Nd對Mg－6Zn－Mn鎂合金顯微組織和力學性能的影響

張丁非，張紅菊，段作衡，齊福剛，潘復生

（1重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400045；2重慶大學 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044）

鎂合金因其具有密度小，比強度和比剛度高，易于成型，良好的電磁屏蔽效應等優點，而被廣泛應用于汽車、電子、3C等相關行業［1－4］。在眾多鎂合金系中，Mg－Zn系合金具有較高的強度、良好的塑性、較低的生產成本等特性，而受到人們越來越多的關注。然而，Mg－Zn二元合金的結晶溫度區間大，存在流動性較差、易產生顯微疏松、晶粒細化困難等問題，而極大地限制了其廣泛的工業應用［5］。為此，在商業鑄件和變形Mg－Zn系合金的生產中，往往需要添加其他合金元素以提高其綜合力學性能［6］。

以往研究發現，稀土Nd可以改善鎂合金的流動性，起到細化晶粒、強化固溶體、強化晶界的作用，進而改善合金的綜合力學性能［7－9］。如丁文江等［10］研究了Nd含量對Mg－5Zn－0.4Zr合金熱軋后力學性能的影響。研究發現，當Nd含量為1%（質量分數，下同）時，Mg－5Zn－0.4Zr合金的綜合力學性能最好，作者們將其歸因于稀土Nd具有細化晶粒的作用。Mg－6Zn－Mn鎂合金是本課題組近來開發的一種新型高強鎂合金，研究表明，Mg－6Zn－Mn合金能在310～330℃低溫擠壓獲得細小的完全動態再結晶晶粒，其屈服強度和抗拉強度接近T5態商用高強度ZK60鎂合金的性能。為了進一步優化其室溫綜合力學性能，本工作重點研究了稀土Nd含量對 Mg－6Zn－Mn鎂合金組織和力學性能的影響，并對其作用機理進行了探討。

1 實驗材料及方法

本實驗利用真空感應爐熔煉 Mg－6Zn－Mn－xNd（x＝0%，0.2%，0.4%，0.6%和1.0%）合金鑄錠，原料采用工業純 Mg、純Zn、Mg－3.43%Mn中間合金以及Mg－30%Nd中間合金。利用X射線熒光光譜儀XRF－1800測定合金成分，結果如表1所示。合金鑄錠去皮后，放入熱處理爐中進行330℃／16h＋420℃／4h的均勻化處理，再在360℃下進行擠壓，擠壓比為25。

表1 Mg－6Zn－Mn－xNd變形鎂合金材料成分Table 1 Chemical composition of extruded Mg－6Zn－Mn－xNd alloys

將擠壓后的鎂合金棒材，加工成標準的拉伸試樣，在CMT－5105電子萬能試驗機上進行力學性能測試，拉伸速率為3mm／min；利用MDS實驗室金相顯微鏡對合金金相組織觀察，腐蝕劑為4%硝酸酒精；采用D／MAX－2500PC型X射線衍射儀分析合金物相；使用配備了HKL Channel 5EBSD系統的FEI Nova 400型熱場發射掃描電子顯微鏡對樣品進行了EBSD分析。

2 實驗結果與分析

2.1 稀土Nd對鑄態Mg－6Zn－Mn鎂合金組織的影響

圖1為 Mg－6Zn－Mn－xNd鎂合金鑄錠經4%硝酸酒精腐蝕之后的金相組織照片。原始鎂合金鑄態組織的枝晶粗大；隨著Nd的加入，枝晶間距明顯減小，尤其當Nd含量高于0.4%后，枝晶間網狀分布的第二相明顯增多。這主要歸因于在凝固的過程中形成的第二相顆粒阻礙了枝晶的長大，從而形成更多細小的枝晶。XRD物相分析（見圖2）表明，初始合金主要由α－Mg基 體，MgZn2和 Mg7Zn3組 成［11］，其 中 MgZn2和Mg7Zn3偏聚在枝晶上，具有很好的時效強化作用。加入稀土Nd后，XRD圖譜顯示出明顯的T相（Mg－ZnNd三元共晶相，熔點為480℃左右，底心正交晶體結構，晶格常數為a＝0.96nm，b＝1.12nm，c＝0.94nm）［12，13］。當 Nd含量超過0.4%時，合金中的Mg7Zn3相消失，同時生成了MgZn相和Mn單質。這主要是由于Mg7Zn3是亞穩相，隨著環境的變化，Mg7Zn3會進一步分解成α－Mg基體和MgZn相［14］。這表明適量的稀土Nd有利于Mg7Zn3亞穩相的分解。

圖1 Mg－6Zn－Mn－xNd合金鑄態顯微組織 （a）0%；（b）0.2%；（c）0.4%；（d）0.6%；（e）1.0%Fig.1 Microstructures of as－cast Mg－6Zn－Mn－xNd alloys （a）0%；（b）0.2%；（c）0.4%；（d）0.6%；（e）1.0%

