稀土元素Gd、Ce對AZ31鎂合金的硬化行為

李 娜， 韓利強(qiáng)

（1.太原理工大學(xué)材料工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)公司，山西 大同 037003）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

稀土元素Gd、Ce對AZ31鎂合金的硬化行為

李 娜1，2， 韓利強(qiáng)2

（1.太原理工大學(xué)材料工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)公司，山西 大同 037003）

將變形AZ31鎂合金作為研究對象，研究了將不同含量的元素Gd和Ce加入該合金模型之后形成的AZ31-8Re鎂合金的力學(xué)性能和鑄態(tài)組織等特性以及鎂合金的金相微觀組織和力學(xué)性能，系統(tǒng)地比較了不同含量的稀土元素對鎂合金力學(xué)性能的影響，探討了稀土元素Gd和Ce對AZ31變形鎂合金的金相組織的影響以及對其的時效硬化行為。

AZ3l鎂合金 稀土元素Gd、Ce 顯微組織 顯微硬度

鎂元素是地球上儲藏量極為豐富的元素之一，也是在許多高科技工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛、結(jié)構(gòu)最輕的金屬，鎂合金有許多良好的特性，例如導(dǎo)電性能突出、電磁屏蔽性能好、阻尼減震、比強(qiáng)度和比剛度高、易加工成形、導(dǎo)熱性能優(yōu)良和易于回收等?；谏鲜霰姸鄡?yōu)點(diǎn)，相關(guān)變形鎂合金產(chǎn)品的加工與相關(guān)衍生產(chǎn)品的研發(fā)能力已被視為一項(xiàng)評價一個國家有色金屬加工水平的重要標(biāo)志［1-2］。變形鎂合金具有更優(yōu)良的綜合性能，更適合制作大型結(jié)構(gòu)件，滿足多樣化的要求。

鎂沒有磁性且具有良好的能量吸收特性，兼具優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性與良好的能量吸收特性，此外還具有良好的抗震性能。作為較容易加工成形的金屬，加工鎂的成本很低，用市面常見的廉價切削工具即可加工出精度較高的工件［3-8］。鎂合金擁有良好的可焊接性能，鎂合金壓鑄件的使用壽命要優(yōu)于鋁合金，正是由于壓鑄技術(shù)的發(fā)展才使得一些難以鑄造的薄壁鑄件得以問世。但是鎂合金由于自身的六方晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其塑性差、變形加工難度系數(shù)大而無法被廣泛使用［9-10］。

本研究通過運(yùn)用合金化的方式來達(dá)到改善鎂合金組織結(jié)構(gòu)和提高其相關(guān)性能的目的，也就是說通過在鎂合金中添加其他元素來細(xì)化合金的基體相，進(jìn)而達(dá)到改善脆性化合物雜質(zhì)等第二相的形貌以及分布，從而提高鎂合金的使用性能。稀土元素（RE）由于具有較大的原子半徑這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，其原子半徑與Mg相差15%以下，在室溫條件下，呈密堆六方結(jié)構(gòu)；且由于Mg-RE的亞穩(wěn)定相為超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，與Mg基體能夠形成共格/半共格關(guān)系。由于RE溶于Mg熔體后能夠引起合金基體的電子云密度變化，這樣就為減慢原子擴(kuò)散速率和提高原子與原子之間的結(jié)合力而提供了相應(yīng)的熱力學(xué)基礎(chǔ)。因此本論文通過添加適量的RE來改善提AZ31鎂合金的加工成形性和力學(xué)性能。具體為添加不同含量的稀土元素Gd和Ce，制成五種不同含量的鑄態(tài)合金，用金相顯微鏡（OM）和時效硬度等測試手段，對合金的顯微組織演變進(jìn)行表征，探討不同Gd和Ce含量的AZ31鎂合金的時效硬化行為。

1 實(shí)驗(yàn)方法

Mg-Al系變形鎂合金屬于中等強(qiáng)度塑性較高的變形材料，本實(shí)驗(yàn)采用代表性合金之一的AZ31鎂合金。在熔煉合金過程中，使用的原料如Mg、Al、Zn等均采用鎂錠（99.95%）、工業(yè)純鋁錠（99.90%）和工業(yè)鋅錠（99.95%），稀土元素選擇Gd和Ce元素，Gd以Mg-30%Gd中間合金為原料，Ce以純Ce為添加合金。用托盤天平稱量制備不同含量的合金，并注意防止雜質(zhì)進(jìn)入溶液中。制備后Mg、Mn、Al等常量元素的含量由火花原子放射光譜儀（SPARKLAB）測定，用等離子體光譜儀IRIS IntrepidⅡ（ICP）測定Re元素的含量，測定結(jié)果如下頁表1所示。

使用OM觀察和拍攝試樣金相組織的微觀結(jié)構(gòu)；硬度檢測過程在HVS-1000A型（載荷50 gf、加載時間30 s）硬度計(jì)上進(jìn)行，測定規(guī)定時間后合金的顯微硬度。

表1 測定結(jié)果 %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織結(jié)果（見圖1）

圖1 合金顯微組織圖

2.2 合金硬度的測量結(jié)果

硬度測試在HVS-1000A型（載荷50 gf、加載時間30 s）硬度計(jì)上檢測，合金硬度的測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 合金硬度的測量結(jié)果

