Ce添加對(duì)Mg–Ca擠壓合金力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性影響研究

李景仁，謝東升，張棟棟，謝紅波，潘虎成，任玉平，秦高梧

輕合金成形

Ce添加對(duì)Mg–Ca擠壓合金力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性影響研究

李景仁，謝東升，張棟棟，謝紅波，潘虎成，任玉平，秦高梧

（東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819）

研究在Mg–0.2Ca擠壓合金基礎(chǔ)上分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Ce和0.6%的Ca后對(duì)合金的組織、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的影響，探究Ce和Ca 2種合金元素對(duì)鎂合金的強(qiáng)化和中高溫條件下的穩(wěn)定化效果。首先，熔煉制備Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce和Mg–0.8Ca 3種成分的合金；隨后，對(duì)3種合金進(jìn)行擠壓變形，并對(duì)擠壓合金組織和力學(xué)性能進(jìn)行表征和測(cè)試；最后，在300 ℃下對(duì)3種合金進(jìn)行等溫退火，研究其組織演變過(guò)程和力學(xué)性能的衰減情況。在Mg–0.2Ca合金基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Ce可將擠壓態(tài)合金再結(jié)晶分?jǐn)?shù)由約92%降至約53%，再結(jié)晶晶粒尺寸由約1.64 μm細(xì)化至約0.86 μm，Mg–0.2Ca–0.3Ce三元合金的屈服強(qiáng)度可大幅提升至約364 MPa，該屈服強(qiáng)度與Mg–0.8Ca合金相當(dāng)（約361 MPa），表明單位質(zhì)量Ce的添加對(duì)強(qiáng)度提升的效果優(yōu)于Ca。退火3 h后，Mg–0.2Ca–0.3Ce三元合金屈服強(qiáng)度的下降幅度約為124 MPa，顯著低于Mg–Ca二元合金（約170 MPa）。以Mg–0.2Ca–0.3Ce合金為例進(jìn)行靜態(tài)再結(jié)晶組織演化分析表明，靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程產(chǎn)生了稀土織構(gòu)，其再結(jié)晶機(jī)制為不連續(xù)靜態(tài)再結(jié)晶。在Mg–0.2Ca擠壓合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Ce后，屈服強(qiáng)度由約307 MPa提升至約364 MPa，其強(qiáng)度與繼續(xù)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的Ca合金相當(dāng)，Mg–Ca–Ce三元合金熱穩(wěn)定性優(yōu)于Mg–Ca二元合金。

變形鎂合金；微合金化；力學(xué)性能；位錯(cuò)；熱穩(wěn)定性

鎂合金由于具有低密度的特點(diǎn)，在亟待“輕量化”的諸多領(lǐng)域中，如航空航天、軌道交通、3C產(chǎn)品等具有巨大的應(yīng)用前景[1-3]。然而，傳統(tǒng)鎂合金材料一直面臨著絕對(duì)強(qiáng)度偏低和室溫成形性差等瓶頸問(wèn)題[4]。在可持續(xù)發(fā)展的背景下，“低合金化”逐漸成為鎂合金的一個(gè)新發(fā)展方向，以期使用盡可能低的溶質(zhì)含量獲得高的綜合力學(xué)性能[5]。然而，合金元素的減少通常會(huì)削弱固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化的效果。因此，對(duì)于具有高的Hall–Petch斜率的鎂合金而言，選取一種有效的晶粒細(xì)化手段便成為開(kāi)發(fā)新型高性能鎂合金的有效途徑[6]。例如，通過(guò)劇烈塑形變形（Severe Plastic Deformation，SPD）的手段，包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Equar Channel Angular Pressing，ECAP）[7]、累積疊軋（Accumulative Roll Bonding，ARB）[8]、高壓扭轉(zhuǎn)（High-Pressure Torsion，HPT）[9-10]、旋鍛（Rotary Swaging，RS）[11]，鎂合金的晶粒一般可以細(xì)化至納米尺度。然而，SPD方法制備的樣品尺寸受限且加工成本較高，無(wú)法滿足鎂合金材料大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

合金化是實(shí)現(xiàn)鎂合金晶粒細(xì)化的另一個(gè)有效手段[5]。在軋制、擠壓等工業(yè)化流程的變形工藝條件下，有效的合金化元素可以通過(guò)促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（Dynamic recrystallization，DRX）形核和抑制再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大而獲得細(xì)小的晶粒尺寸。近期研究表明，非稀土Ca元素的添加可以在變形鎂合金中起到強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒的效果[12]，并據(jù)此開(kāi)發(fā)出了Mg–Ca– Al–(Zn)[13]、Mg–Ca–Zn–(Mn)[14]、Mg–Ca–Sn–(Mn)[15]等合金體系，屈服強(qiáng)度普遍可以達(dá)到350 MPa以上。

