稀土元素對(duì)耐熱鎂合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

孟 利，劉凱華，鄧姜哲，郭松陽(yáng)，張 波，孫銘璇

(1.鋼鐵研究總院 冶金工藝研究所，北京 1000812.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

0 背景

隨著工業(yè)發(fā)展中對(duì)輕量化要求的增長(zhǎng)，具有低密度的鎂合金成為一大關(guān)注熱點(diǎn)。同時(shí)，鎂合金還具有彈性模量較低、滯振性較好、減震性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好、工藝性能好等特點(diǎn)[1-5]。然而，鎂合金在使用過程中仍存在一些不可忽視的限制條件，如耐熱性差、抗疲勞性差、變形能力差、成型能力差等缺點(diǎn)，極大的限制了鎂合金在航空航天、電子產(chǎn)品、汽車行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用[6-8]。目前在室溫條件下，部分鎂合金體系已經(jīng)具備了優(yōu)異的強(qiáng)度，但隨著使用溫度的提升，大部分鎂合金性能會(huì)急速下降，極大地限制了高強(qiáng)鎂合金在高溫情況下的應(yīng)用，因此，發(fā)展高強(qiáng)耐熱鎂合金體系是非常有必要的[9]。

對(duì)于鎂合金耐熱性的改善，添加稀土元素是目前最常用也是最有效的方法。稀土元素與鎂都是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，大部分稀土元素的原子半徑與鎂相差小于15%，電負(fù)性變化范圍大，故稀土元素在鎂中的固溶度較高，從而在鎂合金中具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化等作用，從而提高鎂合金的室溫及高溫力學(xué)性能[10-14]。同時(shí)在鎂合金體系中，適量添加Zr元素，可以起到明顯的細(xì)晶強(qiáng)化作用[15-16]。本研究以添加復(fù)合稀土(MM)的兩種稀土鎂合金Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM合金為研究對(duì)象，對(duì)比討論稀土元素種類對(duì)耐熱鎂合金微觀組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM的熱擠壓圓棒材，直徑Φ20 mm，均屬于使用稀土元素改善的高強(qiáng)、耐熱鎂合金體系，其化學(xué)成分見表1，其中MM為富Ce復(fù)合稀土。

表1 耐熱鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

對(duì)兩種鎂合金熱擠壓棒材，進(jìn)行線切割取樣，試樣經(jīng)磨制、電解拋光和化學(xué)腐蝕，然后觀測(cè)橫截面(與棒材軸線垂直的面)的顯微組織形貌，其中電解拋光液為5%高氯酸酒精，侵蝕液為苦味酸酒精溶劑。采用GX51倒置式金相顯微鏡(OM)和FEI Quanta 650FEG熱場(chǎng)發(fā)熱掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)顯微組織形貌；采用SEM觀測(cè)拉伸試樣的斷口形貌；采用SEM附帶的能譜儀(EDS)對(duì)試樣特定區(qū)域進(jìn)行元素分析。拉伸試樣尺寸規(guī)格依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865—2013《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》，拉伸實(shí)驗(yàn)使用WDT10拉伸試驗(yàn)機(jī)，拉伸溫度分別為室溫225℃和300℃；采用EV500-2A半自動(dòng)維氏硬度計(jì)測(cè)試合金的硬度值，加載力5000 gf，保載時(shí)間為10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 稀土元素種類對(duì)耐熱鎂合金顯微組織的影響

含不同稀土元素耐熱鎂合金的金相顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，Mg-Gd-Zr-MM合金的平均晶粒稍大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM的平均晶粒尺寸分別為13.71 μm和12.42 μm，與含Gd元素合金相比較，含Y元素合金的晶粒尺寸要小9.4%。圖中黑色顆粒應(yīng)為第二相粒子，可以看出含Gd元素的合金中黑色顆粒尺寸較大，且分布不均勻。而含Y元素的合金中第二相粒子尺寸較小，且均勻分布在晶界周圍，因此Y元素對(duì)晶粒的細(xì)化作用更強(qiáng)。

