夏鵬舉，唐 玲，徐 峰，楊宏偉

（陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，漢中 723000）

0 引 言

在工程材料中，鎂鋁合金以其優(yōu)良的加工工藝性能、較高的比強(qiáng)度和比剛度在汽車、航空和電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在汽車減振減重部件中發(fā)揮著日益重要的作用，被稱為“21世紀(jì)的環(huán)保材料”［1－4］。但是，由于鎂鋁合金的強(qiáng)度低、韌性差以及抗高溫蠕變性能差等原因使其難以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)等部件上［5］。

在鎂鋁合金的鑄造過(guò)程中加入稀土元素不但可以凈化合金熔液，還可以改善合金的顯微組織，提高合金的綜合力學(xué)性能［6－7］。雖然目前關(guān)于稀土元素對(duì)鎂鋁合金組織與性能影響的研究報(bào)道較多，但還存在一些問(wèn)題和爭(zhēng)議，如劉榆［8］認(rèn)為AZ81鎂合金會(huì)形成離異共晶組織，但并未說(shuō)明是部分離異還是完全離異；文獻(xiàn)［9－11］認(rèn)為稀土元素細(xì)化了鎂鋁合金的晶粒，而鄭偉超等［12］則認(rèn)為稀土元素使晶粒明顯粗化。為此，作者以Mg－8Al二元合金為對(duì)象，研究了稀土釹變質(zhì)劑對(duì)其顯微組織和拉伸性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以純度為99.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的鎂錠和純度為99.9%的鋁錠為原料，采用SQ2－5－10型井式電阻爐熔煉Mg－8Al合金，在坩堝底部和爐料表面撒上RJ－2熔劑，熔煉溫度為750℃，保溫并攪拌10min后，分別加入0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%的稀土釹（采用鋁箔包裹，稀土釹的純度為99.8%，粒徑為2～4mm）對(duì) Mg－8Al合金進(jìn)行變質(zhì)處理，保溫并攪拌5min后出爐待澆；于720℃左右澆入尺寸為φ20mm×110mm的濕砂型（南京紅砂加一定量的硼酸和硫磺粉）中，采用底注式澆注系統(tǒng)，并在澆口杯下邊墊孔徑為2mm×2mm的不銹鋼網(wǎng)過(guò)濾鎂合金熔液。

從鑄坯上加工出φ10mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在計(jì)算機(jī)伺服控制的HT－2404型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫（20℃）拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2mm·min－1；距鑄坯底部20mm處截取金相試樣，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的檸檬酸水溶液作為腐蝕劑，腐蝕時(shí)間為30s；采用Nikon Epiphot型光學(xué)顯微鏡（OM）和JSM－6700F型掃描電鏡（SEM）觀察合金的顯微組織；采用OXFORD NCA型能譜儀測(cè)合金的化學(xué)成分；采用島津XRD－7000型X射線衍射儀（XRD）分析合金的物相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)顯微組織和晶粒尺寸的影響

圖1 鑄態(tài)Mg－8Al合金的OM形貌和SEM形貌Fig.1 OM image（a）and SEM image（b）of as－cast Mg－8Al alloy

由圖1（a）中可以看出，鑄態(tài) Mg－8Al合金（未加稀土釹）的初晶α－Mg以樹(shù)枝晶生長(zhǎng)，呈薔薇狀，一次枝晶粗大，二次枝晶不發(fā)達(dá)。由圖1（b）可以看出，β－Mg17Al12相在初晶α－Mg晶界和枝晶間呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，且成片的大塊狀較多。在砂型鑄造的非平衡凝固條件下，Mg－8Al合金冷卻至固相線溫度時(shí)，凝固并沒(méi)結(jié)束，枝晶間還殘留著溶質(zhì)元素鋁含量很高的少量液相；隨著溫度下降，初晶α－Mg繼續(xù)長(zhǎng)大，至共晶溫度時(shí)，殘留的液相成分接近共晶成分，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。由于初晶α－Mg很多，而殘留的液相很少，所以共晶體中的初始共晶α－Mg相將與初晶α－Mg相結(jié)合在一起，隨后共晶β－Mg17Al12相與共晶α－Mg相共生生長(zhǎng)形成部分離異的共晶組織。據(jù)文獻(xiàn)［13］報(bào)道，當(dāng)鑄態(tài)鎂鋁合金中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，非平衡凝固條件下的合金組織中會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶組織。