2.2 稀土Nd對擠壓態Mg－6Zn－Mn鎂合金組織的影響

圖3為 Mg－6Zn－Mn－xNd擠壓態金相照片。經過360℃擠壓，初始合金呈現出細小的等軸晶，這表明其發生了完全動態再結晶。隨著稀土Nd的添加（低于0.4%），合金呈現了不同粒徑的鑄態組織與等軸晶的混合組織，這表明適量的稀土Nd能夠有效地抑制部分晶粒發生動態再結晶。隨著稀土Nd含量的進一步增多，合金發生完全動態再結晶，形成了更加細小的等軸晶。這說明適量的Nd（0.4%以上）在Mg－6Zn－Mn鎂合金中具有顯著的細化晶粒作用。

圖2 Mg－6Zn－Mn－xNd合金 XRD物相分析（a）0%；（b）0.2%；（c）0.4%；（d）0.6%；（e）1.0%

此外，隨著Nd含量的增加，在晶界上出現了大量的第二相顆粒。EDS分析表明（見圖4），第二相顆粒主要為鎂鋅二元相與T相的混合物，T相依附于鎂鋅二元相生長。當Nd添加量較少時（0.2%），第二相顆粒基本為鎂鋅二元相；隨著Nd含量的增加（1.0%），鎂鋅二元相減少，T相顯著增加，第二相顆粒為少量的鎂鋅二元相與大量的T相的混合物。由EDS結合XRD的結果可知，大部分Nd以T相形式存在于晶界上，這也是隨著稀土Nd含量的添加，晶界上T相越多的主要原因。

2.3 稀土Nd對擠壓態Mg－6Zn－Mn鎂合金織構的影響

選取Nd含量為0.2%和0.6%的兩種合金為例，利用EBSD研究擠壓態 Mg－6Zn－Mn－0.2Nd與 Mg－6Zn－Mn－0.6Nd合金的微觀組織及晶粒取向。

圖5（a）、圖6（a）是根據晶粒菊池線襯度BC信息重構獲得的取向成像圖。BC圖可反映出樣品在EBSD表征中花樣的質量，花樣越清晰，則缺陷或內應力越小。圖5（b）、圖6（b）是根據取向信息得到的極圖。兩個樣品的〈0001〉方向都垂直于擠壓方向，但圖5（b）顯示 Mg－6Zn－Mn－0.2Nd合金中主要是方向平行于擠壓方向；而圖 6（b）顯示Mg－6Zn－Mn－0.6Nd合金則是平行于擠壓方向。Wagner等研究表明，HCP金屬形變組織的取向為取向，而再結晶后組織多為取向，因此可通過極圖的變化反映再結晶 比例的高低［15，16］。由圖可知，添加0.2% 和0.6%Nd的合金都形成〈0001〉方向垂直于擠壓方向的織構，說明隨著Nd的添加對宏觀織構（〈0001〉方向）影響較小，主要影響合金的動態再結晶的程度。合金添加0.2%的Nd，其再結晶比例低，因此織構為；當Nd含量增加至0.6%時，合金發生了完全動態再結晶，因此織構為

2.4 稀土Nd對擠壓態Mg－6Zn－Mn鎂合金室溫力學性能的影響

本實驗對擠壓態的Mg－6Zn－Mn－xNd合金進行了室溫拉伸性能測試，結果如表2所示。

表2 Mg－6Zn－Mn－xNd合金擠壓態的室溫力學性能Table 2 Mechanical properties of extruded Mg－6Zn－Mn－xNd alloys

圖7顯示了擠壓態Mg－6Zn－Mn鎂合金的屈服強度和抗拉強度隨著Nd含量的變化規律。由圖7可知，屈服強度、抗拉強度隨Nd含量的增加呈現先升后降的趨勢。Nd含量為0.2%時，屈服強度達到250MPa，比原始合金提高了約17%。當Nd含量增加至1.0%時，屈服強度回落到添加Nd元素之前的水平。當Nd含量較低時（低于0.4%），合金的動態再結晶程度較低，位錯密度相對高，但是位錯運動比較困難，因而合金展現了較高的屈服強度。然而，當Nd含量增加至0.6%時，合金在擠壓過程中完成了完全動態再結晶，位錯密度降低，位錯運動變得容易，導致了屈服強度的降低。隨著Nd含量的進一步增加，盡管晶粒得到了細化，然而在其晶界上析出了大量粗化的第二相顆粒，在外加載荷作用下易形成裂紋源，而導致合金屈服強度的降低。

圖7 Nd含量對Mg－6Zn－Mn鎂合金屈服強度和抗拉強度的影響Fig.7 Effect of Nd contents on the yield strength and tensile strength of extruded Mg－6Zn－Mn alloys

3 結論

（1）稀土Nd對鑄態 Mg－6Zn－Mn合金具有明顯的枝晶細化作用。當Nd含量低于0.4%時，鑄態合金晶粒得到明顯的細化。然而，當Nd含量超過0.6%時，在其晶界上析出粗大第二相顆粒而導致合金的綜合力學性能降低。

（2）稀土Nd對擠壓態 Mg－6Zn－Mn合金的織構影響較小，而顯著影響其動態再結晶率。當Nd含量較低時（低于0.4%），合金經擠壓時動態再結晶率較低，主要生成彌散細小的第二相；隨著Nd的增加（0.6%以上），合金發生完全的動態再結晶。然而，在晶界上析出粗大的T相，而導致合金綜合力學性能下降。

（3）適量 Nd的添加（低于0.4%），擠壓態 Mg－6Zn－Mn合金的室溫綜合力學性能最好，屈服強度達到250MPa，抗拉強度超過300MPa。

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