然而，目前開(kāi)發(fā)的Mg–Ca系合金中所含Ca元素含量依然較高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于0.7%），在合金熔煉與擠壓件質(zhì)量控制等方面均面臨諸多挑戰(zhàn)，因此，文中以添加超低含量的Ca（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.2%）為基礎(chǔ)，結(jié)合微量Ce元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.3%），以期實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度、超低合金化的變形鎂合金。事實(shí)上，輕稀土元素Ce是鎂合金中的重要合金元素之一，可起到顯著弱化織構(gòu)和提升塑性的效果，并據(jù)此開(kāi)發(fā)出了Mg–Ce–Mn（ME20）等商用鎂合金牌號(hào)[16]。然而，關(guān)于Ce和Ca兩種元素對(duì)鎂合金微觀組織與力學(xué)性能的協(xié)同調(diào)控作用的研究目前還鮮有報(bào)道。與此同時(shí)，針對(duì)中高溫環(huán)境下的服役要求，鎂合金的熱穩(wěn)定性同樣亟待解決。由此，文中擬研究Ce和Ca元素對(duì)鎂合金力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能的影響規(guī)律并闡明其微觀機(jī)理。

1 試驗(yàn)

在真空感應(yīng)熔煉爐中制備名義成分Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce、Mg–0.8Ca的合金（分別標(biāo)注為X0、XC和X1）。采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP）進(jìn)行成分檢測(cè)，實(shí)際成分如表1所示。將鑄錠在530 ℃下保溫12 h進(jìn)行固溶處理，隨后將45 mm×80 mm圓柱擠壓成10 mm圓棒，擠壓比20∶1，擠壓速度0.4 mm/s，樣品、模具和擠壓筒的溫度均設(shè)置為280 ℃。隨后，對(duì)擠壓態(tài)合金進(jìn)行300 ℃下保溫0.5～ 3 h的退火處理。將合金試樣加工成直徑5 mm、標(biāo)距25 mm的拉伸試樣。并在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（Schimazu AG–X Plus）上測(cè)試其室溫力學(xué)性能，拉伸方向平行于擠壓方向，應(yīng)變速率為0.001 s–1，每種合金測(cè)試3個(gè)平行樣。采用光學(xué)顯微鏡（OM，GX71）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS–Crossbeam 550）及配備的背散射電子衍射探頭（EBSD），場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM，JEOL JEM–2100F）對(duì)制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)表征。EBSD樣品經(jīng)由亞離子拋光（PIPS–II，GATAN 695）技術(shù)制備得到，TEM樣品經(jīng)由手動(dòng)研磨及后續(xù)的離子減?。≒IPS–II，GATAN 691）制備。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of the test alloys wt.%

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖1顯示了X0、XC和X1合金的工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線，擠壓態(tài)X0合金的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)度（UTS）和伸長(zhǎng)率（EL）分別為307 MPa、317 MPa和6.8%，如圖1a所示。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Ce后，擠壓態(tài)XC合金的YS、UTS分別提高至364、374 MPa，提高值約為60 MPa，如圖1b所示。進(jìn)一步提升Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.8%后，X1合金的的YS、UTS同樣可分別提升至361、374 MPa，如圖1c所示。為進(jìn)一步研究3種合金的熱穩(wěn)定性，圖1a—c還顯示了退火態(tài)X0、XC和X1合金的工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線。3種合金的YS值和EL值隨退火時(shí)間發(fā)生變化，如圖1d所示。隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，3種合金的塑性顯著提升，強(qiáng)度均有下降，但XC合金的YS值下降幅度最小。譬如，退火處理3 h后，XC合金的YS降低值=124.3 MPa，顯著低于X0合金（= 165.2 MPa）與X1合金（=172 MPa），表明Mg–Ca–Ce三元合金具有更優(yōu)的熱穩(wěn)定性。

2.2 擠壓態(tài)合金微觀組織

圖2顯示了擠壓態(tài)X0、XC和X1合金的金相組織，3種擠壓態(tài)合金均表現(xiàn)為雙組態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)，即由細(xì)小的再結(jié)晶晶粒和沿?cái)D壓方向（ED）拉長(zhǎng)的未再結(jié)晶晶粒組成。X0、XC和X1合金的再結(jié)晶比例分別約為92%、53%和77%，且Mg–Ce合金未再結(jié)晶區(qū)存在較寬的分布，表明Ce元素的添加可強(qiáng)烈抑制再結(jié)晶進(jìn)程，該結(jié)果與Li等[17]報(bào)道的擠壓Mg–Ce二元合金具有低的再結(jié)晶比例結(jié)果相一致，其微觀機(jī)制與Ce元素可誘導(dǎo)鎂基體中的高比例非基面滑移有關(guān)。

