Mg-Sr-Al-Y合金的微观组织结构与高温压缩变形行为

胡 明， 高 晶， 任晓雪， 梁 岩

(1.佳木斯大学 材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007;2.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060)

Mg-Sr-Al-Y合金的微观组织结构与高温压缩变形行为

胡 明1， 高 晶1， 任晓雪1， 梁 岩2

(1.佳木斯大学 材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007;2.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060)

为改善镁合金耐热性能，以Mg-Sr-Y三元合金为基础，采用“熔－浸”还原法，制备Mg-Sr-Al-Y合金。借助XRD、OM、SEM、TEM和带有加热装置的万能拉伸试验机等手段，研究分析了Mg-Sr-Al-Y合金的显微组织、力学性能和高温压缩变形机制。结果表明:Mg-Sr-Al-Y合金由α-Mg、Mg17Sr2和Al2Y相组成;Mg-Sr-Al-Y合金的流变应力随压缩温度升高而降低，随应变速率增大而提高;应变速率较低时，Mg-Sr-Al-Y合金再结晶较为明显。该研究通过添加金属Al，明显改善了Mg-Sr-Y合金的显微组织，提高了Mg-Sr-Al-Y合金的高温压缩性能。

Mg-Sr-Al-Y合金;组织结构;高温压缩变形

0 引言

镁合金作为目前比重最小的金属结构材料，具有较高的比强度、比刚度及良好的切削加工等性能，在汽车和电子通讯等行业中得到越来越广泛的应用，受到了人们的高度重视［1－2］。然而，镁合金耐热性不佳，限制了其在具有一定温度环境下的使用。尤其是与铝合金相比，具有较大的应用差距［3］。因此，开发新型且能够应用于一定温度环境下的镁合金是当前迫切需要解决的重要问题。笔者在Mg-Sr-Y合金基础上通过加入Al制备了Mg-Sr-Al-Y合金，对该合金进行了热挤压加工，改善了Mg-Sr-Y合金的组织结构，探讨了Mg-Sr-Al-Y合金的高温压缩变形机理，论述了压缩温度、应变速率及成分对Mg-Sr-Al-Y合金压缩行为的影响，以期为新型耐热镁合金的研发提供新的思考途径和理论基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验主要原材料有:高纯度工业镁锭(w(Mg)=99.9%)，碳酸锶粉(w(SrCO3)=99.9%)，镁钇中间合金(w(Y)=25.0%)，工业纯铝锭(w(Al)=99.9%)，熔炼保护气体为N2+SF6(φ(SF6)=2.0%)。

1.2 实验方法

采用“熔－浸”还原技术制备了Mg－Sr－Al－Y合金。“熔－浸”还原法是使SrO(作为还原剂)和金属Mg熔体在高温下发生还原反应，生成单质锶。镁锭熔化后，在不同的温度下保温不同时间，依次加入氧化锶粉、镁钇合金和铝锭，扒渣后进行浇铸。为消除合金制造过程中产生的缺陷，在一定温度下进行挤压实验。实验条件为:挤压比8:1，温度673 K，速度0.1 mm/s。高温压缩实验是在带有加热装置的CSS－44500万能试验机上进行，变形温度分别为300、425、475 和525 K，应变速率分别为0.01、0.05、0.10和 1.00 s－1。采 用 OM、JSM-6360LV 型 SEM 和FeiTecnia G2-STWIN型 TEM进行组织观察，在D/Max 2500型X射线衍射仪上进行相鉴定。

2 实验结果与分析

2.1 Mg-Sr-Al-Y合金的微观组织结构

2.1.1 Mg-Sr-Al-Y合金的显微组织

图1为Mg-3Sr-1Y和Mg-3Sr-4Al-1Y合金(质量分数，下同)的微观组织结构。从图1中可以看出，Mg-Sr-Y合金加入适量铝后，枝晶减小，晶界变窄，晶粒得到了细化。

图1 Mg－3Sr－1Y和Mg－3Sr－4Al－1Y合金的微观组织结构Fig.1 Microstructures of Mg-3Sr-1Y and Mg-3Sr-4Al-1Y alloys

