富鈰混合稀土對(duì)Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金組織及力學(xué)性能的影響

丁雨田，方 元，于善坤，胡 勇，劉廣柱

（1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

富鈰混合稀土對(duì)Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金組織及力學(xué)性能的影響

丁雨田1，2，方 元1，于善坤1，胡 勇1，劉廣柱1

（1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

采用X射線衍射分析、拉伸測(cè)試、掃描電鏡等方法，研究了不同添加量的富Ce混合稀土對(duì)Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr基合金的組織及力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，富Ce混合稀土添加后，Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金的晶粒得到了細(xì)化，合金形成了新強(qiáng)化相Mg17Ce2和Mg17La2，合金的力學(xué)性能明顯得到提高，當(dāng)加入0.6%的富Ce混合稀土?xí)r，Mg-Y-Nd-Zr合金的力學(xué)性能較高，隨著混合稀土添加量的繼續(xù)增加，強(qiáng)度緩慢提高，伸長(zhǎng)率下降。

Mg-Y-Nd-Zr合金；富鈰混合稀土；微觀組織；力學(xué)性能；斷裂

鎂合金是工程材料中最輕的結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)；同時(shí)具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼減震和電磁屏蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此鎂及鎂合金在汽車(chē)、電子、家電、通信及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，金屬鎂被冠以“21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”[2]。但是鎂合金鑄造性能差，室溫力學(xué)性能低，耐蝕性差等，文獻(xiàn)[3]報(bào)道,在鎂合金中加入稀土元素對(duì)提高合金的室溫強(qiáng)度和塑性有益,目前國(guó)內(nèi)外添加元素主要有Nd、Y、Ce、La等。余琨[4]等人研究了Ce對(duì)鎂及鎂合金中晶粒的細(xì)化機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Mg-Al-Zn系A(chǔ)Z31合金中添加微量稀土元素Ce，可以明顯細(xì)化合金晶粒，晶粒度由未細(xì)化前的約300μm下降到約30μm。Aghion E[5]等研究了Y的不同添加量對(duì)Mg-3Nd-0.5Zr合金力學(xué)性能影響，結(jié)果顯示隨Y含量增加合金的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變能力顯著提高，而合金的伸長(zhǎng)率有所下降。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)在Mg-YNd-Zr合金中添加富Ce稀土對(duì)其組織及性能的影響研究較少，本論文選用Mg-Y-Nd-Zr基合金，研究富Ce混合稀土的添加對(duì)該合金組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用的材料為將鎂錠（99.95%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、Mg-Y（20%）中間合金、Mg-Nd（20%）中間合金、Mg-Zr(W30%)中間合金和稀土含量為20%的鎂-富鈰混合稀土中間合金（混合稀土成分和含量為85%Ce,10%La和5%Pr），用電阻爐在氬氣保護(hù)氣氛下熔煉并澆注制備。合金成分為 Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr-（0-0.9）RE。添加的富Ce混合稀土百分含量分別為 0，0.3%，0.6%，0.9%，合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

合金試樣經(jīng)打磨、拋光后，用MEF3型金相顯微鏡觀察合金試樣的顯微組織；采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的型號(hào)為D/max-2400粉末X射線衍射儀（陽(yáng)極靶為銅,電壓為50kV，電流為150mA,掃描速度為 2°/min，2θ角為 10°～90°） 進(jìn)行組成相分析；在 WDW-100D型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1mm/min，并用JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)合金的金相顯微組織

圖1為加入不同含量混合稀土的Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr試樣的金相顯微組織圖。從圖1（a）可以看出，未加入富Ce的混合稀土的Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr，晶粒較大，隨著混合稀土含量的增加晶粒越來(lái)越細(xì)小，且第二相當(dāng)混合稀土的含量為0.6%時(shí)，組織均勻，第二相在晶粒內(nèi)部成彌散分布，隨著混合稀土含量的增加，第二相在組織內(nèi)大量彌散分布，如圖1（d）所示。結(jié)合 XRD 譜圖可知，圖 1（b）、1（c）、1（d）晶粒內(nèi)析出的相由Mg17Ce2和Mg17La2相組成。

2.2 合金的XRD譜分析

圖2（a）是采用X射線衍射對(duì)Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金鑄態(tài)組織進(jìn)行分析圖。從圖上看出，合金主要由α-Mg固溶體和稀土相Mg12Nd，Mg24Y5相組成。圖 2（b）為 Mg-4.2Y-2.7Nd-0.6RE-0.5Zr合金鑄態(tài)組織X射線衍射圖譜。由圖分析可知，加入富Ce混合稀土后，合金中主要的含稀土相為Mg12Nd、Mg24Y5、Mg17Ce2、Mg17La2相。結(jié)合顯微組織圖分析可知，鎂稀土相大部分分布在晶界，這是因?yàn)橄⊥僚c鎂形成共晶化合物，如Mg12Nd、Mg24Y5、Mg17Ce2、Mg17La2等，并不是凝固過(guò)程中的領(lǐng)先相，而且Mg-Ce、Mg-Nd、Mg-Y、Mg-La這些化合物大多數(shù)不滿足作為基體鎂異質(zhì)核心的“尺寸結(jié)構(gòu)匹配”原則，因此稀土相難成為α-Mg的異質(zhì)形核核心，從而鎂稀土相在凝固過(guò)程中固/液界面前沿的富集，主要存在于晶界，但當(dāng)稀土含量增加時(shí)，第二相在晶粒內(nèi)大量彌散分布，如圖 1（d）所示。

2.3 富鈰混合稀土含量對(duì)鑄態(tài)合金力學(xué)性能的影響

圖3是混合稀土不同添加量下的合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及屈服強(qiáng)度變化曲線圖。

