Y,Ce對Mg-Mn-RE系合金顯微組織和力學性能的影響

隋 美, 劉喜明

(長春工業大學材料科學與工程學院,吉林長春 130012)

0 引 言

鎂合金是目前最輕的結構金屬材料,具有比重小、比強度和比剛度高、阻尼性能好、切削加工性好、導熱性好等優點。但是鎂合金的強度不高,特別是高溫性能較差,所以提高鎂合金的室溫強度和高溫強度是鎂合金研究中要解決的首要問題[1-4]。為此,研究了能使鎂合金性能有所提高的新型鎂合金,尤其近年來較廣泛深入研究的稀土鎂合金,以少量多元為基本合金化原則,新合金的基本屬性在諸多方面不被人們認知,目前可能提供的基本信息也很不全面[5]。在眾多稀土元素中,Y和Ce備受人們關注。稀土元素 Y在Mg中的固溶極限可達12.4%,隨著溫度下降,溶解度降低,析出高熔點的析出相,抑制擴散,對基體起到析出強化的作用,提高高溫性能。此外,Ce單獨加入到鎂合金中可以提高力學性能,同時Ce在鎂合金中溶解度很小,凝固時Ce原子被排擠到固液界面,可以阻止已有晶體生長、形成較大的成分過冷,以促進形核,并使晶體分枝形成細的縮頸,易于熔斷脫落,從而細化鎂合金晶粒[6]。因此,文中以Mg-Mn二元合金作為基合金,采用微合金化(加入Y,Ce,Gd,Er等)熔煉設計了幾種合金,對加入不同含量的Y,Ce的Mg-Mn-RE系合金進行比較,對比分析了幾種合金的鑄態顯微組織、微區成分、物相構成及力學性能,為Mg-Mn-RE系列合金的工程應用和高性能新合金的研制提供了實驗依據。

1 實驗材料及方法

實驗用原料為Mg(99.5wt%),Mg-10wt%Mn,Mg-20wt%Y,Mg-20wt%Ce中間合金,其中Gd,Dy,Ho和Er等稀土元素包含在中間合金中。首先將鎂加熱到720℃,保溫30 min;當鎂全部熔化后,加入Mg-Mn中間合金,然后繼續升溫至780℃,保溫30 min,最后在鑄型為80 mm的鋼模中以720℃的澆鑄溫度進行澆鑄;用同樣的方法,在加入4種不同含量的Mg-Mn中間合金后,緩慢加入4種不同含量的Mg-Y和Mg-Ce中間合金,保溫 30 min后,攪拌5 min,以保證 Y和Ce的充分均勻分布,然后靜置處理,最后同樣在鑄型為80 mm的鋼模中以720℃的澆鑄溫度進行澆鑄。為防止鎂合金的氧化與燃燒,在整個熔煉和澆注過程中用CO2-0.05%SF6混合氣體進行保護。

對5種實驗合金進行化學成分分析,結果見表1。

表1 Mg-Mn-RE合金的化學成分 wt%

分別在5個鑄錠中間部位取樣,然后用Ni-KON EPIPHOT 300型金相顯微鏡對顯微組織進行分析。用D/Max 2000/PC型X射線衍射儀(X-ray Diffraction,XRD)分析相組成,實驗條件為Cu靶Kα,Ni濾波片,掃描速度1°/min,掃描范圍 20°～80°。

用FM-700型顯微硬度計進行硬度測試,測試條件為:載荷為25 g,加載時間為15 s,每個數據為同一個試樣同一表面的不同3點的平均值。用有效尺寸為15 mm×4 mm×2 mm拉伸樣品在CM T5205型電子萬能材料試驗機(拉伸實驗體系)上進行拉伸試驗。

2 實驗結果

2.1 合金的鑄態組織

Mg-Mn-RE系合金鑄態顯微組織如圖1所示。

圖1 加入不同Y和Ce含量的Mg-Mn-RE合金的顯微組織

可以看出,1#Mg-Mn合金的晶粒粗大,顆粒較少。對比2#,3#和5#合金,其Ce含量相同,顯微組織的改變是由Y含量的不同決定的,隨著Y含量的增加,組織變得不均勻,析出的合金化顆粒增多,達到了第二相強化的效果(見圖1(b),(c),(e));對比3#和4#合金,其 Y 含量相同,顯微組織的改變是由Ce含量的不同決定的,隨著Ce含量的增加,可以在某些晶粒內部應力高度集中的地方觀察到帶狀細小的孿晶(見圖1(d))。

2.2 合金的化學成分

為了確定加入稀土前后Mg-Mn-RE系合金微區成分的變化,對1#Mg-Mn合金和2#Mg-Mn-RE合金進行能譜分析。Mg-Mn-RE系合金的能譜分析如圖2所示。

結果表明,在兩種合金中,基體都是Mg元素,在1#Mg-Mn合金晶粒內部主要是由Mg單質和Mn單質組成;在2#Mg-Mn-RE合金晶粒內部的合金相顆粒主要是由Mg-Y和Mg-Ce組成。

2.3 合金的物相檢測結果

Mg-Mn-RE合金XRD圖譜如圖3所示。

為了確定含有稀土元素合金中新生成化合物的成分,對比了1#Mg-Mn和4#Mg-Mn-RE合金的XRD譜,結果見圖3(a);為了確定含有不同量稀土的Mg-Mn-RE合金新生化合物是否有相同,對比了2#,3#,4#和5#Mg-Mn-RE合金的XRD譜,結果見圖3(b)。