圖1 含不同稀土元素耐熱鎂合金的顯微組織分析(a) Mg-Gd-Zr-MM；(b) Mg-Y-Zr-MM

耐熱鎂合金中典型第二相的形貌及成分分析如圖2所示。由圖2可以看出，含Gd第二相粒子的形狀為圓球狀，含Y第二相粒子的形狀為短棒狀，其中含Y第二相粒子的尺寸明顯小于含Gd第二相粒子尺寸，這說明Y元素的彌散強(qiáng)化效果更好。

圖2 耐熱鎂合金中稀土元素第二相粒子的微觀形貌及成分分析(a)(c) Mg-Gd-Zr-MM試樣中粒子形貌與能譜分析；(b)(d) Mg-Y-Zr-MM試樣中的粒子形貌與能譜分析

2.2 稀土元素種類對(duì)耐熱鎂合金力學(xué)性能的影響

含不同稀土元素耐熱鎂合金的硬度如表2所示。由表2可以看出，含Y元素耐熱鎂合金硬度略高，這主要是因?yàn)楹琘元素第二相粒子尺寸小、在基體中分布均勻、彌散強(qiáng)化作用明顯的原因。

表2 含不同稀土元素耐熱鎂合金的硬度(HV)

含不同稀土元素耐熱鎂合金不同溫度下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相應(yīng)拉伸力學(xué)性能分別如圖3和表3所示。兩種材料在300℃拉伸時(shí)在屈服之前出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，是測(cè)試時(shí)卸裝引伸計(jì)造成的。由圖3和表3可以看出：稀土鎂合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均明顯優(yōu)于普通鎂合金，且含Y元素耐熱鎂合金在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于含Gd元素耐熱鎂合金。結(jié)合圖4所示的含不同稀土元素耐熱鎂合金的斷口分析可以看出：兩種合金的斷裂表面形貌都為韌窩狀，為典型的塑性斷裂特征。在韌窩中心觀察到含稀土第二相粒子，應(yīng)力在這些粒子附近集中，引起裂紋的萌生，為裂紋在晶界的擴(kuò)展提供路徑，從而導(dǎo)致合金塑性降低。圖4e、圖4f為韌性斷口形貌中優(yōu)先斷裂的第二相形貌，由其EDS能譜分析可以看出斷口處的第二相分別為含兩種稀土元素與鎂元素形成的脆性第二相粒子。含Y元素耐熱合金中稀土第二相顆粒小、分布均勻，第二相粒子周圍應(yīng)力集中不明顯，塑性較好。

圖3 含不同稀土元素耐熱鎂合金不同溫度下拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(a) Mg-Gd-Zr-MM；(b) Mg-Y-Zr-MM

表3 耐熱鎂合金在不同溫度下的拉伸力學(xué)性能

續(xù)表

圖4 含不同稀土元素耐熱鎂合金室溫拉伸斷口形貌及相應(yīng)第二相粒子分析(a)(c) Mg-Gd-Zr-MM試樣斷口的低倍和高倍SEM圖；(b)(d) Mg-Y-Zr-MM試樣斷口的低倍和高倍SEM圖；(e) (c)區(qū)域特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)能譜；(f) (d)區(qū)域特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)能譜

3 結(jié)論

本文對(duì)熱擠壓鎂合金Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM開展了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

(1)在相同的熱擠壓條件下Y元素的晶粒細(xì)化作用更強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)含Gd耐熱鎂合金和含Y耐熱鎂合金的平均晶粒尺寸分別為13.71 μm和12.42 μm;

(2)稀土元素在合金中主要形成Mg-Re第二相，其中Gd元素形成尺寸較大的球狀第二相，Y元素形成尺寸較小的棒狀第二相，Y元素形成的第二相分布較為均勻;

(3)含Y稀土元素耐熱鎂合金的室溫硬度、不同溫度的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于含Gd稀土元素耐熱鎂合金；兩種合金斷裂的原因均表現(xiàn)為含稀土元素第二相處萌生裂紋。