂之一，因此本课题以亚共晶Mg-0. 9Si合金为研究对象，考察了Zr对Mg-0. 9Si合金铸态组织、力学性能和阻尼性能的影响。

1  试验材料与设备

    试验材料为商用99. 97%（质量分数，下同）的纯镁锭，Mg-5Si和Mg-302r中间合金。合金的制备均在功率为5kW的SG2-5-12型坩埚电阻炉中进行。待合金完全熔化后，降温到750℃，向熔体内部吹入高纯Ar气5 min进行除气。静置IO min后，于720“C出炉浇注到预热至300℃的金属型中。为防止镁合金的氧化燃烧，采用C02 +SF6（体积比为100：1）气体进行保护。

    在Metalscan2500光谱分析仪上分析Mg-Si-Zr合金试样的化学成分，其结果见表l。为保证分析的准确性，试样均取自铸锭的相同部位。采用标准金相试样程序制得金相试样后，用体积分数为0.5%的HN03酒精溶液浸蚀3～10 s；利用Neophot-2光学金相显微镜观察试样的铸态显微组织；在SANS-CMT510电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min；在DMAQ800动态机械热分析仪上测试试样的阻尼性能。阻尼测试试样尺寸为40 mm×5 mm×1.2 mm，测试条件为：室温～450 0C，频率和应变振幅分别设定为1 Hz和0. 01%。阻尼性能用品质因数的倒数Q-1表征。

2  试验结果与分析

    图1为不同Zr含量的Mg-0. 9Si合金铸态组织。在未添加Zr的Mg-0. 9Si合金铸态组织中，可以清楚观察到呈粗大树枝晶状的初生a-Mg相和呈粗大汉字状的共晶Mg2 Si相，见图la。对比图lb和图la可见，添加0.3%的Zr后，初生a-Mg相和共晶Mg2 Si相均得到明显细化，其中部分初生a-Mg由粗大的枝晶状转变为细小圆整的蔷薇状，而且已经观察不到呈粗大汉字状的共晶Mg2 Si相。由图1看见，Zr的引入对Mg-0.9 Si合金铸态组织中的初生a-Mg相具有较好的细化作用。关于Zr细化初生a-Mg相的细化机制，认为是包晶反应机制和异质形核机制。其中，包晶反应机制认为，合金在凝固过程中，Zr与合金熔体会发生包晶反应，形成一层富Zr的Mg固溶体，从而有利于Mg晶核形核。而异质形核机制认为，Zr和Mg同为密排六方结构，且Zr的晶格常数（a=0. 323 nm，c=0. 514 nm）与镁的晶格常数（a=0. 320 nm，c=0. 520 nm）相近，因此Zr质点可作为Mg的异质形核核心，显著细化晶粒。

    图2为不同Zr含量时Mg-0. 9Si合金铸态组织中共晶Mg2 Si相形貌。对比图2a和图2b可见，当Zr含量为0.3%时，合金中的共晶Mg2 Si相得到显著细化，大部分共晶Mg2 Si相由粗大的汉字状转变为细小的蠕虫状。继续增加Zr含量，共晶Mg2 Si相得到进一步细化。当Zr的含量为o．6%时，Mg-0. 9Si合金铸态组织中的共晶M9z Si相绝大部分转变成细小的点状，此时已经观察不到呈汉字状的共晶Mg2 Si相了，见图2c。当Zr含量为0.9%时，共晶Mg2 Si相的尺寸形貌相比0.6%的合金变化不大，仍以细小点状为主，见图2d。由图2可见，Zr的加入对于Mg-0. 9Si合金铸态组织中的共晶Mg2 Si相具有较好的变质作用。

    图3为Mg-0. 9Si和Mg-0. 9Si-0. 62r两种合金的XRD图谱。由图3可见，两种合金中均只有初生的a-Mg相和共晶Mg2 Si相存在，并没有检测到其他相。因此分析Zr变质的主要原因是由于Zr具有较高的活性，在合金凝固过程中，易于吸附在共晶Mg2 Si相的表面及生长前沿，毒化了共晶Mg2 Si相的生长方式。

    图4为Zr含量对Mg-0. 9Si合金力学性能的影响。由图4可见，当Zr含量小于0.6%时，随着Zr含量的增加，Mg-0. 9Si合金的抗拉强度和伸长率均呈现迅速增加的趋势。而当Zr含量超过0.6%时，合金的抗拉强度和伸长率虽有小幅增加，但是变化趋势趋于平稳，这与Mg-0. 9Si合金中的共晶Mg2 Si相的组织形貌随Zr含量的变化规律相一致。因此，结合成本因素考虑，对于Mg-0. 9Si合金，Zr的最优加入量为0.6%左右，此时其抗拉强度和伸长率相比未变质Mg-0. 9Si合金分别提高了约43.4%和64.3%。

    图5为Zr变质前后Mg-0. 9Si合金的阻尼一温度谱。由图5可见，在测试温度范围内，经过Zr变质的Mg-0. 9Si合金的阻尼值要显著高于未变质的Mg-0.9Si合金的阻尼值。分析其原因主要有两点：①由于基体a-Mg的热膨胀系数（约为26×10-5 K-1）和Mg2 Si颗粒的热膨胀系数（约为7.5×10-6 K-1）相差较大，因此在合金熔炼凝固过程中，两者之间会产生一定的错配应变，从而在合金内部产生大量位错。根据位错棱镜模型n1，合金内部的位错密度与第二相颗粒的尺寸相关。随着第二相颗粒的细化，位错密度将显著增加，而这些高密度位错，在循环载荷作用下将会成为一种高内耗源。因此，变质后的Mg-0. 9Si合金的阻尼值显著提高主要归因为共晶Mg2 Si相的细化。②对于多晶金属材料，晶界可以作为该材料的一个重要阻尼源。因此，加入Zr后的Mg-0. 9Si合金的阻尼值提高还可以部分归因于初生a-Mg相的细化。

3  结  论

Zr对Mg-0. 9Si合金凝固组织中初生a-Mg相和共晶Mg2 Si相具有显著的细化和变质作用。考虑到成本因素，Zr的最优加入量为0.6%左右，此时，合金的抗拉强度和伸长率分别达到187.2 MPa和6.8%，比未变质合金提高了约43.4%和64.3%。在整个测试的温度范围内，变质合金的阻尼值要显著高于未变质合金的阻尼值。

4摘  要  

研究了Zr对亚共晶Mg0.9 Si合金铸态组织、力学性能和阻尼性能的影响。结果表明，Zr对Mg-0. 9Si合金中的初生a-Mg相和共晶Mg2 Si相具有较好的细化和变质作用。从成本因素考虑，Zr的最优加入量为0.6%左右，此时，合金的抗拉强度和伸长率分别为187.2 MPa和6.8%，相比未变质合金提高了约43.4%和64.3%。在整个测试的温度范围内，加入0.6%的Zr变质Mg-0. 9Si合金的阻尼值要显著高于未变质合金的阻尼值。