鈰鑭合金室溫壓縮變形行為

徐文良，崔 奇，李成杰＊

（中國工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621700）

鈰(Ce)是鑭系金屬中一種元素，其原子序數為58，主要存在于天然礦石如獨居石、氟碳鈰礦中，也少量存在于核反應產物中，是豐度最高的稀土元素[1]。鈰具有獨特的4f 電子結構，很大程度上決定了其豐富的相結構特點[2]，因其獨特的相變行為，受到了研究人員的廣泛關注，綜合國內外研究結果[4-6]，目前已經發現的固態相有7 種：α 相(FCC 結構)，β 相(DHCP 結 構)，γ 相(FCC 結 構)，δ 相(BCC 結 構)，α’ 相(C-type orthorhombic or theα-U structure)，α”相(C2/m monoclinic)和ε 相(BCT 結構)。在標準大氣壓下，當溫度低于110K 時，α 相是穩定的；β 相穩定存在的溫度區間為45～275K；而γ 相穩定存在溫度區間為270～999K；δ 相為高溫相，其穩定存在的溫度區間為999～1071K(熔點)。

在常壓條件下，α 相、β 相和γ 相即可穩定存在，且通過改變溫度和壓力等條件，三者可以相互轉化，因此在這方面受到了學者的廣泛關注[7-9]。

金屬鈰（Ce）和鑭（La）的原子半徑相差不大，僅為1.48%，其原子半徑分別為2.7? 和2.74?；并且其電負性也基本接近，分別為1.12 和1.10。根據Hume-Rothery 規則，在金屬Ce 中添加La 元素，形成的二元合金體系為連續固溶體，即Ce-La 合金為單一且均勻的相[10]。盡管多年來，關于鈰與鈰鑭合金的相變行為等方面的研究較多，但關于鈰與鈰鑭合金力學性能以及塑性變形行為等方面的研究卻鮮有報道[11]。

因此，本文以鑄態Ce-5wt.%La 合金為研究對象，對其進行室溫壓縮變形，旨在探明其室溫條件下的力學性能與塑性變形行為。

1 試驗材料與方法

本文以鑄態Ce-5wt.%La 合金為初始材料，將其加工成為φ8mm×12mm 的圓柱體，然后在MST-E44 電子萬能試驗機上進行壓縮變形，其中壓縮應變速率為1.0×10-3s-1。在HV-1000AT 型自動轉塔顯微硬度計上對壓縮變形前后的材料進行硬度測試，其中試驗力為50gf，保荷時間（Dwells）為15s。

測試前試樣的制備步驟如下：沿著壓縮試樣的中軸線將樣品平均剖成兩部分，對所取的試樣進行鑲樣，隨后對測試面進行拋光處理，其中測試面為沿著壓縮方向的平面。為確保實驗數據的準確性，每個試樣測試6 個不同點，然后取平均值作為試樣的硬度。

圖1 Ce-5wt.%La 合金的顯微組織及其晶粒尺寸分布

利用BXFM 型光學金相顯微鏡對壓縮變形前后試樣的顯微組織進行觀察，其中金相試樣制備過程如下：在金相砂紙上將試樣磨光，然后用絲絨拋光布進行拋光處理，使用成分為硝酸(70%)：異丙醇：水=1:5:4（體積比）的浸蝕劑對拋光后的樣品進行浸蝕，最后在顯微鏡上觀察顯微組織，并用截距法對晶粒尺寸進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 鑄態Ce-5 wt.%La 合金的顯微組織

圖1 所示為鑄態Ce-5 wt.%La 合金的金相顯微組織及其晶粒尺寸分布，從圖1(a)可以看出，鑄態合金的顯微組織為等軸晶組織，最大晶粒達173.8μm，其平均晶粒尺寸為82.8μm，對不同金相顯微組織圖片中超過600 個晶粒進行統計分析，結果表明，鑄態合金的晶粒尺寸分布基本上呈正態分布，絕大多數晶粒尺寸集中分布在50μm～120μm 之間，鑄態合金的晶粒大小較為均勻。

2.2 鑄態Ce-5 wt.%La 合金的壓縮力學性能

圖2 Ce-5wt.%La 合金的壓縮真應力-真應變曲線及其加工硬化曲線

圖2 給出了鑄態Ce-5 wt.%La 合金的室溫壓縮力學曲線及其加工硬化曲線，其基本的力學性能在表1 中列出。結果表明，Ce-5wt.%La 合金表現出相對較低的壓縮屈服強度，僅為46.6 MPa。但是，隨著壓縮變形量的增加，表現出正向增長的加工硬化能力，如圖2 所示，即：

其中，θ 為加工硬化率，σ 為真應力，ε 為真應變。

因此，鑄態Ce-5 wt.%La 合金表現出極其優異的室溫壓縮塑性，其最大真應變達到0.475，抗壓強度達到255.5 MPa。

表1 鑄態Ce-5wt.%La 合金室溫壓縮力學性能

2.3 壓縮變形前后Ce-5 wt.%La 合金的顯微組織和硬度變化

圖3 壓縮變形前后Ce-5wt.%La 合金顯微硬度

圖4 壓縮變形后試樣不同區域的顯微組織

利用HV-1000AT 型自動轉塔顯微硬度計對壓縮變形前后的Ce-5wt.%La 合金進行硬度測試，如圖3 所示，結果表明，Ce-5wt.%La 合金經過室溫壓縮變形后，其顯微硬度顯著提高，由鑄態的31.3±0.9HV 提高至39.0±1.0HV。

其中試驗力為50gf，保荷時間（Dwells）為15s。測試前試樣的制備步驟如下：沿著壓縮試樣的中軸線將樣品平均剖成兩部分，對所取的試樣進行鑲樣，隨后對測試面進行拋光處理，其中測試面為沿著壓縮方向的平面。為確保實驗數據的準確性，每個試樣測試6 個不同點，然后取平均值作為試樣的硬度。

對壓縮變形后的Ce-5wt.%La 合金試樣沿著壓縮中軸線進行剖切，然后對試樣中心和邊緣區域分別進行顯微組織觀察，結果如圖4 所示，因壓縮變形量相對較大，在試樣的中心區域出現了與中軸線呈近45°的剪切裂紋和孔洞。Ce-5wt.%La 合金的晶粒不再呈現出等軸狀，明顯被拉長，甚至破碎。

從試樣中心區域的顯微組織觀察發現，除了被拉長的晶粒和破碎的組織外，還有少量的孿晶組織，由于Ce-5wt.%La 合金在室溫條件下，為典型的FCC 結構金屬，室溫滑移系較多，所以，可以推測，試樣中心區域主要以位錯滑移為主，孿生變形為輔。但是從試樣邊緣區域的顯微組織中，可以觀察到大量的孿晶組織，這表明，因試樣的邊緣區域變形量大、變形劇烈，且鈰鑭合金的層錯能相對較低[12]，所以，試樣的邊緣區域因變形量大、變形劇烈，導致應力集中，為緩解應力集中，從而出現大量孿晶變形，而形成孿晶組織。

3 結論

本文研究了鑄態Ce-5wt.%La 合金室溫壓縮變形行為，盡管Ce-5wt.%La 合金表現出相對較低的屈服強度，但是隨著變形量的增加，加工硬化率呈現出正向增長的趨勢，因此，Ce-5wt.%La 合金表現出良好的室溫塑性和抗壓強度。Ce-5wt.%La 合金在室溫壓縮變形過程中，主要以位錯滑移和孿生變形為主，在變形劇烈的邊緣區域，孿生變形起到重要的作用。