铸态Mg-2Nd-0.2Zn-0.4Zr-xY镁合金组织及力学性能

陈伟，刘楚明，苏再军，舒心

(中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X线衍射分析(XRD)及力学性能测试等手段，研究不同含量稀土元素Y(4%，6%，8%，质量分数)对Mg-2%Nd-0.2%Zn-0.4%Zr镁合金铸态显微组织及力学性能的影响。结果表明：在Mg-2%Nd-0.2%Zn-0.4%Zr镁合金中添加Y可以明显细化合金晶粒，其中加入6% Y时效果最佳；合金晶粒粒径由100 μm细化至35 μm。未添加稀土元素的Mg-2%Nd-0.2%Zn-0.4Zr铸态合金中主要存在Mg₁₂Nd相；加入稀土元素Y后，Nd和Y分别以Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅化合物形式存在，合金的力学性能得到提高。其中加入6%Y的合金综合力学性能最好，抗拉强度和屈服强度分别提高至245 MPa和150 MPa，而伸长率大幅提高至16%，较未加稀土元素Y的合金提高191%；当Y含量达到8%时，合金综合力学性能下降。

关键词：Y；Mg-Nd-Zn-Zr镁合金；显微组织；力学性能

中图分类号：TG146.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)06-2089-07

Microstructure and mechanical properties of as-cast Mg-2Nd-0.2Zn-0.4Zr-xY alloy

CHEN Wei, LIU Chu-ming, SU Zai-jun, SHU Xin

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The effects of Y addition on the microstructure and mechanical properties of Mg-2%Nd-0.2%Zn-0.4%Zr cast alloys were studied by optical microscopy(OM), scanning electron microscopy(SEM), X-ray diffractometry(XRD) and mechanical properties test. The results show that the grain size is greatly refined by the addition of Y. Especially, with the addition of 6% Y, the grain size is refined from 100 μm to 35 μm. The main phase of as-cast Mg-2%Nd-0.2%Zn-0.4%Zr alloy without addition of Y is Mg₁₂Nd, whereas, the element Nd and Y exist as Mg₄₁Nd₅ and Mg₂₄Y₅ in alloys containing Y. With the addition of Y, the mechanical properties of the alloys are enhanced. Especially, with the content of 6% Y, the alloy displays excellent mechanical properties, i.e. the tensile strength and yield strength are increased to 245 MPa and 150 MPa, respectively, and the elongation is greatly increased to 16%, which is increased by 191%, compared with the alloy without addition of Y. The mechanical properties of the alloy are descended when the content of Y reaches 8%.

Key words: Y; Mg-Nd-Zn-Zr magnesium alloy; microstructure; mechanical properties

镁合金是目前工业上可应用的最轻金属结构材料，具有质量小、比强度和比刚度高、导热减振性良好及易切削加工等优点，广泛应用于航天和航空工业等领域^[1-3]。目前，镁合金的强度及塑性较低是制约镁合金发展及应用的主要瓶颈之一，而添加稀土元素能有效地强化和净化合金，改善铸造性能，提高合金高温强度及塑性^[4-5]。Mg-Zn-Zr系合金是常用的变形镁合金，典型代表为含锌量较高的ZK60镁合金，但由于锌含量高，耐热性差，热裂倾向大，目前，国内外对于Mg-Zn-Zr系合金的研究大多都集中在含锌量较高的合金上^[6-7]，而对低锌含量的Mg-Zn-Zr合金的研究较少。对于铸造镁合金，当Zn含量(质量分数，下同)小于6%时，随着Zn含量的增大，合金的抗拉强度和屈服强度增加，而伸长率下降^[8]。YU等^[9]研究Nd对Mg-Zn-Zr系镁合金室温强度与塑性的影响时指出，添加稀土元素Nd能够使合金塑性得到较大幅度提高，同时强度也得到提高。20世纪80年代我国在低锌含量的Mg-Zn-Zr系统中通过添加稀土元素Nd，开发出稀土镁合金ZM6，因其具有良好的室温强度和高温性能而被广泛应用于航天航空领域^[10]，但稀土元素Nd在镁合金中的极限固溶度约为3.6%，在ZM6合金中Nd含量超过3.0%后合金强度不增反降，且塑性急剧下降^[11]。随着时代发展的需要，传统的ZM6合金已不能满足需要，发展性能更好和成本更低的镁合金成为现今镁合金的发展趋势。稀土元素Y是在镁中固溶度最大的元素之一，其极限固溶度约为12.5% ^[12]，其高固溶度使得合金易形成过饱和固溶体，起到很好的固溶强化作用。Peng等^[13]在研究Mg-8Gd-0.6Zr-xNd- yY(x+y=3%)合金时发现：增加Y含量能显著提高合金的塑性。目前国内外对Gd和Y在Mg-Zr系统中的研究很多^[14-15]，而对添加较高含量Y对低锌含量的Mg-Nd-Zn-Zr合金组织及性能的影响研究较少。为此，本研究选用Mg-2Nd-0.2Zn-0.4Zr合金为基体合金，探讨较高含量的Y对该合金铸态组织及性能的影响，尝试开发具有更优良性能的新型镁合金，以便为以后的工作提供实验依据。

