稀土元素Sm对Mg-Zn-Y合金组织结构和力学性能的影响

赵永成 颜世宏 李宗安 庞思明 陈德宏 成维

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心有研稀土新材料股份有限公司

摘 要：

制备了Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr-xSm(x=0,1,2,3)系列合金,研究了稀土元素Sm对Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr合金组织结构和力学性能的影响。通过金相显微镜、扫描电镜、EDS、XRD等观察和分析了合金的微观形貌和组织结构,测量了合金抗拉强度、屈服强度和伸长率等力学性能。结果表明:合金中添加稀土元素Sm后晶粒有了明显的细化,随着Sm元素含量的增加,晶粒细化效果更为明显;通过XRD分析,添加Sm元素后,合金中并没有出现新的含Sm的物相,通过扫描电镜和EDS分析表明,合金中加入的Sm置换了部分Y,形成了Mg3(SmY)2Zn3,Mg3(SmY)Zn6的相结构,Sm元素对Y的置换主要出现在Mg3(SmY)Zn6结构当中,在Mg3(SmY)Zn6相结构出现较少;力学性能测试结果表明,随着Sm含量增多,合金晶粒细化,细晶强化作用明显,合金屈服强度逐渐增大,而抗拉强度和伸长率在Sm含量为2%时达到最大,比未添加Sm元素时提高约15%以上。

关键词：

镁合金;稀土元素Sm;微观组织;力学性能;

中图分类号： TG146.22

作者简介：赵永成(1987-),男,宁夏人,硕士研究生;研究方向:高性能镁合金;颜世宏(E-mail:yanh26@sina.com);

收稿日期：2011-02-25

Influence of Sm on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-Zn-Y Alloys

Abstract：

The Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr-xSm(x=0,1,2,3) series alloys were prepared and the influence of Sm on microstructure and properties of Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr alloys was investigated.The morphology and microstructure of the alloy were researched through microscope,SEM,EDS and XRD methods.The mechanical properties such as ultimate tensile strength(UTS),yield strength(YS) and elongation(EL) were measured.The results showed that Sm could refine as-cast microstructure of Mg-Zn-Y alloy and refinement effect was more apparent when the content of Sm was increased.The phase contained Sm was not found during XRD analysis and it was found that some Y was replaced by Sm and recreated new phase structure like Mg3(SmY)2Zn3 and Mg3(SmY)Zn6 in the alloy.Sm replaced Y mainly in Mg3(SmY)2Zn3 phase structure and rarely existed in Mg3(SmY)Zn6 phase structure.The results of mechanic property test showed that the refined grains caused refinement effect,and the YS of the alloy increased slowly as the content of Sm increasing.The UTS and EL both reached maximum when the content of Sm was 2%,which increased about 15% compare to the alloy has none samarium.

Keyword：

magnesium alloy; rare earth metal Sm; microstructure; mechanical properties;

Received： 2011-02-25

镁合金由于其密度低、 强度高、 耐热性好等特点已经成为汽车材料未来发展的主要方向之一 ^[1,2] , 是世界各国航空、 航天等领域必不可少的结构材料 ^[3] 。 虽然镁合金的强度、 弹性模量比铝合金、 合金钢低, 但其比强度明显高于铝合金和钢, 比刚度则与铝合金和钢大致相同 ^[4] , 成为继钢铁、 铝之后第三大金属工程材料。

Mg-Zn-Y系合金是重要的应用镁合金系列之一, 具有良好的使用强度和高温力学性能, 广泛应用于飞机和汽车的发动机、 齿轮箱壳体上 ^[5] 。 在Mg-Zn系合金中加入少量的稀土元素Y可以提高镁合金在室温和高温下的机械性能, 同时可改善其抗腐蚀性能 ^[6,7] , Y可以在镁合金中析出强化相 ^[8] , 在Mg-Zn-Y合金中的主要相组成为: Z相(Mg₃YZn₆)、 W相(Mg₃Y₂Zn₃)和X相(Mg₁₂YZn) ^[9,10,11,12] 。 Sm是Ce族稀土元素里在镁基体中固溶度最大的元素, 并且在熔炼浇铸过程中固溶度随温度降低而降低, 具有比Nd更高的固溶强化和析出强化效果 ^[13] 。 经过时效处理后Mg-Sm合金具有比Mg-Nd合金更好的力学性能 ^[14] 。 然而, 关于Sm元素对Mg-Zn-Y系列镁合金的强化作用及强化机制尚未做深入研究。 本文在Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr合金中添加Sm元素制备了Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr-xSm(x=0, 1, 2, 3)系列合金, 研究了稀土Sm元素对Mg-Zn-Y合金微观结构及性能的影响。