結果表明,1#Mg-Mn合金是由2-Mg相構成;2#,3#,4#和5#Mg-Mn-RE合金是由2-Mg相、Mg12Ce相和Mg24Y5相構成。

圖2 Mg-Mn-RE合金EDS分析

圖3 Mg-Mn-RE合金XRD圖譜

2.4 合金的力學性能測試結果

對Mg-Mn-RE系合金進行顯微硬度測定,結果見表2。

表2 Mg-Mn-RE合金的顯微硬度

由于4#合金的Y和Ce的含量均為2#合金的2倍,為了對比Y和Ce對合金的共同作用的結果,對兩種合金進行室溫拉伸性能測定,拉伸速度為0.5 mm·min-1,結果見表3。

表3 Mg-Mn-RE合金的拉伸性能

3 分析與討論

3.1 Y,Ce對合金顯微組織的影響

Y和Mg均為密排六方晶格,晶格常數很接近,原子半徑也相差不大[7]。通過金屬結晶原理中晶粒形核核心的原則,可以得出:Y成為α-Mg的異質結晶核心,進而阻礙晶粒的長大,起到對鎂合金細晶強化的作用。Ce在鎂合金中溶解度很小,凝固時Ce原子被排擠到固液界面,可以阻止已有晶體生長,形成較大的成分過冷以促進形核,并使晶體分枝形成細的縮頸,易于熔斷脫落,從而細化鎂合金晶粒。合金中形成化合物Mg12Ce,Mg24Y5,在結晶過程中會首先析出,阻止鎂合金晶粒的長大和晶界的滑移,細化了晶粒。Y和Ce同時添加時,它們的細化作用疊加,從而促進了鑄態合金組織的細化。

利用X射線衍射儀分析試樣的相組成,結果表明,由Mg-Mn二元合金相圖[8]可知,在Mn含量低于2.0%時,Mg與Mn不發生任何反應,只是以一種含Mn量高的方式從基體組織中析出,而實驗所用的Mg-Mn-RE系合金中,Mn含量均低于2.0%,所以Mg與 Mn不能形成化合物,加入的Mn原子是以純Mn的形式從基體α-Mg中析出(在能譜中體現了Mn的存在)。但由于Mn元素含量少,在XRD中無法檢測到它們以何種形式存在。因此,1#Mg-Mn合金主要是由基體組織α-Mg組成。與1#Mg-Mn合金XRD譜相同,Mg-Mn-RE合金的XRD譜存在著α-Mg基體的峰,但是同時出現了Mg-Mn合金XRD譜中不存在的Mg12Ce和 Mg24Y5相的峰。對比 4種Mg-Mn-RE合金,可以發現加入Y,Ce量的不同,只改變了衍射線的強度,并沒有改變新生成化合物的成分。由此可以推斷,合金組織中出現的化合物應為Mg12Ce和Mg24Y5。由于Gd,Dy,Ho和Er等稀土元素含量比Mn的含量還小,更加無法檢測到。

3.2 Y,Ce對合金力學性能的影響

從表2可以看出,在5種合金中,4#和5#合金的硬度最高,均超過60,1#Mg-Mn合金的硬度最低,這是由于在5種合金中5#合金Y含量最多,4#合金中Ce含量最多,1#合金中未加入稀土元素。可見加入Y和Ce的合金硬度顯著增強。由于2#,3#和5#合金的Ce含量相同,其硬度的變化取決于Y的含量,Y對Mg-Mn-RE合金硬度的影響如圖4所示。

圖4 Y對Mg-M n-RE合金硬度的影響

從圖4中可以直觀地看出,Mg-Mn-RE合金硬度隨Y的變化,可見合金的硬度與Y的含量成正比;同樣,由于3#和 4#合金的 Y 含量相同,其硬度的變化取決于Ce的含量,合金的硬度與Ce的含量成正比。

對比2#和4#合金,從表3可以看出,4#合金的抗拉強度 σb為151 MPa,比 2#合金的99 MPa提高了52.52%:2#合金的延伸率δ為4.7%,4#合金的延伸率δ為7%。可見,當Y和Ce的含量增大為原來的2倍時,抗拉強度σb和延伸率δ均有明顯地提高,但合金屈服強度σ0.2沒有太大變化。

兩種合金拉伸斷口如圖5所示。

圖5 Mg-Mn-RE合金的SEM斷口

可以看出,兩種合金拉伸后斷口無明顯頸縮現象,斷口上可觀察到解理臺階與撕裂棱,具有典型的脆性解理斷裂的特征。當Y和Ce的含量增大為原來的2倍時,沒有改變其斷裂類型。

4 結 語

1)加入一定量Y和Ce后的Mg-Mn-RE系合金形成新的化合物,在結晶過程中會首先析出,阻止鎂合金晶粒的長大和晶界的滑移,從而細化合金顯微組織;加入不同量的 Y,Ce后的Mg-Mn-RE系合金的物相構成沒有變化,形成的化合物均為Mg12Ce和Mg24Y5。

2)Y和Ce的加入顯著提高了合金力學性能,使合金的硬度、抗拉強度和延伸率都隨Y和Ce含量的增加而增強,但屈服強度沒有太大變化,也沒有改變合金的斷裂形式。

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