1  实验

实验所用材料为纯镁(质量分数为99.96%)、纯锌(99.92%)、镁锆中间合金(30%Zr)和镁钇中间合金(31.72%Y)，设计合金成分见表1。合金熔炼在电阻坩埚炉中进行，熔炼时采用RJ-2覆盖剂，熔炼温度为770 ℃，待合金完全熔化后，静置15 min，在720 ℃浇入预热至200 ℃的铁模中，浇注成的合金铸锭的直径×高度为60 mm×130 mm。试样用苦味酸+乙酸+乙醇+水溶液浸蚀，采用POLYVAR MET型金相显微镜观察合金铸态显微组织；采用CSS-44100万能电子实验机进行力学性能测试，拉伸速率为2 mm/min；采用Sirion-200 型扫描电镜进行断口扫描和能谱分析；采用DPMax 2500型X线衍射仪对试样进行物相分析。

表1  合金化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of alloys     %

2  实验结果

2.1  Y对Mg-2Nd-0.2Zn-0.4Zr合金组织的影响

图1所示为各铸态合金的XRD衍射图谱。由图1可见：未加稀土元素Y的A合金主要由α-Mg和Mg₁₂Nd相组成；加入稀土元素Y后，合金中的第二相发生了改变，B，C和D合金主要由Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅等第二相化合物和α-Mg基体组成。由于Zr含量较低，且基本上溶入α-Mg基体中，故在XRD衍射图谱中未发现Zr的衍射峰。

图1  铸态合金XRD衍射图谱

Fig.1  XRD patterns of as-cast alloys

图2所示为铸态合金的光学显微组织。从图2可以看出：加入稀土元素Y后，合金的晶粒得到明显细化。其中合金A的原始粒径约为100 μm，加入稀土元素的B，C和D合金的平均晶粒粒径分别约为40，35和40 μm。可见加入稀土元素Y可以达到明显的晶粒细化效果，其中添加6% Y时的细化效果最佳。凝固过程中溶质再分配造成固液界面前沿成分过冷度增大是加入稀土元素Y细化合金晶粒的主要机理^[16]。此外，从图2可以看出：合金A晶界处有网状第二相化合物，晶内存在大量针状相；加入稀土元素Y后，合金B和C晶界处第二相化合物有所减少，而当Y含量达到8%时，合金D晶界第二相化合物明显增多而且粗化。

采用扫描电子显微镜对试验合金进行组织分析，结果如图3所示。图3(a)所示为合金A的SEM形貌，可以看出：A合金晶界处存在大量的粗大网状离异共晶化合物，晶内还有一些针状相呈触须状层叠排列；在合金B，C和D中，由于加入稀土元素Y，合金晶界处聚集了条块状的共晶组织，晶内发现球块状的稀土相(图3中所标识的B2，C2和D2)，其中在合金D晶界处还发现大量具有规则形状的方块状白色稀土相(图3中所标识D3)。通过对这些标识的位置进行EDS能谱检测分析，结果(如表2)表明：在合金Ａ晶界处的相中含大量的Mg, 少量的Nd和Zn，根据其中各元素比例，可认为A1相是含Zn的Mg₁₂Nd固溶体，其化学成分一般可表示为Mg₁₂(Nd_xZn_1-x)；添加稀土元素Ｙ后，各合金中的共晶相B1，C1和D1中的各元素比例相互接近，并对合金D中的共晶相进行线扫描分析，如图4所示，可知Nd和Zn主要分布在晶界，在晶内分布极少，而Y在晶界处富集不明显，只是略比晶内的高，Zr则大多溶于基体内，结合XRD分析，可认为共晶相B1，C1和D1为溶解了部分Y和Zn的Mg₄₁Nd₅相；合金B，C和D中晶内球块状相B2，C2和D2主要含Mg和少量稀土元素，根据EDS中各元素比例，可能为Antion等^[17-18]在研究WE43合金时所报道的Mg₁₂RE相(RE由多种稀土元素共同组成)；而合金D中具有规则形状的方块状相D3，其质点成分与Liu等^[19]所研究的Mg-7Y-4Gd-1.5Zn-0.4Zr合金中的方块相成份相近。对于其具体成分和结构有很多种说法，通常认为其组成可表示为Mg₂₄RE₅，其中RE在该合金中主要是Y，这也验证了XRD测试的结果。

图2  试验合金的光学显微组织

Fig.2  Optical microstructures of tested alloys

图3  铸态合金显微组织SEM形貌及EDS能谱分析位置

Fig.3  SEM images of as-cast alloys and position of EDS

表2  图3中各点的EDS结果

Table 2  EDS results of point marked in Fig.3

2.2  Y对Mg-2Nd-0.2Zn-0.4Zr合金力学性能的影响

图5所示为各合金铸态的室温力学性能。由图5可见：当稀土元素Y的含量为4%和6%时，合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率都逐渐升高，且当Y元素含量为6%时，合金表现出最佳的综合力学性能，其中抗拉强度和屈服强度分别为245 MPa和150 MPa，伸长率高达16%，较未加入稀土元素Y的合金A分别提高了39%，29%和191%。但当Y元素含量为8%时，合金的综合力学性能下降。