1 实 验

制备合金所用原材料为: 纯镁锭、 镁锆中间合金、 镁钇中间合金、 锌棒、 镁钐中间合金, 其中中间合金成分见表1。

熔炼合金具体成分配比见表2。

合金采用中频炉在氩气保护下熔炼。 将配好的原材料放入不锈钢坩埚中, 升温至780～800 ℃, 观测到合金完全熔化, 合金液表面发亮时保温3 min, 浇铸至底注式铸模中, 自然冷却。 铸模材质为铸铁。

浇铸得到的合金用线切割切出小块试样, 用车床加工成Φ5 mm的标准拉伸试样, 用MTS810电液伺服材料试验机测试拉伸性能(拉伸试样设计依据:GB/T228-2002金属材料室温拉伸实验方法); 从合金的中部切割取样, 经打磨、 抛光后, 在MeF₃金相显微镜下进行微观组织结构的观察, 实验使用的浸蚀剂为4%的硝酸酒精溶液; 使用JSM-6510扫描电镜及能谱仪观察合金显微组织并进行合金成分辅助分析; 合金中物相在D/Max-2400型X射线衍射仪进行衍射相分析, 实验条件为: Cu靶Kα线, 电压为40 kV, 测量角度误差小于0.020(°), 试样截取自浇注试样中部表面磨平。

表1 镁中间合金成分比例表(%, 质量分数)

Table 1Proportion of ingredients in magnesium intermediate alloy(%, mass fraction)

Intermediate alloy	MgZr(Zr)	MgSm(Sm)	MgY(Y)
Alloying element content/%	30.10	29.77	71.47

表2 试验合金化学成分(%, 质量分数)

Table 2Chemical composition of test alloys(%, mass fraction)

Test alloys	Mg	Zn	Zr	Y	Sm
MS00	Bal.	6	0.8	1.5	0
MS01	Bal.	6	0.8	1.5	1
MS02	Bal.	6	0.8	1.5	2
MS03	Bal.	6	0.8	1.5	3

2 结果与讨论

2.1 物相组织分析

对各个合金样品进行XRD分析, X射线衍射图谱对比如图1。

由XRD分析可以看出, 未添加稀土元素Sm时, 合金中主要物相为: α-Mg, Mg_0.97Zn_0.03, Mg₃Y₂Zn₃, Mg₃YZn₆和Mg₁₂YZn, 添加稀土Sm元素后, 合金中的主要物相结构并未发生改变, Sm元素并未与合金中的其他元素形成单独的物相, 主要的物相结构仍为α-Mg, Mg₃Y₂Zn₃, Mg₃YZn₆。

2.2 试样显微组织结构分析

对4个合金试样分别进行金相观察, 其组织结构对比如图2。 根据凝固原理和Mg-Y, Mg-Sm ^[15] 相图可知, 溶质元素Y, Sm原子的平衡分配系数K<1, 凝固过程中二次析出相为非平衡共晶组织, 因此Y和Sm原子被排挤到固液界面附近, 富集在已结晶的a-Mg表面 ^[16] , 凝固后偏聚在晶界处, 可以观察到在晶界上分布着网状化合物。 另外Sm的加入会导致固液界面前沿产生成分过冷 ^[17] , 使得形核率提高且大于长大速率, 从而使合金的晶粒逐渐细化。 通过对比可以看出, 随着Sm含量从1%增加到3%, MS01号合金晶界不连续且晶粒粗大, MS02号合金晶界处共晶组织析出开始增多, 到MS03号合金晶粒有所细化, 并且在晶界上析出大量的共晶组织。

图1 MS系列合金XRD分析对比图

Fig.1 X-ray diffraction analysis and comparison of MS series alloys

图2 MS系列合金显微铸态组织

Fig.2 Microstructure of MS series as cast alloys

(a) MS00; (b) MS01; (c) MS02; (d) MS03

通过扫描电镜观察不同试样中的微观结构, 对不同的析出相进行EDS扫描。 在MS00号合金当中, 主要析出相如图3中的A, B, C 3种情况, 各点的元素成分EDS分析结果如表3。

根据文献 [ 18] , Mg-Zn-Y合金中的相组成与合金中的Zn/Y有很大的关系。 Z相(Mg₃YZn₆)含Zn量最高, 当合金中Zn/Y原子比大于等于6时易形成。 W相(Mg₃Y₂Zn₃)含Zn量较Z相要低, 当合金中Zn/Y原子比在1～6之间时易形成W相。 当合金中Zn/Y原子比小于1时易形成X相(Mg₁₂YZn)。 据此可以判断出在A点处是合金液最初冷却时在晶界形成的共晶相, 成分主要是α-Mg+Mg₃Y₂Zn₃; 继续冷却过程中, 多余的含Zn合金液体在晶界边缘(B点处)二次析出的共晶相, 主要相成分是α-Mg+Mg₃Y₂Zn₃+Mg₃YZn₆; 同时在镁基体内部(C点处)析出块状的Z相: Mg₃YZn₆。

图3 MS00号合金扫描电镜照片

Fig.3 SEM photo of MS00 alloy

表3 图3中不同点处物相的元素组成(%, 原子分数)

