稀土Nd對AZ 31鎂合金鑄態組織和力學性能的影響

柏媛媛，魏汝飛，董 方，樂啟熾，張志強，寶 磊(.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽089；.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山，400；.內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古自治區包頭0400)

稀土Nd對AZ 31鎂合金鑄態組織和力學性能的影響

柏媛媛1，魏汝飛2，董 方3，樂啟熾1，張志強1，寶 磊1
(1.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽110819；2.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山，243002；3.內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古自治區包頭014010)

利用氣氛電阻爐制備了AZ 31-xNd合金(x=0.05%，0.1%，0.2%，0.4%,0.6%)，采用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子能譜分析儀(EDS)對不同Nd含量的實驗合金進行了顯微組織觀察和分析，結果發現，Nd在AZ 31-xNd合金中形成了Al3Nd和Mg12Nd相，這些含Nd相導致AZ 31鎂合金在凝固過程中的晶粒細化，從而提高了AZ31鎂合金的鑄態室溫力學性能，隨著Nd含量的增加，合金的鑄態室溫抗拉強度極限和延伸率均先升高后降低.

AZ 31鎂合金；稀土；第二相；組織；力學性能

鎂及鎂合金是目前使用的金屬結構材料中最輕的材料，其密度為1.78 g/cm3，是鐵的1/4，鋁的2/3[1]，具有比強度高、比剛度高、電磁屏蔽性能好、機械加工性能好、易回收等眾多優點.目前，鎂合金的主要成型方式之一是鑄造[2]，這是因為密排六方結構的鎂合金，對稱性極低，可開動的滑移系較面心立方結構和體心立方結構的金屬要少，導致塑性變形困難，影響了鎂合金的開發和應用.加工成型性差和耐蝕性差是影響鎂合金研究和開發較慢的主要原因，另外高溫抗氧化性能差也是限制鎂合金進一步應用的重要因素，因此對其進一步的研究顯得尤為必要.AZ 31鎂合金價格低廉，而且強度高，塑性好，是目前工程上使用最多的變形鎂合金.鎂合金通常添加稀土元素來改善組織，提高性能.稀土金屬在鎂中的溶解度在各元素之間有很大差別， Y和Sc在鎂中的極限固溶度(質量分數)最大， Nd居中，La和Ce較小.Y的極限溶解度為11.4%，Sc為24.6%，Nd為3.6%,，La和Ce分別為0.79%和0.52%.已有的研究表明：添加Ce和La可以提高AM60鎂合金的耐蝕性[3]，Al11RE3相可以提高AZ 91鎂合金的高溫性能[4]，添加Nd可以提高AZ31熱軋板材的抗拉強度[5].稀土元素作為細化劑添加到合金中可以凈化合金熔體、改善合金鑄造性能及細化合金組織[6-8].這是因為多數的稀土元素的原子尺寸與鎂的原子尺寸接近，但是稀土元素Nd對AZ31鎂合金鑄態組織和性能的影響報道并不多見.作者通過在AZ31鎂合金中添加不同含量的Nd，比較它們對AZ31鎂合金的影響，希望在不降低塑性的前提下，提高鎂合金的力學性能.

1 實驗方法

本實驗向工業牌號為AZ 31的母合金中以Mg-Nd中間合金的形式加入質量分數為0.05%，0.1%，0.2%，0.4%和0.6%的稀土Nd.合金在氬氣保護下在自制的電阻爐中熔煉，為了減少鎂合金的燒損，熔煉溫度為 720 ℃，通過攪拌使合金元素分布均勻，靜置20 min后將合金液澆注至金屬模， 形成 220 mm×20 mm×10 mm 的鑄錠.鑄錠的均勻化退火是在箱式電阻爐中進行的，退火制度為 420 ℃ × 12 h.鑄態拉伸試樣是從沿鑄錠的軸向方向切取圓柱狀試樣，規格為Φ10 mm，每種成分的試樣各取5個，通過機加工成如圖1所示的拉伸試樣.拉伸試驗在WDW-200D電子萬能試驗機上進行，拉速 2 mm/min，性能數據取5根試樣的平均值.試樣腐蝕采用苦味酸酒精溶液，顯微結構觀察采用Axiovert 25蔡司光學顯微鏡，斷口形貌觀察采用QUANTA400環境掃描電子顯微鏡.采用BRUKER(D8 ADVANCE)型X-射線衍射儀對合金物相進行分析.表1是實驗所用AZ31鎂合金的化學成分.