圖1 X0、XC和X1擠壓態(tài)和退火態(tài)合金的力學(xué)性能

圖3為擠壓態(tài)合金的EBSD結(jié)果。根據(jù)圖3a、d、g的帶對(duì)比度（BC）圖可知，擠壓態(tài)X0、XC和X1合金的再結(jié)晶晶粒平均尺寸分別約為1.64、0.86、0.87 μm，即在Mg–0.2Ca基礎(chǔ)上繼續(xù)添加0.3Ce和0.6Ca可產(chǎn)生類(lèi)似的晶粒細(xì)化效果。圖3b、e、h分別為沿ED的IPF模式取向成像圖（IPF map），可以看出，未再結(jié)晶晶粒均表現(xiàn)為<10–10>||ED取向，而再結(jié)晶晶粒取向更為隨機(jī)。從X0合金的反極圖（圖3c）可以看出，該合金具有典型的擠壓絲織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度為5.62 mrd，同時(shí)含有弱的稀土織構(gòu)組分（<44– 83>||ED）。Guan等[18]和Zeng等[19]研究發(fā)現(xiàn)，Ca元素具有類(lèi)似稀土元素的作用，能夠促進(jìn)稀土織構(gòu)的形成。XC和X1合金的整體織構(gòu)強(qiáng)度接近（7.5～7.7 mrd），而XC合金再結(jié)晶晶粒的織構(gòu)強(qiáng)度（約3.33 mrd）明顯弱于X0和X1合金（5.6～6.0 mrd）。以上結(jié)果表明，相較于Ca，Ce具有更強(qiáng)的抑制再結(jié)晶和弱化織構(gòu)效果，但對(duì)織構(gòu)的種類(lèi)不產(chǎn)生顯著影響。

圖2 擠壓態(tài)X0、XC和X1合金的金相圖片

圖3 擠壓態(tài)X0、XC和X1合金的EBSD結(jié)果

擠壓態(tài)X0和XC合金的典型位錯(cuò)組態(tài)如圖4所示。圖4a、b為電子束B(niǎo)～11–20，衍射矢量分別為=0002和=10–10條件下的弱束暗場(chǎng)像（Weak-Beam Dark-Field，WBDF）結(jié)果，可以看出，擠壓態(tài)X0合金中存在含分量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)線既有平行于基面的組分，也有和基面成一定角度的組分，根據(jù)Li等[17]、Zhao等[20]和Liu等[21]的研究結(jié)果可知，平行于基面的位錯(cuò)屬于刃型位錯(cuò)，而其他位錯(cuò)屬于螺型或混合型位錯(cuò)。同時(shí)，基體中也存在大量的位錯(cuò)（如圖4b所示），并且部分位錯(cuò)已經(jīng)排列形成位錯(cuò)墻，逐步向小角度晶界（Low Angle Grain Boundary，LAGB）轉(zhuǎn)化。與X0合金不同的是，XC合金中存在高密度的片層結(jié)構(gòu)，片層間距為0.3～2 μm（圖4c），各片層的取向接近，片層間存在平行于基面的位錯(cuò)，衍射矢量=10–10時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，高密度位錯(cuò)相互纏結(jié)，造成較大的應(yīng)力集中。

大量研究表明，合金的屈服強(qiáng)度與再結(jié)晶晶粒的比例、尺寸有很大的關(guān)聯(lián)性[22-23]。根據(jù)經(jīng)典的Hall–Petch公式可以評(píng)估晶粒細(xì)化對(duì)屈服強(qiáng)度(ys)的貢獻(xiàn)，見(jiàn)式（1）[24]。

式中：σ0為晶格摩擦力；ky為Hall–Petch斜率；d為平均晶粒尺寸?？芍ЯＴ叫?，對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大。XC合金具有細(xì)小的再結(jié)晶晶粒及更高的未再結(jié)晶比例，因此，XC合金的高強(qiáng)度來(lái)源于再結(jié)晶區(qū)的晶界強(qiáng)化和未再結(jié)晶區(qū)的織構(gòu)強(qiáng)化。與此對(duì)應(yīng)，XC合金中較高的未再結(jié)晶區(qū)占比帶來(lái)的硬取向?qū)е吕爝^(guò)程中不利于基面滑移和拉伸孿晶的啟動(dòng)，而更易于形成位錯(cuò)壓縮孿晶；位錯(cuò)和壓縮孿晶引入局部的應(yīng)力集中而最終導(dǎo)致材料過(guò)早失效[25]，因此，XC合金的伸長(zhǎng)率相對(duì)較低。