Table 3Elemental composition of different phases in Fig.3(%, atom fraction)

Element	A	B	C
Mg	82.68	65.79	47.73
Y	06.63	9.86	06.76
Zn	10.69	23.35	45.51
Zn/Y	1.6	2.4	6.7

在MS00合金成分基础上添加不同比例的Sm元素后, 直接观察合金的微观结构并未发生大的改变, XRD分析结果也显示合金中并未出现新的物相结构。 但从EDS分析中可以发现: Sm元素的添加使得合金中的物相成分有了一定的改变。 Sm和Mg的原子半径相差不大(Mg 1.60×10^-10 m, Sm 1.79×10^-10 m) ^[19] 。 从表4中计算Zn/(SmY)的值可以发现, 添加Sm元素后, 图4中A系列点(鱼骨状共晶组织)和B系列点(块状析出相)处的Zn/(SmY)的值与未添加Sm时图3中所对应A, B点处Zn/Y的值很接近, Sm原子置换了部分Y原子形成了类似Mg₃(YSm)₂Zn₃, Mg₃(YSm)Zn₆的结构。

从图4和表4中的元素分布可以看出, 在MS00基础上添加Sm之后, 在鱼骨状的共晶组织中(图中A₁～A₄点处), Sm元素的含量较少, 只有少量的Y元素替代为Sm元素; 而在基体中析出的块状Z相组织中(图4中B₁～B₄点处), Sm元素对Y的替代量较多, 并且随着Sm元素加入量的增多, Z相中的Sm含量逐渐增多。

2.3 力学性能测试

对合金样品进行标准拉伸试验, 其力学性能对比见图5。 纵坐标所表示的分别是不同编号合金的抗拉强度(Strength)和延伸率(Elongation)的变化情况。

图4 MS系列合金的扫描电镜照片

Fig.4 SEM photos of MS series alloys

(a) MS00; (b) MS01; (c) MS02; (d) MS03

表4 图4中不同点处物相的元素组成(%, 原子分数)

Table 4 Elemental composition of different phases in Fig.4(%, atom fraction)

Element	A1	B1	A2	B2	A3	B3	A4	B4
Mg	82.22	46.04	83.18	22.21	79.14	17.83	66.82	20.76
Y	03.69	03.76	02.59	03.26	03.95	03.31	05.64	03.34
Sm	02.64	04.69	03.55	08.77	04.24	09.14	07.19	09.44
Zn	11.45	44.51	10.69	65.27	12.67	69.72	20.34	66.46
Zn/(SmY)	1.80	5.40	1.70	5.80	1.60	5.60	1.60	5.20

图5 MS系列合金拉伸试验结果对比图

Fig.5 Result of tension test for MS series alloys

通过图5可以看出, MS02号合金的力学性能较好, 最大抗拉强度和伸长率相对其他样品都是最高的, 这是因为随着Sm元素的加入, 一方面Sm元素起到细晶强化作用, 另一方面Sm替代出得Y元素越多, 析出的强化相Mg₃(SmY)Zn₆越多, 起到了析出强化作用, 从而使得合金力学性能得到提高; 而随着Sm元素的继续添加, MS03号合金晶粒粗化严重, 导致力学性能变差, 从图5中也可以看出MS03号合金的最大抗拉强度和伸长率值都出现了下降。 屈服强度随着Sm元素含量的增加呈现出缓慢递增的趋势。

从图3金相照片可以观察得到随着Sm元素的添加合金晶粒出现明显的细化, 产生细晶强化效果, 因此MS01和MS02号合金的力学性能有所提升。 Sm元素含量进一步增加后, 在MS03号合金晶界上析出大量共晶组织, 通过EDS分析可以确定晶界上的共晶组织主要为Mg₃(YSm)₂Zn₃, Mg₃(YSm)Zn₆。 而当Sm元素添加量为3%时, 从图3可以看出晶界明显粗化, 大量析出的晶界共晶组织容易造成受力过程晶界滑移, 削弱了合金的力学性能。 通过试验分析得出Sm添加量在2%时所制备合金力学性能最佳。

3 结 论

1. 在Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr合金中添加Sm元素后, 合金晶粒有明显的细化现象, 并且Sm元素添加越多, 晶粒细化效果越明显。

2. Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr合金中主要物相成分由α-Mg, Mg₃Y₂Zn₃, Mg₃YZn₆组成, 添加Sm元素后, Sm替代部分Y, 形成Mg₃(SmY)₂Zn₃, Mg₃(SmY)Zn₆的相结构, 并且Sm元素对Y的置换主要出现在Z相(Mg₃(SmY)Zn₆)结构当中, 在鱼骨状的共晶相W相(Mg₃(SmY)₂Zn₃)结构中Sm元素含量较少。

3. Sm的添加量对合金力学性能有一定的影响, 在Sm添加量为2%时合金的最大抗拉强度和伸长率都达到最高。

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