3 分析與討論

通過顯微組織觀察可知，稀土Gd和Ce的加入細(xì)化了AZ31鎂合金的組織。這是由于加入了稀土元素Gd、Ce后，元素間形成化合物的難易程度發(fā)生了改變，更易形成化合物［11］。由稀土Ce與鋁在晶界處析出的Ce-Al相能夠阻止α-Mg基向外部生長，并會造成晶界處Al含量的減少，從而阻礙了β-Mg17Al12相的形成，因而減少了β相，同時減小了晶粒尺寸，最終起到了細(xì)化晶粒的作用。

加入稀土元素Ce與Gd后，AZ31鎂合金的組織發(fā)生了以下變化：其組織更加細(xì)化，生成了新相Al4Ce、Al2Gd，β相分布范圍變大且β相的析出量相對減少。這種變化首先是由于新加入的稀土元素Ce與Gd產(chǎn)生了有效的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，另外，也是Ce、 Gd與Al相互作用形成的新相與Gd、Ce本身的抑制晶粒長大作用的結(jié)果。

用HVS-1000A型（載荷50 gf、加載時間30 s）硬度計(jì)對每個樣品進(jìn)行測定，在每個樣品上的不同地方進(jìn)行3～5次打點(diǎn)測試，記錄各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并處理數(shù)據(jù)，通過對每個樣品的數(shù)據(jù)求平均值，算出各個樣品的維氏硬度值，以m（Gd）/m（Ce）為橫坐標(biāo)，樣品的硬度值為縱坐標(biāo)，用origin軟件作出AZ31-8Re合金的硬度與m（Gd）/m（Ce）的關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 合金的硬度隨m（Gd）/m（Ce）變化的關(guān)系圖

由圖3可知，隨著m（Gd）/m（Ce）值的增大，AZ31合金的硬度都先增大后減小，其中當(dāng)鎂合金為AZ31-7.5Gd-0.5Ce時，合金硬度達(dá)到最大值91.35449，這比不加任何稀土元素的AZ31鎂合金的硬度提高了很多。因此，7.5Gd-0.5Ce的稀土配比最大程度地改善了AZ31鎂合金的硬度。

金屬塑性是由硬度指標(biāo)來衡量的，金屬塑性變形抗力隨硬度值的增大而增大，其塑性變形能力則會隨之變差，合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化在一定程度上也取決于硬度，在添加了稀土元素Gd和Ce后，AZ31合金的第二相分布變得更加彌散，原本連續(xù)在一起的第二相被打散成斷開的網(wǎng)狀，這樣更方便提高其硬度［12］。另一方面，加入Gd和Ce后會減少第二相的析出，生成的Al2Gd相是比第二相更硬的稀土化合物，它對合金的強(qiáng)化作用更強(qiáng)，進(jìn)而使得合金的顯微硬度得到提高。

4 結(jié)論

1）不同含量的Gd和Ce的添加可以提高α-Mg晶核形核率，并因在一定條件下隨著對添加量的增多而阻礙了Mg、Al原子的擴(kuò)散，枝晶不能充分地補(bǔ)充Mg原子而放慢長大速度，粗大的β-Mgl7A112相逐步斷開成為細(xì)小的彌散顆粒狀，使得晶界得以細(xì)化，進(jìn)而細(xì)化了AZ31合金組織［13］。

2）Gd和Ce對AZ31鎂合金硬度的影響：Gd和Ce添加后析出的硬而脆的稀土化合物A12Gd和Al4Ce，其數(shù)量隨Gd含量的增加而增加，尺寸增大，而且由于其具有高穩(wěn)定性，可以在合金組織中均勻分布，進(jìn)而使合金硬度得到增強(qiáng)；Gd的固溶度在鎂合金基體中較高，部分Gd固溶后溶于基體，產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化，造成的晶格畸變硬化了合金基體，從而提高了合金的硬度。Gd和Ce對AZ31合金硬度的影響是通過“析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化來”實(shí)現(xiàn)的。

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（編輯：胡玉香）

The Hardening Behavior of Gd、Ce and AZ31 Rare Earth Elements on Magnesium Alloy

LI Na，HAN Liqiang
（1.College of Material Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 037000；2.Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong Shanxi 037003）

Taking AZ31 magnesium alloys for the study，in which the basis of added varying amounts of rare earth elements Gd and Ce，this paper studies cast structure and mechanical properties of AZ31-8Re magnesium alloy and the metallographic microstructure and mechanical properties of magnesium alloy，and compares the effect of different amounts of rare earth elements Gd and Ce on mechanical properties of magnesium alloy，and explores the effect of rare earth elements Gd and Ce on metallographic microstructure and age-hardening behavior of magnesium alloys AZ3l.

AZ31 magnesium alloy，rare earth elements Gd&Ce，microstructure，microhardness

TG142.33

A

1672-1152（2016）05-0001-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.01

2016-10-12

李娜（1987—），女，太原理工大學(xué)在職工程碩士研究生，現(xiàn)就職于同煤集團(tuán)永煤公司干部科。