图2显示Mg－3Sr－4Al－1Y的微观组织结构和X射线衍射谱。从图2a中不难看出，在枝晶分界处分布着众多的条状和少量颗粒，枝晶内分布着微量的颗粒状物质。从图2b中不难判断，Mg－Sr－Al－Y合金中的主要相为α－Mg、Mg17Sr2和Al2Y。结合相图和XRD衍射结果可以判断，条状组织为Mg17Sr2，颗粒状物质为Al2Y。

通过比较Mg-Sr-Al-Y镁合金体系中各元素的电负性［3－4］可知，理论上应先形成 Al4Sr相，而后形成Al2Y，再生成Mg17Sr2和Mg24Y5相。但在该实验中，由于先加入SrO粉体，SrO被Mg置换后生成Sr，该Sr与Mg发生共晶反应，形成Mg17Sr2与Mg的共晶组织。Sr的加入量较少，故产生的共晶组织为离异共晶，Mg17Sr2即为图2a中的条状组织。当加入Al锭后生成了Al2Y相。该相的生成消耗了加入的金属铝和稀土Y使得熔体中未生成Al4Sr。Al2Y相是高温耐热相，对晶界的滑移和位错的移动都起到了一定的阻碍作用［5］。这些高熔点相偏聚在晶界处，阻碍了晶界处二次枝晶和基体的晶粒长大，细化了镁合金的晶粒。实验进一步表明，在铝和稀土钇较少的情况下，随着铝质量分数的增加，Al2Y的数量逐渐增多。同时，也避免了Mg24Y5相的形成。稀土Y是活性元素，能够显著降低镁合金中熔液的表面张力，进而降低熔体中晶体的形核功，对细化晶粒具有显著的效果［6］。稀土钇和铝可以形成具有很高熔点Al2Y的金属间化合物，其在金属熔体凝固之前早已形成，这些先形成的金属间化合物作为形核的核心可以阻止晶粒的继续长大，也起到了细化晶粒的目的。

图2 Mg－3Sr－4Al－1Y的微观组织和X射线衍射谱Fig.2 Microstructure and XRD spectrum of Mg-3Sr-4Al-1Y alloy

2.1.2 热挤压对Mg-Sr-Al-Y合金组织的影响

图3所示为热挤压后Mg-Sr-Al-Y合金的显微组织。由图3a可见，沿挤压方向铸态Mg-Sr-Al-Y合金中粗大的枝晶和析出相在三向压应力作用下晶粒逐步转向与挤压方向一致，呈现纤维状组织，同时可以看到一定量的动态再结晶的晶粒。从垂直于挤压方向上看，Mg-Sr-Al-Y合金显示出了细小晶粒和分布较为均匀析出相(图3b)。

这是因为铸态Mg-Sr-Al-Y合金在挤压变形初期，首先在多向压应力的作用下，镁合金中铸态枝晶被压扁、弯曲，随后破碎成细小晶粒。同时，释放出热量，该热量使合金温度上升，屈服强度下降，产生塑性变形。随挤压过程的深入，挤压产生的热量在短时间内很难散失，导致局部流变应力降低，使其滑移能力增高。在压应力作用下，通过自适应转动及滑移方向调整，使其沿挤压方向发生大量塑性变形，最终形成纤维组织。此刻，压缩变形进入稳定状态，纤维长而直，且接近平行。共晶组织存在平行纤维晶簇的间隙，呈细的流线状分布。析出相在镁合金中为耐热相，具有较高的变形抗力，且数量多。由于镁合金为低层错能金属，热挤压过程中发生再结晶所需要的孕育期较短，因此该合金较容易发生动态再结晶。

图3 热挤压后Mg－Sr－Al－Y合金的组织Fig.3 Microstructure of Mg-Sr-Al-Y alloy

2.2 Mg－Sr－Al－Y合金的高温压缩变形行为

2.2.1 温度的影响

图4为在不同压缩温度T、应变速率ε·0.05 s－1下Mg-Sr-Al-Y合金的压缩变形应力－应变曲线。从图4中可以看出，随着压缩温度的升高，镁合金的流变应力σ均呈降低的趋势，这一规律与合金的成分无关。该镁合金压缩应力－应变曲线大致分为三个阶段:线性变形阶段或弹性变形阶段，即流变应力σ与应变ε呈线性关系，该阶段的应变范围较小，一般不超过0.05，且随温度升高而应变范围缩小;加工硬化阶段，即流变应力随变形而增大，加工硬化能力随温度的增加而降低，这也是镁合金压缩变形的主要阶段，应变范围一般为0～0.30;再结晶软化阶段，即流变应力随变形不变或下降，这也是镁合金压缩变形的最后阶段，应变范围较小。