由圖3（a）可知：未加入富鈰混合稀土?xí)r，合金的室溫抗拉強(qiáng)度σb為163.5MPa；而當(dāng)合金中富Ce混合稀土含量為0.6%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度σb達(dá)到較大值，為193.6MPa，比未添加富Ce混合稀土的合金抗拉強(qiáng)度提高了15.5%，比含量為0.3%的合金抗拉強(qiáng)度提高了11.6%。由此看出，抗拉強(qiáng)度σb隨著富Ce混合稀土含量增加而提高，幾乎呈直線上升。當(dāng)繼續(xù)增加混合稀土含量時(shí)，強(qiáng)度增加緩慢。由圖3（b）可知：當(dāng)富Ce混合稀土含量為0.6%時(shí)材料的伸長(zhǎng)率最大，即其塑韌性最佳；其后隨著富Ce混合稀土的增加，合金的伸長(zhǎng)率明顯下降，則材料的塑韌性降低。說(shuō)明富Ce稀土元素對(duì)Mg-Y-Nd-Zr合金塑韌性的影響很敏感，富Ce混合稀土含量過(guò)高會(huì)直接影響合金的塑性成型效果。由圖3（c）可知，合金的屈服強(qiáng)度隨著富Ce混合稀土含量的變化趨勢(shì)與合金的抗拉強(qiáng)度隨著富Ce混合稀土的含量的變化趨勢(shì)是一樣的。

2.4 斷口掃描分析

圖4所示是加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的富Ce混合稀土的Mg-Y-Nd-Zr合金試樣的拉伸斷口形貌。在室溫下，從4種試樣的拉伸斷口中觀察到了高低不平的解理臺(tái)階，細(xì)小彎曲的撕裂棱，局部有小韌窩，表現(xiàn)出混合斷裂的特征。未添加富Ce混合稀土（如圖4（a）所示）的合金斷裂后斷口呈現(xiàn)微小的裂紋。隨著富Ce混合稀土含量的增加，斷口韌窩變多、變深，斷口的韌性特征逐漸增多，脆性特征逐漸減少。當(dāng)富Ce的含量為0.6%（如圖4（c）所示）時(shí)，Mg-4.2Y-2.7 Nd-0.6RE-0.5Zr合金的斷口中韌窩組織的比例最大，解理臺(tái)階變窄；但當(dāng)富Ce混合稀土含量為0.9%時(shí)，斷口韌窩又呈現(xiàn)變小、變淺趨勢(shì)，這樣的斷口形貌與拉伸試驗(yàn)得到的伸長(zhǎng)率變化曲線圖相吻合。

3 結(jié)論

（1）Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金中添加富Ce混合稀土后，合金形成了新相Mg17Ce2、Mg17La2；在合金的凝固過(guò)程中，富Ce混合稀土元素在固/液界面前沿富集而引起成分過(guò)冷，從而進(jìn)一步細(xì)化了Mg-YNd-Zr合金的顯微組織，當(dāng)富Ce混合稀土的含量為0.6%時(shí)，Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金組織結(jié)構(gòu)均勻且第二相均勻彌散分布。

（2）合金加入富Ce混合稀土可以提高合金的力學(xué)性能。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)加入0.6%富Ce混合稀土?xí)r，Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金的抗拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了193.6MPa和3.28%，綜合性能較好；當(dāng)添加至0.6%時(shí)，強(qiáng)化效果不明顯，伸長(zhǎng)率有所下降。

（3）未添加富Ce混合稀土的合金斷裂機(jī)制為沿晶斷裂，韌窩小且淺；添加混合稀土后，斷口韌性特征增多，韌窩增多；但當(dāng)添加量為0.9%時(shí)，韌窩組織比例呈減小趨勢(shì)。

[1]梁維中，吉澤升，左鋒，等.耐熱鎂合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].特種鑄造及有色合金，2003（2）：39-41.

[2]左鐵鏞.21世紀(jì)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料——鎂及鎂合金發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2007（12）：22-26.

[3]《有色金屬及其熱處理》編寫(xiě)組.有色金屬及其熱處理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

[4]余琨，黎文獻(xiàn)，張世軍.Ce對(duì)鎂及鎂合金只能給晶粒的細(xì)化機(jī)理.稀有金屬材料與工程，2005，37（7）：1013-1016.

[5]Aghion E，Gueta Y，Moscovitch N，et al.Effect of yttrium additions

Influences of Ce-Rich RE on the Mechanics Properties and Microstructure of Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr

DING YuTian1，2，F(xiàn)ANG Yuan1，YU ShanKun1，HU Yong1，LIU GuangZhu1
（1.State Key Lab.of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China;2.Key Lab.of Non-ferrous Metal Alloys，the Ministry of Education，Lan zhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The influence of varied contents ofcerium misch metal on microstructure of the Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr alloys has been studied by means of X-ray diffraction，tensile tests，scanning electron microscopy，resulting in that the additions of cerium misch metal refined the grain of the Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr and led to form new strengthened phases that were Mg17Ce2and Mg17La2which improved the mechanics properties of the alloys，when the addition was up to 0.6%，the mechanics properties were improved greatly，with the additions increased，the strength improved slowly while the elongation decreased.

Mg-Y-Nd-Zr alloys；Ce-Rich RE；Microstructure；Mechanics properties；Fracture

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2010）02－4

蘭州理工大學(xué)博士基金（編號(hào)：SB01200606）

2009－10－28

2009－140

丁雨田（1962-），男，工學(xué)博士，教授，主要從事先進(jìn)凝固技術(shù)制備新材料、功能材料等方面的研究工作