從圖2中可以看出，加入稀土釹變質(zhì)處理后，灰白色的α－Mg樹(shù)枝晶變得細(xì)小，分枝發(fā)達(dá)，共晶β－Mg17Al12相得到細(xì)化。這是由于稀土元素釹為活性元素，溶質(zhì)元素鋁在鎂熔液中的分配系數(shù)為0.37，而稀土釹的分配系數(shù)僅為0.04（遠(yuǎn)小于1）［14］，所以釹加入鎂鋁合金熔液后，容易聚集在α－Mg相的生長(zhǎng)界面層中，阻礙鋁原子在α－Mg相界面前沿的擴(kuò)散，抑制α－Mg相長(zhǎng)大，從而細(xì)化了晶粒；與此同時(shí)，稀土釹引起的成分過(guò)冷增加了α－Mg相的分枝，從而使得α－Mg樹(shù)枝晶的晶臂更加細(xì)化且分枝發(fā)達(dá)。在共晶轉(zhuǎn)變前，初生α－Mg相將接近共晶成分的殘余液相孤立成分散的島狀，細(xì)化了α－Mg樹(shù)枝晶間的共晶β－Mg17Al12相。稀土元素釹的加入改變了Mg－8Al合金中α－Mg和共晶β－Mg17Al12相的生長(zhǎng)形態(tài)，從而改善了共晶組織的形貌。加入稀土釹的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，變質(zhì)效果最佳。

從表1中可以看出，當(dāng)加入稀土釹的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，晶粒的尺寸最?。坏珡恼w來(lái)看，加入稀土釹后Mg－8Al合金的晶粒尺寸并無(wú)特別明顯的減小，而且當(dāng)加入釹的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%和0.8%時(shí)，晶粒尺寸反而比未加入釹時(shí)的有所增大。這說(shuō)明稀土釹的加入并沒(méi)有起到細(xì)化晶粒的作用，而是對(duì)合金組織起到了變質(zhì)作用，即改變了合金的組織形貌。

圖2 加入不同含量稀土釹變質(zhì)處理后Mg－8Al合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Mg－8Al alloy modified with different amounts of Nd

表1 加入不同含量稀土釹變質(zhì)處理后Mg－8Al合金的晶粒尺寸Tab.1 Size of grains in Mg－8Al alloy modified with different amounts of Nd

2.2 對(duì)析出相的影響

圖3 加入不同含量稀土釹變質(zhì)處理后Mg－8Al合金中共晶β－Mg17Al12相的SEM形貌Fig.3 SEM images of eutecticβ－Mg17Al12phases in Mg－8Al alloy modified with different amounts of Nd

對(duì)比圖3和圖1（b）可以看出，加入稀土釹變質(zhì)處理后，共晶β－Mg17Al12相在晶界上連續(xù)分布的情況有所改善，變成了斷續(xù)分布，成片的大塊狀明顯減少，且在枝晶間呈孤島狀的共晶β－Mg17Al12相增多。這是由于加入釹后，由于溶質(zhì)再分配使得凝固前沿產(chǎn)生了稀土釹的富集，形成了較為強(qiáng)烈的成分過(guò)冷，使α－Mg樹(shù)枝晶產(chǎn)生更多的分支，凝固后期這些分支相互連接，把殘留在其間的液體分割成無(wú)數(shù)封閉孤立的細(xì)小液島。在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，共晶α－Mg相依附于初生α－Mg相生長(zhǎng)，共晶β－Mg17Al12相在晶粒間或枝晶間單獨(dú)長(zhǎng)大，形成完全離異的共晶組織。

由圖3還可以看出，加入釹的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%和0.6%時(shí)，變質(zhì)效果較佳；結(jié)合圖4可知，加入0.4%釹變質(zhì)處理后，合金組織中除了α－Mg相和β－Mg17Al12相以外，還析出了稀土相Al11Nd3。這是由于當(dāng)加入的釹超過(guò)其在α－Mg相中的固溶極限后，在溶質(zhì)再分配的作用下釹元素就會(huì)在凝固界面前沿富集，在溫度起伏和濃度起伏的作用下，形成稀土相Al11Nd3［15］。由于該稀土相為高溫相，在初晶α－Mg相前沿的液相中形核并長(zhǎng)大，因此會(huì)被α－Mg相包圍或推至晶界。這就是在α－Mg相晶內(nèi)和晶界上都能觀察到板條狀稀土相的原因。稀土相能提高合金的高溫蠕變性能，但在常溫下使用時(shí)，過(guò)多的板條狀稀土相對(duì)合金的強(qiáng)度不利。因此對(duì)于鎂鋁合金而言，釹變質(zhì)劑的最佳加入量約為0.5%。