圖1 鑄態拉伸試樣的尺寸Fig.1 Dimension of as-cast tensile specimen

表1 實驗用AZ31鎂合金的化學成分(質量分數)

2 結果與討論

2.1 Nd對AZ 31鎂合金相組成的影響

圖2為用掃描電鏡觀察到的AZ 31鎂合金的微觀組織及能譜分析圖，從圖中可以明顯看出，未添加Nd的AZ31鎂合金中析出相呈長桿狀，進行能譜分析得出白色桿狀析出相的Mg、Al元素的摩爾比與β-Mg17Al12相相近，說明第二相為β-Mg17Al12相，即AZ31鎂合金由基體α-Mg相和第二相β-Mg17Al12相組成；向AZ31鎂合金中添加Nd后，合金中發現有彌散分布的細小顆粒狀析出相，并且桿狀析出相減少，通過能譜分析得出析出相為β-Mg17Al12相和鎂稀土相；表明AZ31鎂合金添加Nd后析出相發生變化，除了原有的基體α-Mg相和第二相β-Mg17Al12相之外，還有新的第二相生成.并且由圖3中X射線衍射分析的結果表明新的析出相為Al3Nd相，Al3Nd相的數量在w[Nd] 為0.4%時達到最大.

2.2 Nd對AZ31鎂合金微觀組織影響

利用金相顯微鏡對AZ31-Nd鎂合金試樣進行顯微組織觀察分析，圖4是稀土化AZ31鎂合金經過均勻化處理后的鑄態金相照片，由圖可看出，基體為α固溶體，枝晶間和晶界處分布少量的骨骼狀第二相Mg17Al12，且等軸晶晶粒粗大，晶粒大小不均勻.加入稀土Nd后，晶粒明顯細化，在Nd質量分數為0.4%時細化效果最好；Nd質量分數超過0.4%后晶粒又會發生粗化.圖5是通過ImageJ軟件測得的稀土化AZ31鎂合金的平均晶粒尺寸，由圖可以看出，Nd可以明顯細化AZ31鎂合金的晶粒.Nd質量分數為0.4%時合金平均晶粒尺寸最小為 18 μm，比未添加Nd時的 58 μm 降低了73.5%.

AZ 31鎂合金中添加Nd會細化晶粒，使得晶界數目增多，阻礙位錯運動，從而提高了合金的強度.根據材料強度學，在體積和變形量相同的情況下，晶粒越細，參與變形的晶粒就越多，每個晶粒的受力就越均勻，應力集中難以產生[9],細晶強化是改善合金性能的一個主要因素.

圖2 AZ31-xNd 合金顯微組織及能譜分析Fig.2 Microstructure and EDS spectra of AZ31-xNd alloys(a)—AZ 31; (b)—AZ 31+0.4%Nd

圖3 AZ31-xNd合金的XRD圖譜Fig.3 X-Ray diffraction patterns of AZ31-xNd alloys

如果鎂合金中同時存在Al和Nd，根據金屬間化合物的形成規則：兩種金屬元素的電負性差值越大，金屬間化合物越容易生成，Mg和Nd電負性差值為0.1小于Al和Nd的電負性差值0.4，所以Nd會優先和Al生成Al3Nd相，如果還有多余的Nd才會跟Mg結合[10].已有的研究表明[8-9]，如果RE的質量超過Al質量的1.4倍，Al11RE3相的生成會消耗掉所有的Al元素，Mg12RE相的生成才會消耗剩余的RE.Al3Nd相的析出是改善合金性能的另一個因素，鎂合金屬于易裂合金，對應力集中敏感，長桿狀的析出相會切割基體，使界面形成裂紋源而降低強度，但細小彌散的析出相對合金具有很好的強化作用.從以上的分析可以看出，向AZ 31鎂合金中加入Nd，鎂合金中析出細小彌散的Al3Nd化合物，Al3Nd化合物的生成會改善了鎂合金的性能.

2.3 Nd對AZ31鎂合金力學性能的影響

添加0.05%Nd，0.1%Nd，0.2%Nd，0.4%Nd和0.6%(質量分數)Nd的AZ31鎂合金鑄錠在經過均勻化處理以后，它們的力學性能有了一定的變化，如圖6所示.不添加任何合金元素的AZ31鎂合金的鑄態抗拉強度為135 MPa，延伸率為3.08%[11]，從圖6可以看出，Nd對AZ31鎂合金拉伸性能的影響較為復雜，隨Nd含量的升高，AZ31-Nd鎂合金的強度極限和延伸率均先增加后降低，在w[Nd] 為0.4%時抗拉強度和伸長率達到峰值，分別為 175 MPa 和12.8%，說明稀土元素Nd可以提高AZ31鎂合金的強度，同時又可以改善其塑性.