2.3 退火態(tài)合金微觀組織

圖5所示為X0、XC和X1合金在300 ℃下退火后的微觀組織。經(jīng)過(guò)3 h退火處理后，X0合金已發(fā)生明顯的晶粒長(zhǎng)大，而XC合金仍保留大量的未再結(jié)晶區(qū)域。圖6a統(tǒng)計(jì)了3種合金退火前后再結(jié)晶晶粒尺寸的變化，X0合金退火后晶粒尺寸約是擠壓態(tài)合金的4倍，XC合金退火后晶粒尺寸約是擠壓態(tài)合金的2倍。Ca含量高的X1合金經(jīng)過(guò)1 h的短時(shí)間退火即已呈現(xiàn)出完全再結(jié)晶的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)退火后，3種合金再結(jié)晶晶粒的織構(gòu)強(qiáng)度都有不同程度的降低（圖6b）。此外，XC合金再結(jié)晶晶粒的織構(gòu)類(lèi)型發(fā)生了變化，即由擠壓態(tài)<10–10>||ED的絲織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?11–21>–<22– 43>||ED的稀土織構(gòu)；由于大量未再結(jié)晶區(qū)的存在，XC合金的整體織構(gòu)仍為<10–10>||ED的絲織構(gòu)。分析認(rèn)為，混晶組織是維持退火態(tài)XC合金高強(qiáng)度的主要原因，而退火過(guò)程中具有稀土織構(gòu)組分的靜態(tài)再結(jié)晶晶粒的生成則使得合金塑性升高。

2.4 Mg-0.2Ca-0.3Ce合金靜態(tài)再結(jié)晶與稀土織構(gòu)

XC合金在退火過(guò)程中呈現(xiàn)出多尺度的晶粒結(jié)構(gòu)，既包括沿?cái)D壓方向拉長(zhǎng)的晶粒，又包括尺寸范圍10～20 μm的粗晶，還含有尺寸＜3 μm的細(xì)晶。為了進(jìn)一步分析該合金的靜態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，對(duì)圖5e中紅色框線內(nèi)區(qū)域進(jìn)行EBSD精細(xì)分析，如圖7所示。從圖7a可以看出，再結(jié)晶普遍發(fā)生在拉長(zhǎng)晶粒之間，且再結(jié)晶晶粒取向較為隨機(jī)。一般認(rèn)為，稀土織構(gòu)的形成可分為擇優(yōu)形核機(jī)制和晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)機(jī)制[26]。對(duì)不同尺寸再結(jié)晶晶粒分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將大于和小于3 μm的晶粒分別提取出來(lái)，如圖7b、c所示，并將各晶粒取向繪制成散布圖和波狀圖（圖7d），可以看出，較大的晶粒（>3 μm）主要具有<44–83>||ED的取向，而較小的晶粒（<3 μm）主要具有<02–21>–<11– 21>||ED的取向。可以得出，對(duì)于XC合金，其靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中稀土織構(gòu)主要來(lái)源于晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)機(jī)制。進(jìn)一步提取圖7a中紅色虛線區(qū)域，將其進(jìn)行ND方向著色，如圖7f所示，可以看出，晶粒G2和G3取向接近，G1取向與G2/G3偏差接近90°，而再結(jié)晶晶粒帶中的晶粒取向更接近G1，圖7e為該區(qū)域的局部取向差圖（KAM圖），可以看出，晶粒G2和G3內(nèi)部的位錯(cuò)密度高于G1內(nèi)部。以上結(jié)果表明，該再結(jié)晶晶粒鏈形核為晶界“弓出”機(jī)制，屬于不連續(xù)靜態(tài)再結(jié)晶（DSRX）[27]。再結(jié)晶方向?yàn)榈臀诲e(cuò)密度晶粒向高位錯(cuò)密度晶粒方向弓出。

圖6 擠壓態(tài)和退火態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸及織構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比