圖4 加入0.4%釹變質(zhì)處理后Mg－8Al合金的XRD譜Fig.4 XRD pattern of Mg－8Al alloy modified with 0.4%Nd

未變質(zhì)處理的Mg－8Al合金在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，共晶β－Mg17Al12相先形成一個(gè)暈圈［16］，然后再進(jìn)行共生生長(zhǎng)，共晶組織為不完全離異共晶，如圖5（a）所示。加入0.2%釹以后，共晶組織變?yōu)橥耆x異的共晶組織，如圖5（b）所示，可明顯減少合金中共晶組織的體積分?jǐn)?shù)，這對(duì)提高合金的力學(xué)性能有利。

圖5 變質(zhì)處理前后Mg－8Al合金中共晶β－Mg17Al12相的SEM形貌Fig.5 SEM images of eutecticβ－Mg17Al12phase in Mg－8Al alloy before（a）and after（b）modification

由表2可知，共晶β－Mg17Al12相中鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.93%，而平衡凝固時(shí)β－Mg17Al12相中鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最低值為40.2%，兩者比較接近。這說(shuō)明在釹變質(zhì)劑的作用下，凝固末期殘留在共晶液相中鋁原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已遠(yuǎn)高于共晶成分鋁原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（32.3%），共晶轉(zhuǎn)變以完全離異的方式生長(zhǎng)。

表2 加入0.2%釹變質(zhì)處理后Mg－8Al合金中共晶β－Mg17Al12相的EDS分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results of eutecticβ－Mg17Al12phase in Mg－8Al alloy modified with 0.2%Nd

圖6 加入0.4%釹變質(zhì)處理后Mg－8Al合金的SEM形貌及元素線掃描結(jié)果Fig.6 SEM morphology and elements line scanning results of Mg－8Al alloy modified with 0.4%Nd

由圖6可見(jiàn)，加入0.4%釹變質(zhì)處理后，鎂元素主要分布在α－Mg相和β－Mg17Al12相中，鋁元素主要存在于共晶β－Mg17Al12相和稀土相中，稀土元素主要存在于板條狀稀土相中。此外還可以看出，在晶界處存在隆起，而稀土相周圍則沒(méi)有。這是因?yàn)樵诰Ы缰車摩粒璏g相是凝固末期形成的，含有較高的鋁元素（較前期凝固的α－Mg相而言），因此晶界處不太容易被腐蝕劑腐蝕，從而形成了隆起；而稀土相是先于α－Mg相或在α－Mg相生長(zhǎng)前沿的液相中形核并長(zhǎng)大，被生長(zhǎng)的初晶α－Mg包圍，因此稀土相周圍的α－Mg相成分基本相同，被腐蝕劑腐蝕后不會(huì)出現(xiàn)隆起。

2.3 對(duì)拉伸性能的影響

由圖7可知，經(jīng)稀土元素釹變質(zhì)后的 Mg－8Al合金在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率方面均有顯著提升；稀土釹加入量較少時(shí)（0.2%）提升的效果不明顯，加入0.4%釹變質(zhì)處理的Mg－8Al合金的拉伸性能提升得最為明顯，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別較未變質(zhì)處理的提高了24%，11%和61%，伸長(zhǎng)率提升得最為顯著。這是因?yàn)樵贛g－8Al合金中加入活性元素釹后，改變了初晶α－Mg相和共晶組織的形態(tài)，尤其是共晶組織的形貌變化很大，且晶粒尺寸有所減小，共晶組織變?yōu)橥耆x異且體積分?jǐn)?shù)下降，完全離異的共晶β－Mg17Al12相以孤島狀分布于α－Mg相晶界和枝晶間，對(duì)α－Mg基體的割裂作用大大減弱。因此用釹對(duì)Mg－8Al合金進(jìn)行變質(zhì)處理后，合金的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率都有所提高。加入0.4%釹后，合金中開(kāi)始有少量板條狀稀土相析出，且稀土相分布在晶界或晶內(nèi)；加入0.8%釹后，由于析出的稀土相較多，硬脆的板條狀稀土相對(duì)基體具有割裂作用，因此合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有所下降。

圖7 稀土釹含量對(duì)Mg－8Al合金拉伸性能的影響Fig.7 Tensile properties vs mass fraction of Nd for Mg－8Al alloy