各合金拉伸断口SEM形貌如图6所示。由于镁合金具有密排六方晶体结构，对称性低，其c/a为1.623，接近理想的密排c/a为1.633，室温滑移系少，其断裂行为一般是解理断裂或准解理断裂，加入稀土元素能改变这种断裂模式。由图6可知：合金A的断口可看到明显的晶粒界面和一些解理小刻面，表现为典型的脆性断裂。合金B和C的断口具有大量的撕裂棱，属于准解理断裂，且合金C的断口出现因塑性变形形成的韧窝，部分韧窝内还含有破碎的第二相粒子，说明其断裂方式接近韧窝断裂。合金D的断口有大量呈阶梯状的解理台，且存在平整光滑的解理面。图7所示为合金D拉伸试样断口纵截面的光学显微组织。可以看出：其断面为明显的穿晶断裂，并且在晶界与第二相界面处存在明显的二次裂纹。由此可推断合金的塑性由好到差的顺序为合金C、合金B、合金A和合金D，这与力学性能测试的结果一致。

图4  合金D元素成分线扫描

Fig.4  Line scanning of alloy D

图5  试验合金的力学性能

Fig.5  Tensile properties of tested alloys

图6  试验合金的断口形貌

Fig.6  Fractographs of tensile fracture of tested alloys

图7  合金D断口纵截面的光学显微组织

Fig.7  Longitudinal section fracture optical microstructure of alloy D

3  分析与讨论

力学性能测试结果显示：加入稀土元素Y后，合金的力学性明显改善，其中加入6% Y后，合金的综合力学性能最佳，其抗拉强度达到245 MPa，伸长率高达16%。稀土元素Y是在镁中固溶度最大的元素之一，在镁合金中有净化和强化作用，在一定范围内，随着Y含量的增加，合金的塑性也随之提高^[20]。加入稀土元素Y后，因为Y元素的高固溶度使得合金易形成过饱和固溶体，形成固溶强化，从而使合金的抗拉强度和屈服强度明显提高。另外，加入高熔点稀土元素Y后，合金在凝固过程中能获得更多的结晶核心，从而使合金组织明显细化，晶粒度减小。由Hall-Petch关系式^[21]：σ_s=σ₀+K·d^-1/2可知：在一定条件下，晶粒粒径减小，合金的屈服强度提高，其相应的抗拉强度也明显提高。晶粒细化在提高合金强度的同时也提高合金的塑性，这是因为晶粒细小时，塞积在晶界的位错群所产生的应力场容易影响相邻晶粒，也就容易启动相邻晶粒的位错源而产生协调变形，使变形不均匀程度减小。因此，细晶粒变形比较均匀，可获得较大的变形量，伸长率较高。

由于镁合金具有密排六方结构，其断裂方式通常为解理断裂或准解理断裂，加入稀土元素能改变这种模式。未加稀土元素的合金断口可以看到明显的晶粒界面和一些解理小刻面，属于脆性断裂；加入稀土元素Y后，合金的断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变，当Y含量为6%时，合金的断口出现大量的撕裂棱和韧窝，部分韧窝内还存在破碎的第二相粒子，说明其断裂方式接近韧窝断裂，这对合金塑性的提高起到了重要的作用。对于Mg-Y二元合金而言，当Y含量达到8% 时，Mg-Y合金就会由韧性断裂转变为脆性断裂^[22]。随着Y含量的进一步增加，当Y含量为8%时，晶界共晶相数量明显增多，形态粗大，连接成不连续的网状结构，这增强了对基体的割裂作用，裂纹易在这些共晶相与基体的界面间产生，合金断口又表现为解理断裂，这是当Y含量为8%时，合金抗拉强度和伸长率明显下降的主要原因。

4  结论

(1) 在Mg-Nd-Zn-Zr铸态镁合金中添加稀土元素Y，晶粒细化明显，其中加入6% Y的合金晶粒细化效果最佳，合金的平均晶粒粒径由原来的100 μm细化至35 μm。

(2) 在Mg-Nd-Zn-Zr铸态镁合金中添加稀土元素Y后，合金的力学性能得到提高，其中加入6% Y的合金综合力学性能最佳，其抗拉强度和屈服强度分别提高至245 MPa和150 MPa，伸长率大幅提高至16%，较原始合金提高191%。

(3) 未加稀土元素Y的Mg-Nd-Zn-Zr合金主要存在共晶相Mg₁₂Nd，加入稀土元素Y后，Nd和Y主要以Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅化合物形式存在于铸态组织中；当Y含量为8%时，合金脆性化，晶界处共晶相变得粗大，对基体割裂作用增强，合金综合力学性能下降。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-06-05；修回日期：2011-08-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074186)；中南大学贵重仪器设备开放共享基金资助(2011)

通信作者：刘楚明(1960-)，男，湖南张家界人，博士，教授，从事有色金属材料性能、组织及加工工艺研究；电话：0731-88877502；E-mail：cmliu@csu.edu.cn