圖7 圖5e中紅色矩形框線內(nèi)EBSD精細(xì)結(jié)果

2.5 Mg-0.2Ca-0.3Ce高熱穩(wěn)定性機(jī)理分析

鎂合金的再結(jié)晶行為與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)行為密切相關(guān)[28]。室溫下，純鎂中滑移的臨界分解剪切應(yīng)力（CRSS）約為40 MPa[29-30]，幾乎是位錯(cuò)CRSS的100倍（約0.5 MPa）[31-33]。研究表明，合金元素的加入會(huì)顯著改變不同滑移系的CRSS值。例如，Wang等[34]發(fā)現(xiàn)，Ca元素的加入可以降低位錯(cuò)和位錯(cuò)CRSS的比值，同時(shí)提高孿晶生長(zhǎng)的CRSS絕對(duì)值。Lee等[35]計(jì)算發(fā)現(xiàn)，少量的Ce元素添加到鎂中能夠顯著提高基面滑移的CRSS，而對(duì)錐面II滑移的CRSS值影響較小，因此，錐面與基面滑移CRSS的比值大幅度降低至約1.5。另一方面，在鎂合金中加入的不同組元合金元素之間會(huì)相互影響，如形成第二相和/或元素偏聚，如Mg–Ca–Al–Zn–Mn系合金會(huì)形成Al–Ca相、Al–Mn相、Ca+Zn元素共偏聚等。然而，本研究中的Mg–0.2Ca–0.3Ce合金由于Ca和Ce的原子半徑均大于Mg，且Ca元素和Ce的混合焓為+21，因此，Ca和Ce元素的添加幾乎互不影響（無(wú)法形成第二相），均以固溶原子的狀態(tài)分布于基體之中，如圖8所示?；谏鲜鼋Y(jié)果可知，當(dāng)Ca元素單獨(dú)添加時(shí)，會(huì)在一定程度上抑制孿晶行為并促進(jìn)非基面位錯(cuò)和位錯(cuò)的開(kāi)動(dòng)；而Ce元素的繼續(xù)添加將會(huì)繼續(xù)阻礙基面位錯(cuò)的滑移，因此，Mg–Ca–Ce合金基體中會(huì)有更高密度的滑移啟動(dòng)。與此對(duì)應(yīng)，Mg–Ca合金中形成的小角晶界以位錯(cuò)為主，而Mg–Ca–Ce合金中形成的小角晶界則以位錯(cuò)為主，如圖4所示。鑒于此，XC合金中小角度晶界的遷移阻力較高，晶粒內(nèi)部連續(xù)靜態(tài)再結(jié)晶（CSRX）機(jī)制主導(dǎo)的LAGB演化為大角度晶界（HAGB）抗力更大，因此，Mg–0.2Ca–0.3Ce合金相較于Mg–Ca二元合金表現(xiàn)出更優(yōu)的熱穩(wěn)定性與力學(xué)性能。合金元素除了以過(guò)飽和固溶體形式存在于基體中，擠壓過(guò)程還會(huì)有相析出和元素偏聚。Ce在擠壓過(guò)程中會(huì)析出Mg12Ce相，Ca會(huì)析出Mg2Ca相，假設(shè)元素均以析出相形式存在，且Mg2Ca相和Mg12Ce相析出形貌和尺寸相同，根據(jù)合金實(shí)測(cè)成分和析出相化學(xué)式，可以計(jì)算得到Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce、Mg–0.8Ca合金的析出相數(shù)密度比例約為1:3.17:3.99。本研究認(rèn)為，析出相增多和元素偏聚也在一定程度上使XC合金和X1合金的熱穩(wěn)定性高于X0合金。

圖8 Mg、Ca、Ce元素原子尺寸和元素之間混合焓示意圖

3 結(jié)論

系統(tǒng)研究了Ce元素添加對(duì)擠壓態(tài)Mg–0.2Ca基合金微觀組織、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的影響，并闡明了Ce添加對(duì)提升鎂合金組織熱穩(wěn)定性的微觀機(jī)制，得到以下主要結(jié)論。

1）在Mg–0.2Ca合金基礎(chǔ)上，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Ce后，屈服強(qiáng)度由約307 MPa提高到約364 MPa；高Ca含量的Mg–0.8Ca合金表現(xiàn)出與Mg–0.2Ca–0.3Ce合金類(lèi)似的強(qiáng)化效果，屈服強(qiáng)度可達(dá)到約361 MPa。

2）與同等強(qiáng)度的Mg–0.8Ca合金相比，Mg–0.2Ca–0.3Ce合金表現(xiàn)出更優(yōu)的熱穩(wěn)定性，經(jīng)300 ℃/3 h退火處理后，Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce和Mg–0.8Ca合金屈服強(qiáng)度下降值分別約為165.2、124.3、172 MPa。

3）Mg–0.2Ca–0.3Ce合金退火過(guò)程為不連續(xù)靜態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，且再結(jié)晶晶粒產(chǎn)生的稀土織構(gòu)為晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)機(jī)制。

[1] NIE J F, SHIN K S, ZENG Z R. Microstructure, Deformation, and Property of Wrought Magnesium Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2020, 51(12): 6045-6109.