2.4 對(duì)拉伸斷口形貌的影響

變質(zhì)處理前，Mg－8Al合金拉伸斷口上的沿晶斷裂特征非常明顯，如圖8（a）所示；加入0.4%釹變質(zhì)處理后，沿晶斷裂特征大大減輕，如圖8（b）所示。這是因?yàn)樽冑|(zhì)處理后，共晶組織完全離異，共晶β－Mg17Al12相以孤島狀分布于α－Mg晶界和枝晶間，且共晶組織的體積分?jǐn)?shù)下降，對(duì)基體的割裂程度減輕，晶粒間的結(jié)合力大大增強(qiáng)，合金的綜合力學(xué)性能得到一定提高。

圖8 變質(zhì)處理前后Mg－8Al合金拉伸斷口縱截面的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of longitudinal section of tensile fracture of Mg－8Al alloy before（a）and after（b）modification

3 結(jié) 論

（1）Mg－8Al合金經(jīng)稀土釹變質(zhì)處理后，改變了初晶α－Mg的生長(zhǎng)形態(tài)，使α－Mg樹(shù)枝晶分支發(fā)達(dá)，但對(duì)細(xì)化α－Mg相晶粒的效果不顯著。

（2）Mg－8Al合金的共晶組織為部分離異共晶；經(jīng)稀土釹變質(zhì)處理后，合金中的共晶組織為完全離異共晶，共晶組織由未變質(zhì)時(shí)的連續(xù)網(wǎng)狀分布變?yōu)閿嗬m(xù)分布。

（3）加入0.2%釹對(duì) Mg－8Al合金的變質(zhì)效果不佳；當(dāng)加入釹的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，合金組織中出現(xiàn)了較多的板條狀稀土相Al11Nd3，對(duì)合金的室溫力學(xué)性能不利；加入0.4%釹的合金的室溫力學(xué)性能最佳，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別較變質(zhì)前提高了24%，11%和61%，此時(shí)的組織中開(kāi)始有少量板條狀稀土相Al11Nd3析出。

［1］MORDIKE B L，EBERT T. Magnesium propertiesapplications－potential［J］.Materials Science and Engineering：A，2001，302（1）：37－45.

［2］劉正.鎂合金鑄造成型最新研究進(jìn)展［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2011，30（2）：10－15.

［3］黎文獻(xiàn).鎂及鎂合金［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2005.

［4］丁文江.鎂合金科學(xué)與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［5］張津，章宗和.鎂合金及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［6］WEI L Y，DUNLOP G L.The solidification behaviour of Mg－Al－rare earth alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，1996，232：264－268.

［7］LU Y Z，WANG Q D，ZENG X Q，et al.Effects of rare earths on the microstructure，properties and fracture behavior of Mg－Al alloys［J］.Materials Science and Engineering：A，2000，278：66－76.

［8］劉榆，龍思遠(yuǎn)，陶軍.AZ81鎂合金的凝固行為及組織演變［J］.機(jī)械工程材料，2013，37（4）：10－13.

［9］劉生發(fā)，王慧源，康柳根，等.釹對(duì)AZ91鎂合金鑄態(tài)組織的影響［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2006，16（3）：464－469.

［10］余琨，黎文獻(xiàn)，張世軍.Ce對(duì)鎂及鎂合金中晶粒的細(xì)化機(jī)理［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34（7）：1013－1016.

［11］LIU Y，CHEN W P，ZHANG W W，et al.Effects of RE on microstructures and mechanical properties of hot－extruded AZ31magnesium alloy［J］.Journal of Rare Earths，2004，22：527－532.

［12］鄭偉超，李雙壽，湯彬，等.混合稀土對(duì)AZ91D鎂合金組織和力學(xué)性能的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2006，42（8）：835－842.

［13］DAHLE A K，LEE Y C，NAVE M D，et al.Development of the as－cast microstructure in magnesium－aluminum alloys［J］.Journal of Light Metals，2001（1）：61－72.

［14］STJOHN D H，QIAN M，EASTON M，et al.Grain refinement of magnesium alloys［J］.Metallurgical and Materials Transactions：A，2005，36（7）：1669－1679.

［15］WEI L Y，DUNLOP G L，WESTENGEN H.Development of microstructure in cast Mg－Al－rare earth alloys［J］.Mater Sci Technol，1996，12（9）：741－750.

［16］夏鵬舉，蔣百靈，張菊梅，等.Mg－Al合金共晶凝固組織形貌及其影響因素［J］.特種鑄造及有色合金，2009，29（6）：491－494.