袁慧羚　易榮喜　郭平　潘曉亮　曾希

摘要：制備含不同量稀土元素釔（Y）的Al-5Mg合金，采用金相顯微鏡觀察合金的微觀組織，研究了稀土（Y）對Al-5Mg合金鍛造工藝對組織性能的影響，采用萬能電子拉伸機測試合金的拉伸力學性能，研究了稀土（Y）對Al-5Mg合金的力學性能的影響。

關鍵字：稀土元素釔（Y）；Al-5Mg；組織性能；力學性能

鑄錠組織的純凈化、細晶化和均質(zhì)化是提高合金綜合性能的基礎。稀土在這些方面的作用尤為顯著。稀土在鋁合金中的存在形式和細化機理一直是稀土鋁合金的一個主要研究范疇。以往的研究表明，稀土元素能有效減少鋁合金的枝晶間距，但能起細化作用的稀土卻很少。本文的原料為純度大于99.9%的鋁錠和鎂錠，在SG-3-10型3KW井式電阻爐內(nèi)進行合金熔煉，獲得Al-5Mg合金，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為：5Mg，余量為Al。合金的凝固區(qū)間為590～635℃[1]。通過加入不同的Y含量，分別制備試驗合金，采用金相顯微鏡觀察合金的微觀組織，研究了稀土（Y）對Al-5Mg合金鍛造工藝對組織性能的影響，采用萬能電子拉伸機測試合金的拉伸力學性能，研究了稀土（Y）對Al-5Mg合金的力學性能的影響。

1.稀土釔（Y）對Al-5Mg合金鍛造工藝對組織性能的影響

Al-5Mg合金的晶粒（枝晶網(wǎng)胞）很粗大，在枝晶間分布著一些化合物；Al-5Mg+0.1%Y合金晶粒尺寸變化不大，但枝晶間距有所減少；Al-5Mg+0.5%Y合金晶粒明顯細化，但還存在一些枝晶；而與Al-5Mg合金相比，Al-5Mg+0.8%Y合金的晶粒細化了10倍以上，且其枝晶組織也已基本消除[2]。由此可見，Y的加入可不同程度地細化鑄態(tài)晶粒，當Y的添加量低于0.5%時，細化效果不明顯；當Y含量為0.5%及以上時，Al-5Mg合金得到比較明顯的細化。

由于Al-5Mg+0.5%Y合金冷軋前的原始晶粒比Al-5Mg合金細小一些，所以Al-5Mg+0.5%Y合金的冷軋態(tài)纖維狀組織也更為細密[3]。結合Y對合金鑄態(tài)及熱軋態(tài)顯微組織的影響，可以進一步推斷：隨Y含量升高，合金冷軋態(tài)纖維組織越細密，因此其冷變形儲能越高，在隨后的退火過程中也就更容易發(fā)生再結晶，這從另一方面說明了隨Y含量升高，其抑制合金再結晶能力減弱的原因。

2.稀土釔（Y）對Al-5Mg合金鍛造工藝對力學性能的影響

不同稀土Y含量對Al-5Mg合金室溫及高溫（260℃）拉伸力學性能的影響如表1所示。

從表1可以看出，隨著Y含量從0%增加到0.5%，合金室溫性能提高，但繼續(xù)增加為0.8%時，合金室溫性能則下降。加入0.5%Y時，合金的室溫抗拉強度為298MPa，比不加Y的抗拉強度提高了38MPa，提高幅度超過14.6%；合金的室溫硬度從HB60.1增加為HB70.2，提高幅度達16.8%；合金的延伸率則從10.2%提高到13.3%，提高幅度超過30.4%，對合金性能的提高效果最佳[4]。同樣，稀土Y的加入也提高了Al-5Mg合金的高溫（260℃）力學性能，其對合金高溫抗拉強度和延伸率的影響與室溫時大致相同。當加入0.5%Y時，合金的高溫抗拉強度為168.6Mpa，比Al-5Mg合金的高溫抗拉強度89.5MPa 提高了79.1MPa，提高幅度達88.4%；合金的延伸率則從7.2%增加為9.6%，增加幅度達33.3%[5]。

稀土Y之所以能使合金力學性能提高的主要原因有三點：首先，Y對合金中α-Mg基體相良好的細化作用，如上節(jié)所分析，即Y對合金起到細晶強化的作用；其次，由于Y在鎂中的溶解度較大，溶后的間隙式固溶原子造成大量非球形對稱畸變，產(chǎn)生比加入其他稀土元素更強的固溶強化效果， 即Y對合金起到固溶強化的作用；第三，化合物硬化相的生成，對合金基體起到了第二相強化作用。因此使得合金的力學性能有所改善。由于以上三種強化機制共同作用，使合金的室溫和高溫力學性能都得到顯著提高，當稀土Y的加入量低于0.5%時，隨稀土含量的增大，力學性能逐漸提高[6]。但是，當Y含量繼續(xù)增加為0.8%時，由于在Y含量較多的鎂合金中，在凝固的初期就已經(jīng)形成鋁和稀土的化合物，其在液相中的生長阻力會更小，在數(shù)量較多的情況下更容易結合，聚集成團，凝固速度越慢的地方，這些顆粒越容易長大，組織也越不均勻，拉伸過程中在Al2Y3相周圍產(chǎn)生應力的集中，促進顯微空洞的萌生和擴展，并且這些尺寸較大的顆粒會提高合金熔液的黏度，從而造成合金熔液流動性下降，也在一定程度上降低了合金的力學性能[7]。粗大的鋁和稀土的化合物顆粒在晶界處和枝晶間分布，可以加速裂紋的擴展，惡化力學性能，導致室溫及高溫力學性能的下降。

3.結論

在Al-5Mg合金中加入稀土元素釔（Y）可以有效地細化晶粒，減少枝晶間距，當Y含量達0.8%時，枝晶結構消除，完全成為等軸晶。Y對Al-5Mg合金具有明顯的強化作用。加入0.5%Y可使Al-5Mg合金在室溫和高溫的抗拉強度分別提高38MPa和79.1MPa，但添加0.8%Y時，強度沒有繼續(xù)提高，而塑性明顯下降。稀土元素Y的加入，可以達到細晶強化和彌散強化的雙重效果，使鑄態(tài)的硬度得到顯著提高。

參考文獻

[1] 劉靜安，溫育智.稀土在有色金屬工業(yè)中的開發(fā)與應用[J].四川有色金屬，2002，（4）：7-12.

[2] 吳玉娟，丁文江，彭立明，等.高性能稀土鎂合金的研究進展[J].中國材料進展，2011，30（2）：1-9.

[3] 張詩昌，魏伯康，林漢同.釔對Mg-9Al1Zn合金鑄態(tài)組織及時效特性的影響.材料熱處理學報，2003，24（3）：23-26.

[4] 楊軍軍，付靜波.稀土在鋁合金中的作用及研究進展[J]，北京工業(yè)大學學報，2002，28（4）：500-505.

[5] 周曉霞，張仁元，劉銀峁.稀土元素在鋁合金中的作用和應用[J].材料與表面處理，2003，（4）：43-45.

[6] 王慧源，劉生發(fā)，韓輝，等.鎂合金晶粒細化及機理研究展望[J].鑄造技術，2008，（12）.

[7] 余琨，黎文獻，李松瑞.含稀土鎂合金的研究與開發(fā).特種鑄造及有色合金，2002，（SⅠ）：314.