[2] 曾小勤, 王杰, 應(yīng)韜, 等. 鎂及其合金導(dǎo)熱研究進(jìn)展[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2022, 58(4): 400-411.

ZENG Xiao-qin, WANG Jie, YING Tao, et al. Recent Progress on Thermal Conductivity of Magnesium and Its Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2022, 58(4): 400-411.

[3] 潘復(fù)生, 蔣斌. 鎂合金塑性加工技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2021, 57(11): 1362-1379.

PAN Fu-sheng, JIANG Bin. Development and Application of Plastic Processing Technologies of Magnesium Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2021, 57(11): 1362-1379.

[4] 夏琴香, 江鵬, 肖剛鋒, 等. 鎂合金帶內(nèi)筋筒形件熱強(qiáng)旋成形質(zhì)量及參數(shù)優(yōu)化[J]. 精密成形工程, 2022, 14(5): 1-7.

XIA Qin-xiang, JIANG Peng, XIAO Gang-feng, et al. Forming Quality and Parameters Optimization for Hot Power Spinning of Magnesium Alloy Cylindrical Parts with Inner Ribs[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(5): 1-7.

[5] 王慧遠(yuǎn), 夏楠, 布如宇, 等. 低合金化高性能變形鎂合金研究現(xiàn)狀及展望[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2021, 57(11): 1429-1437.

WANG Hui-yuan, XIA Nan, BU Ru-yu, et al. Current Research and Future Prospect on Low-Alloyed High-Performance Wrought Magnesium Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2021, 57(11): 1429-1437.

[6] 吳國(guó)華, 童鑫, 蔣銳, 等. 鑄造Mg–RE合金晶粒細(xì)化行為研究現(xiàn)狀與展望[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2022, 58(4): 385-399.

WU Guo-hua, TONG Xin, JIANG Rui, et al. Grain Refinement of As-Cast Mg-RE Alloys: Research Progress and Future Prospect[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2022, 58(4): 385-399.

[7] STRáSKá J, JANE?EK M, ?í?EK J, et al. Microstructure Stability of Ultra-Fine Grained Magnesium Alloy AZ31 Processed by Extrusion and Equal-Channel Angular Pressing (EX-ECAP)[J]. Materials Characterization, 2014, 94: 69-79.

[8] PéREZ-PRADO M T, VALLE D, RUANO O A. Grain Refinement of Mg-Al-Zn Alloys via Accumulative Roll Bonding[J]. Scripta Materialia, 2004, 51(11): 1093-1097.

[9] SUN W T, QIAO X G, ZHENG M Y, et al. Altered Ageing Behaviour of a Nanostructured Mg-8.2Gd-3.8Y- 1.0Zn-0.4Zr Alloy Processed by High Pressure Torsion [J]. Acta Materialia, 2018, 151: 260-270.

[10] DE OLIVEIRA P C, MONTORO L A, PEREZ-PRADO M T, et al. Development of Segregations in a Mg-Mn-Nd Alloy during HPT Processing[J]. Materials Science and Engineering: A, 2021, 802: 140423.

[11] WAN Ying-chun, TANG Bei, GAO Yong-hao, et al. Bulk Nanocrystalline High-Strength Magnesium Alloys Prepared via Rotary Swaging[J]. Acta Materialia, 2020, 200: 274-286.

[12] LI Jing-ren, ZHANG Ai-yue, PAN Hu-cheng, et al. Effect of Extrusion Speed on Microstructure and Mechanical Properties of the Mg-Ca Binary Alloy[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2021, 9(4): 1297-1303.

[13] PAN Hu-cheng, KANG Rui, LI Jing-ren, et al. Mechanistic Investigation of a Low-Alloy Mg-Ca-Based Extrusion Alloy with High Strength-Ductility Synergy[J]. Acta Materialia, 2020, 186: 278-290.

[14] DU Sen, YANG Kun, LI Man, et al. Achieving High Strength above 400 MPa in Conventionally Extruded Mg-Ca-Zn Ternary Alloys[J]. Science China Technological Sciences, 2022, 65(3): 519-528.

[15] 武華健, 程仁山, 李景仁, 等. Al含量對(duì)Mg–Sn–Ca合金微觀組織與力學(xué)性能的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2020, 56(10): 1423-1432.

