稀土釔（Y）對(duì)Al—5Mg合金鍛造性能的影響研究

袁慧羚　易榮喜　郭平　潘曉亮　曾希

摘要：制備含不同量稀土元素釔（Y）的Al-5Mg合金，采用金相顯微鏡觀察合金的微觀組織，研究了稀土（Y）對(duì)Al-5Mg合金鍛造工藝對(duì)組織性能的影響，采用萬(wàn)能電子拉伸機(jī)測(cè)試合金的拉伸力學(xué)性能，研究了稀土（Y）對(duì)Al-5Mg合金的力學(xué)性能的影響。

關(guān)鍵字：稀土元素釔（Y）；Al-5Mg；組織性能；力學(xué)性能

鑄錠組織的純凈化、細(xì)晶化和均質(zhì)化是提高合金綜合性能的基礎(chǔ)。稀土在這些方面的作用尤為顯著。稀土在鋁合金中的存在形式和細(xì)化機(jī)理一直是稀土鋁合金的一個(gè)主要研究范疇。以往的研究表明，稀土元素能有效減少鋁合金的枝晶間距，但能起細(xì)化作用的稀土卻很少。本文的原料為純度大于99.9%的鋁錠和鎂錠，在SG-3-10型3KW井式電阻爐內(nèi)進(jìn)行合金熔煉，獲得Al-5Mg合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：5Mg，余量為Al。合金的凝固區(qū)間為590～635℃[1]。通過(guò)加入不同的Y含量，分別制備試驗(yàn)合金，采用金相顯微鏡觀察合金的微觀組織，研究了稀土（Y）對(duì)Al-5Mg合金鍛造工藝對(duì)組織性能的影響，采用萬(wàn)能電子拉伸機(jī)測(cè)試合金的拉伸力學(xué)性能，研究了稀土（Y）對(duì)Al-5Mg合金的力學(xué)性能的影響。

1.稀土釔（Y）對(duì)Al-5Mg合金鍛造工藝對(duì)組織性能的影響

Al-5Mg合金的晶粒（枝晶網(wǎng)胞）很粗大，在枝晶間分布著一些化合物；Al-5Mg+0.1%Y合金晶粒尺寸變化不大，但枝晶間距有所減少；Al-5Mg+0.5%Y合金晶粒明顯細(xì)化，但還存在一些枝晶；而與Al-5Mg合金相比，Al-5Mg+0.8%Y合金的晶粒細(xì)化了10倍以上，且其枝晶組織也已基本消除[2]。由此可見(jiàn)，Y的加入可不同程度地細(xì)化鑄態(tài)晶粒，當(dāng)Y的添加量低于0.5%時(shí)，細(xì)化效果不明顯；當(dāng)Y含量為0.5%及以上時(shí)，Al-5Mg合金得到比較明顯的細(xì)化。

由于Al-5Mg+0.5%Y合金冷軋前的原始晶粒比Al-5Mg合金細(xì)小一些，所以Al-5Mg+0.5%Y合金的冷軋態(tài)纖維狀組織也更為細(xì)密[3]。結(jié)合Y對(duì)合金鑄態(tài)及熱軋態(tài)顯微組織的影響，可以進(jìn)一步推斷：隨Y含量升高，合金冷軋態(tài)纖維組織越細(xì)密，因此其冷變形儲(chǔ)能越高，在隨后的退火過(guò)程中也就更容易發(fā)生再結(jié)晶，這從另一方面說(shuō)明了隨Y含量升高，其抑制合金再結(jié)晶能力減弱的原因。

2.稀土釔（Y）對(duì)Al-5Mg合金鍛造工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

不同稀土Y含量對(duì)Al-5Mg合金室溫及高溫（260℃）拉伸力學(xué)性能的影響如表1所示。

從表1可以看出，隨著Y含量從0%增加到0.5%，合金室溫性能提高，但繼續(xù)增加為0.8%時(shí)，合金室溫性能則下降。加入0.5%Y時(shí)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度為298MPa，比不加Y的抗拉強(qiáng)度提高了38MPa，提高幅度超過(guò)14.6%；合金的室溫硬度從HB60.1增加為HB70.2，提高幅度達(dá)16.8%；合金的延伸率則從10.2%提高到13.3%，提高幅度超過(guò)30.4%，對(duì)合金性能的提高效果最佳[4]。同樣，稀土Y的加入也提高了Al-5Mg合金的高溫（260℃）力學(xué)性能，其對(duì)合金高溫抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響與室溫時(shí)大致相同。當(dāng)加入0.5%Y時(shí)，合金的高溫抗拉強(qiáng)度為168.6Mpa，比Al-5Mg合金的高溫抗拉強(qiáng)度89.5MPa 提高了79.1MPa，提高幅度達(dá)88.4%；合金的延伸率則從7.2%增加為9.6%，增加幅度達(dá)33.3%[5]。

稀土Y之所以能使合金力學(xué)性能提高的主要原因有三點(diǎn)：首先，Y對(duì)合金中α-Mg基體相良好的細(xì)化作用，如上節(jié)所分析，即Y對(duì)合金起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用；其次，由于Y在鎂中的溶解度較大，溶后的間隙式固溶原子造成大量非球形對(duì)稱畸變，產(chǎn)生比加入其他稀土元素更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果， 即Y對(duì)合金起到固溶強(qiáng)化的作用；第三，化合物硬化相的生成，對(duì)合金基體起到了第二相強(qiáng)化作用。因此使得合金的力學(xué)性能有所改善。由于以上三種強(qiáng)化機(jī)制共同作用，使合金的室溫和高溫力學(xué)性能都得到顯著提高，當(dāng)稀土Y的加入量低于0.5%時(shí)，隨稀土含量的增大，力學(xué)性能逐漸提高[6]。但是，當(dāng)Y含量繼續(xù)增加為0.8%時(shí)，由于在Y含量較多的鎂合金中，在凝固的初期就已經(jīng)形成鋁和稀土的化合物，其在液相中的生長(zhǎng)阻力會(huì)更小，在數(shù)量較多的情況下更容易結(jié)合，聚集成團(tuán)，凝固速度越慢的地方，這些顆粒越容易長(zhǎng)大，組織也越不均勻，拉伸過(guò)程中在Al2Y3相周圍產(chǎn)生應(yīng)力的集中，促進(jìn)顯微空洞的萌生和擴(kuò)展，并且這些尺寸較大的顆粒會(huì)提高合金熔液的黏度，從而造成合金熔液流動(dòng)性下降，也在一定程度上降低了合金的力學(xué)性能[7]。粗大的鋁和稀土的化合物顆粒在晶界處和枝晶間分布，可以加速裂紋的擴(kuò)展，惡化力學(xué)性能，導(dǎo)致室溫及高溫力學(xué)性能的下降。

3.結(jié)論

在Al-5Mg合金中加入稀土元素釔（Y）可以有效地細(xì)化晶粒，減少枝晶間距，當(dāng)Y含量達(dá)0.8%時(shí)，枝晶結(jié)構(gòu)消除，完全成為等軸晶。Y對(duì)Al-5Mg合金具有明顯的強(qiáng)化作用。加入0.5%Y可使Al-5Mg合金在室溫和高溫的抗拉強(qiáng)度分別提高38MPa和79.1MPa，但添加0.8%Y時(shí)，強(qiáng)度沒(méi)有繼續(xù)提高，而塑性明顯下降。稀土元素Y的加入，可以達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的雙重效果，使鑄態(tài)的硬度得到顯著提高。

參考文獻(xiàn)

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