圖4 不同Nd含量的AZ 31鎂合金的退火后顯微組織Fig.4 As-cast microstructure of AZ 31 magnesium alloy with different neodymium content(a)—AZ 31; (b)—AZ 31-0.1%Nd; (c)—AZ 31-0.4%Nd; (d)—AZ 31-0.6%Nd

圖5 Nd含量對AZ31平均晶粒尺寸的影響Fig.5 Effect of neodymium addition on the average grain size of AZ31alloy

圖6 Nd添加量對AZ31鎂合金室溫力學性能的影響 Fig.6 Effect of neodymium addition on mechanical properties of AZ31alloy at room temperature

2.4 斷口形貌分析

為了更深入地了解Nd對AZ 31鎂合金性能的影響，需要考察Nd對AZ 31鎂合金的拉伸斷裂機制的影響.室溫下AZ 31鎂合金的拉伸斷口形貌如圖7所示，從圖7的斷口形貌可以看出，AZ31-Nd鎂合金在室溫拉伸時沒有發生明顯的縮頸現象，不添加Nd和添加0.05%Nd時合金的斷裂為脆性斷裂，其余的合金為韌性斷裂，斷口上可以看到呈纖維狀的細小凹凸，隨著Nd含量的不斷增加，斷口上的韌窩不斷增多，韌窩也不斷變深.圖7(b)可以看到明顯的撕裂棱，韌窩為伸長型韌窩，與斷裂方向垂直，韌窩尺寸大但是不如圖7(d)的韌窩深，(d)的韌窩最深說明它的塑性好.由于添加稀土Nd后在鎂合金晶界處形成了Al3Nd，在室溫下進行拉伸變形時，在所測試的合金范圍內，隨Nd含量的增加，AZ 31鎂合金的塑性先升高后降低，在Nd含量(質量分數)為0.4%時取得最好的強度和塑性效果.這進一步說明稀土元素添加到合金中可以細化合金的組織,優化合金的性能，但是含量過高時會惡化合金性能.

圖7 不同Nd含量的AZ31鎂合金的室溫拉伸斷口形貌Fig.7 SEM fractography of AZ31 alloy with different neodymium addition at room temperature(a)—AZ31-0.05%Nd; (b)—AZ31-0.1%Nd; (c)—AZ31-0.2%Nd; (d)—AZ31-0.4%Nd; (e)—AZ31-0.6%Nd

3 結 論

(1)添加0.05%～0.6%的Nd到AZ31鎂合金中可以細化合金的晶粒，并且在w[Nd] 達到0.4%時合金的晶粒最細小.AZ31鎂合金中加入Nd產生的Al3Nd化合物是使合金細化的主要原因.

(2)向AZ31鎂合金中加入0.05%～0.6%的Nd可以提高鎂合金的抗拉強度和伸長率，并且在w[Nd] 為0.4%時抗拉強度和伸長率均到達最大值，分別為 175 MPa和12.8%.

(3)隨著鎂合金中Nd含量的增加，Al3Nd逐漸粗化且數量增多，對基體產生切割，形成裂紋源，使析出強化作用變弱，所以w[Nd] 超過0.4%后合金的力學性能下降.

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Effect of neodymium on the as-cast microstructure and mechanical properties of AZ 31 magnesium alloy

Bai Yuanyuan1, Wei Rufei2, Dong Fang3, Le Qichi1, Zhang Zhiqiang1, Bao Lei1

(1. Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110004, China;2. School of Metallurgy Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China;3.School of Material and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

An AZ 31-xNd alloy was made in an atmosphere resistance furnace (x=0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%). The microstructure observation and analysis of the alloy with different neodymium content were carried out by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and electron spectroscopy analyzer (EDS). The experimental results shows that neodymium formes Al3Nd and Mg12Nd phases in the AZ 31-xNd alloy, causing grain refinement of AZ31 magnesium alloy, thus improving the mechanical properties at the room temperature. The as-cast ultimate strength and elongation first increases and then decreases with increase of neodymium content.

AZ 31 magnesium alloy; rare earth; second phase; microstructure; mechanical properties

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.010

TF 7045

A

1671-6620(2017)01-0053-05