WU Hua-jian, CHENG Ren-shan, LI Jing-ren, et al. Effect of Al Content on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-Sn-Ca Alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2020, 56(10): 1423-1432.

[16] LI X, QI W. Effect of Initial Texture on Texture and Microstructure Evolution of ME20 Mg Alloy Subjected to Hot Rolling[J]. Materials Science and Engineering: A, 2013, 560: 321-331.

[17] LI J R, XIE D S, ZENG Z R, et al. Mechanistic Investigation on Ce Addition in Tuning Recrystallization Behavior and Mechanical Property of Mg Alloy[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 132: 1-17.

[18] GUAN Di-kai, LIU Xing-guang, GAO Jun-heng, et al. Exploring the Mechanism of “Rare Earth” Texture Evolution in a Lean Mg–Zn–Ca Alloy[J]. Scientific Reports, 2019, 9: 7152.

[19] ZENG Z R, BIAN M Z, XU S W, et al. Effects of Dilute Additions of Zn and Ca on Ductility of Magnesium Alloy Sheet[J]. Materials Science and Engineering: A, 2016, 674: 459-471.

[20] ZHAO De-xin, MA Xiao-long, SRIVASTAVA A, et al. Significant Disparity of Non-Basal Dislocation Activities in Hot-Rolled Highly-Textured Mg and Mg-3Al-1Zn Alloy under Tension[J]. Acta Materialia, 2021, 207: 116691.

[21] LIU Bo-yu, LIU Fei, YANG Nan, et al. Large Plasticity in Magnesium Mediated by Pyramidal Dislocations[J]. Science (New York, N Y), 2019, 365(6448): 73-75.

[22] LI R G, LI H R, PAN H C, et al. Achieving Exceptionally High Strength in Binary Mg-13Gd Alloy by Strong Texture and Substantial Precipitates[J]. Scripta Materialia, 2021, 193: 142-146.

[23] ZHENG Rui-xiao, DU Jun-ping, GAO Si, et al. Transition of Dominant Deformation Mode in Bulk Polycrystalline Pure Mg by Ultra-Grain Refinement down to Sub-Micrometer[J]. Acta Materialia, 2020, 198: 35-46.

[24] 章歐, 胡紅軍, 胡剛, 等. 鎂合金復(fù)合細(xì)晶強(qiáng)化研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2021, 13(6): 98-105.

ZHANG Ou, HU Hong-jun, HU Gang, et al. Research Progress on Composite Refinement Strengthening of Magnesium Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(6): 98-105.

[25] GUAN Di-kai, RAINFORTH W M, GAO Jun-heng, et al. Individual Effect of Recrystallisation Nucleation Sites on Texture Weakening in a Magnesium Alloy: Part 1- Double Twins[J]. Acta Materialia, 2017, 135: 14-24.

[26] ZHAO L Y, YAN H, CHEN R S, et al. Orientations of Nuclei during Static Recrystallization in a Cold-Rolled Mg-Zn-Gd Alloy[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 60: 162-167.

[27] 王忠堂, 劉永哲, 王明浩, 等. 基于復(fù)合變形的鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒尺寸研究[J]. 精密成形工程, 2021, 13(4): 115-120.

WANG Zhong-tang, LIU Yong-zhe, WANG Ming-hao, et al. Study on Dynamic Recrystallization and Grain Size of Magnesium Alloy Based on Compound Deformation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(4): 115-120.

[28] 王慧遠(yuǎn), 張行, 徐新宇, 等. 超塑性輕合金組織穩(wěn)定性的研究進(jìn)展及展望[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2018, 54(11): 1618-1624.

WANG Hui-yuan, ZHANG Hang, XU Xin-yu, et al. Current Research and Future Prospect on Microstructure Stability of Superplastic Light Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(11): 1618-1624.

[29] 安藤新二, 中村寛治, 高島和希, et al. マグネシウム単結(jié)晶の{11-22}<-1-123>すべり[J]. 軽金屬, 1992, 42(12): 765-771.

ANDO Shinji, NAKAMURA Kanji, TAKASHIMA Kazuki, et al. {11-22} <-1-123> slip in magnesium single crysta[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals, 1992, 42(12): 765-771.

[30] OBARA T, YOSHINGA H, MOROZUMI S. {112?2}〈1123〉 Slip System in Magnesium[J]. Acta Metallurgica, 1973, 21(7): 845-853.

[31] YOSHINAGA H, HORIUCHI R. Deformation Mechanisms in Magnesium Single Crystals Compressed in the Direction Parallel to Hexagonal Axis[J]. Transactions of the Japan Institute of Metals, 1963, 4(1): 1-8.

