鎂合金Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 組織與力學性能研究

（太原科技大學，山西 太原 030024）

鎂合金作為當下最輕的金屬結構材料，有著較高的比剛度和比強度，減震性能、阻尼性強以及磁屏蔽性能好等多種優(yōu)點，在航空航天、軌道交通、軍工等多項領域得到不同程度的應用，被稱作“21 世紀的綠色工程材料”[1-4]。由于Mg-Al 系鎂合金在使用溫度高于120 ℃時，其力學性能會顯著降低，使得Mg-Al 系鎂合金的使用受到了限制[5-6]。

在Mg-Al 系鎂合金中加入少許具有細化晶粒和凈化熔體的稀土元素，鋁原子與化學活性高的稀土原子反應結合成為高熔點彌散強化相，從而能抑制低熔點鎂鋁相的出現，形成高熔點的第二相，最終提高合金的力學性能[7-10]。稀土釤在鎂中具有固溶度大的優(yōu)點，并且具備細化晶粒和固溶強化效果[11-13]。鑒于此，本文將研究不同含量的釤對Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn 合金顯微組織和力學性能的影響。

1 實驗過程

實驗選取純度為99.95%的鎂錠，99.95%的鋅錠，99.7%的工業(yè)純鋁，和Al-10%Mn 中間合金、Mg-15%Sm 作為原材料，使用RJ-6 為精煉劑、覆蓋劑。以上原料須在溫度設定為200 ℃的烘干箱中預熱后裝入坩堝爐，在井式電阻爐中進行熔煉時將采用熔劑保護，熔煉溫度約730 ℃后向其中加入Mg-15%Sm 中間合金，并進行機械攪拌，760 ℃保溫10 min 后，將熔液澆注到預熱好的金屬模具中。表1為各合金的化學成分。

表1 試驗合金的化學成分（質量分數，%）

試驗合金采用5504 型萬能拉伸試驗機對其進行力學性能的測試，拉伸試樣尺寸如圖1 所示，拉伸速度設定為2 mm/min，最終每個樣品測量結果選取4 個拉伸樣的平均值。

圖1 試樣拉伸尺寸示意圖

最后，采用OM、XRD、S-4800 場發(fā)射式掃描電鏡進行金相觀察和分析，分析其金相組織、相組成以及第二相的分布和形貌。

2 結果與討論

2.1 合金中的相組成與顯微組織

為了確定合金中的相組成，對所制備的合金進行X 射線衍射圖譜（XRD）分析，如圖2 所示。從XRD 圖中可知：合金中存在α-Mg，β-Mgl7All2，Al2Sm三種相。隨著合金中Sm 含量的增加，合金中Al2Sm相的數量逐漸增多，而合金中的β-Mg17Al12相逐漸減少?？梢?，隨著Sm 元素的添加，Sm 與Al 優(yōu)先結合生成Al2Sm 相，奪去了合金中的Al 元素，自然使得β-Mg17Al12相逐漸減少。

圖2 Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的XRD 圖譜

圖3 所示是不同Sm 含量Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn 鎂合金的鑄態(tài)微觀組織。由圖3a）可知鎂合金晶界很細，晶粒尺寸較大，可明顯觀察到基體相α-Mg 和第二相β-Mg17Al12，其中基體相呈粗大塊狀分布，第二相主要沿晶界呈不規(guī)則的點狀分布，只有少量分布在晶內。圖3b）可見，隨著Sm含量的增加，α-Mg 基體得到細化，β-Mg17Al12相開始變少，并且在晶界處開始呈現出半連續(xù)網狀分布，且晶內的β 相開始減少，合金的晶粒尺寸在不斷發(fā)生變化，同時彌散分布第二相的數目逐漸增多。可見，稀土Sm 元素的添加對鎂合金具有晶粒細化的作用。從圖3c）可知，當ω（Sm）=2.0%時，在晶粒內部幾乎不存在β 相，同時觀察到鑄態(tài)合金晶粒開始變粗大。

圖3 Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的金相顯微組織

為了進一步分析鎂合金試樣組織的形貌狀態(tài)，采用掃描電鏡對Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-1.0Sm 合金試樣進行掃描觀察，如圖4a）觀察到合金組織是由不連續(xù)白色第二相β-Mg17Al12，點狀和粒狀的A1-RE 相和黑色基體α-Mg 所構成。當Sm 質量分數為1%時，第二相多數呈塊狀聚集在基體中，第二相逐漸變細小。其原因是合金中的Al 與Sm 優(yōu)先形成了Al2Sm，粗大的β-Mg17Al12相由粗線條狀、塊狀變?yōu)閺浬⒎植?、不連續(xù)的顆粒狀和小塊狀。圖4c）～e）分別為圖4a）富釤相線掃描的結果。結果表明：Al 和Sm 是相中心區(qū)的主要組成部分，而Mg 占據了相周圍的區(qū)域，作為合金組成元素的鋅卻沒有在線掃描中顯示。所以，線掃描結果證實了在Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-1.0Sm 鎂合金中Al 與Sm形成了金屬間化合物。

2.2 合金的力學性能

圖5 和表2 分別為樣品的拉伸應力-應變曲線和力學性能，由圖可知Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm合金的屈服強度和室溫抗拉強度隨著衫元素的加入得到了明顯提高，合金的塑性有所改善。當加入1%的Sm 時，合金的抗拉強度為161.8 MPa，塑性為7.33%.這是由于室溫下Sm 在Mg 基體中的固溶度比較小，當加入的Sm 適量時，形成的第二相彌散分布阻礙位錯的運動，材料的強度上升。當Sm 加入量達到2%時，晶粒細化不明顯，伸長率有所降低。

圖4 鑄態(tài)Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-1Sm 合金的SEM 及富Sm 相的線掃描圖

表2 試驗合金室溫時的力學性能

圖5 Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm（x=0，1，2）合金的室溫拉伸應力-應變曲線

3 結論

1）Sm 元素對鎂合金Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm有細化晶粒的作用，并且Sm 與Al 優(yōu)先生成Al2Sm相，使得合金中的β-Mg17Al12相減少；由于Sm 元素的加入使得粗大的β-Mg17Al12相由網狀變?yōu)閺浬⒎植?、不連續(xù)的顆粒狀和小塊狀，并且Al2Sm 相能夠阻礙位錯的運動，阻礙晶界的遷移，細化晶粒，提高變形抗力.

2）在本實驗條件下隨著Sm 質量分數的增加Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金抗拉強度有所提高，塑性也得到提高；當Sm 質量分數增大到一定數值時Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的塑性與抗拉強度反而會有所降低。

3）在本實驗條件下Sm 質量分數為1%，比Sm質量分數為2%對Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的晶粒細化程度以及力學性能的提高更明顯。