[32] CONRAD H, ROBERTSON W D. Effect of Temperature on the Flow Stress and Strain-Hardening Coefficient of Magnesium Single Crystals[J]. JOM, 1957, 9(4): 503-512.

[33] BURKE E C, HIBBARD W R. Plastic Deformation of Magnesium Single Crystals[J]. JOM, 1952, 4(3): 295-303.

[34] WANG Jing-ya, CHEN Yi-wen, CHEN Zhe, et al. Deformation Mechanisms of Mg-Ca-Zn Alloys Studied by Means of Micropillar Compression Tests[J]. Acta Materialia, 2021, 217: 117151.

[35] LEE J K, LEE B J. The Origin of Activation of Non-Basal Slip in Mg-Ce Dilute Alloy: An Atomistic Simulation Study[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2021, 52(3): 964-974.

Effect of Ce on Mechanical Property and Thermal Stability of Extruded Mg-Ca Alloy

LI Jing-ren, XIE Dong-sheng, ZHANG Dong-dong, XIE Hong-bo, PAN Hu-cheng, REN Yu-ping, QIN Gao-wu

(Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

The work aims to investigate the effect of 0.3wt.% Ce and 0.6wt.% Ca on microstructure, mechanical properties and thermal stability of extruded Mg-0.2Ca alloy and explore the strengthening and stabilization effect of Ce and Ca on Mg alloy at medium and high temperature. Firstly, Mg-0.2Ca, Mg-0.2Ce-0.3Ce and Mg-0.8Ca alloys were melted and prepared. Then, the three alloys were extruded and the microstructure and mechanical properties of the extruded alloys were characterized and tested. Finally, the alloys were subject to isothermal annealing at 300 °C and their microstructure evolution process and decrease of mechanical properties were studied. Adding 0.3wt.% Ce to Mg-0.2Ca alloy reduced the recrystallization fraction of extruded alloy from about 92% to about 53% and the recrystallized grain size refined from about 1.64 μm to about 0.86 μm. The yield strength of Mg-0.2Ca-0.3Ce ternary alloy significantly increased to about 364 MPa, which was equivalent to that of Mg-0.8Ca alloy (about 361 MPa), indicating that Ce per unit mass had stronger strengthening effect than Ca. The yield strength of Mg-0.2Ca-0.3Ce ternary alloy decreased by about 124 MPa after annealing of 3 h, which was significantly lower than that of Mg-Ca binary alloy (170 MPa). With the Mg-0.2Ca-0.3Ce alloy as an example, static recrystallization microstructure evolution analysis revealed that the static recrystallization process produced rare earth texture, and its recrystallization mechanism was discontinuous static recrystallization (DDRX). In summary, adding 0.3wt.% Ce into extruded Mg-0.2Ca alloy increases yield strength from about 307 MPa to about 364 MPa, which is equivalent to the strength of 0.6wt.% Ca alloy. Mg-Ca-Ce ternary alloy has higher thermal stability than Mg-Ca binary alloy.

wrought Mg alloy; micro-alloying; mechanical properties; dislocation; thermal stability

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.001

TG379

A

1674-6457(2023)02-0001-10

2022–07–01

2022-07-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3701002）；國(guó)家自然科學(xué)基金（U2167213，51971053）；中國(guó)科協(xié)“青年托舉”工程項(xiàng)目（2019–2021QNRC001，2019–2021QNRC002，2019–2021QNRC003）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（N2202020）

National Key Research and Development Program of China (2021YFB3701002); National Nature Science Foundation of China (U2167213, 51971053); Young Elite Scientists Sponsorship Program by CAST (2019-2021QNRC001, 2019-2021 QNRC002, 2019-2021QNRC003); Fundamental Research Funds for the Central Universities (N2202020)

李景仁（1992—），男，博士生，主要研究方向?yàn)閿D壓鎂合金變形機(jī)制。

LI Jing-ren (1992-), Male, Doctoral candidate, Research focus: deformation mechanisms of extrusion magnesium alloys.

潘虎成（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楦咝阅苕V合金設(shè)計(jì)、制備及變形和強(qiáng)化機(jī)制。

PAN Hu-cheng (1988-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: design, preparation, deformation and strengthening mechanism of high performance magnesium alloys.

李景仁, 謝東升, 張棟棟, 等. Ce添加對(duì)Mg–Ca擠壓合金力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性影響研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 1-10.

LI Jing-ren, XIE Dong-sheng, ZHANG Dong-dong, et al. Effect of Ce on Mechanical Property and Thermal Stability of Extruded Mg-Ca Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 1-10.