图4 Mg-Sr-Al-Y合金不同温度、0.05 s－1下的应力－应变曲线Fig.4 Dependences on stress and strain of Mg-Sr-Al-Y alloy at different temperatures and strain of 0.05 s－1

在高温压缩变形过程中，两个因素制约了流变应力的走向。一方面，加工硬化作用。Mg－Sr－Al－Y合金加工硬化主要是晶粒内位错增殖、位错间相互作用以及析出相对位错的阻碍作用所致。该硬化作用随变形量和应变速率增加而快速增加。另一方面，镁合金在高温压缩变形过程中的软化过程。在温度升高或温度一定时，随压缩变形的进行，在室温下难以开动的柱面或锥面滑移系将开动，位错交互作用加剧，局部地区积累的储存能诱发了新的无畸变晶核形成，通过新晶核的长大，位错大量解体或消失从而使金属软化，宏观上表现为合金的软化。正是变形过程中Mg-Sr-Zn-Y合金加工硬化及软化的共同作用，Mg-Sr-Al-Y合金表现出了上述行为。

当压缩温度较低时(低于525 K)，Mg－Sr－Al－Y合金的加工硬化作用要强于其软化作用，所以出现了低温压缩镁合金应力随变形增加而升高的现象，而在较高温度下(525 K)，加工硬化作用低于其软化作用，出现了镁合金流变应力随着变形增加而不变或降低的现象。这也表明了在高温下(525 K)，镁合金中发生了程度较高的再结晶过程。

2.2.2 应变速率的影响

图5为Mg-Sr-Al-Y合金在475 K时不同应变速率下的应力－应变曲线。从图5中可以到，随着应变速率的增加，Mg-Sr-Al-Y合金流变应力均呈现升高的趋势。不同应变速率下，Mg-Sr-Al-Y镁合金高温压缩应力－应变曲线特征大致与不同温度下的压缩应力－应变曲线特征相近。

根据位错动力学理论:应变速率增加将导致可动位错的运动速度增大，可动位错的运动速度增加则需要更大的外加应力。当压缩变形的应变速度低于1.00 s－1时，流变应力随应变速率的增加比较缓慢，但当应变速率为1.00 s－1时流变应力较前一阶段有明显增加。研究［6］还表明合金在压缩变形过程中应变速率较高，变形时间较短，合金动态再结晶难以充分完成，所以变形过程中主要以加工硬化为主，流变应力增加较快，这一点在变形温度较低时更加明显。但当温度较高，应变速率较低时，软化因素在镁合金变形过程中则起着比较重要的作用。

2.2.3 合金成分的影响

为进一步调查合金成分在压缩变形中的作用，笔者选取应变0.25所对应的应力为研究对象(压缩强度)进行分析，结果如表1所示。

表1 不同实验条件下Mg-Sr-Al-Y合金的流变应力Table 1 Flow stresses of Mg-Sr-Al-Y alloys at different test conditions

从表1中可以看到，Mg-3Sr-4Al-1Y合金在各个温度和应变条件下所对应的流变应力均较高，这说明该成分的合金抵抗压缩变形的能力较强，即该合金的压缩强度较高，Mg-3Sr-4Al-0.5Y合金的压缩强度最低;Mg-3Sr-2Al-1Y和Mg-3Sr-4Al-2Y合金的压缩强度居中，见图4、5。

从图5中可以看出在相同温度和应变速率下，Mg-Sr-Al-Y合金的流变应力随Al和Y质量分数增加而增大。通常镁合金的塑性变形是通过位错的滑移和孪生来实现的［7］。合金中由于有不易变形的高温耐热相的存在，主要是Al2Y相，提高了位错运动的阻力，从而提高了镁合金的流变应力。弥散强化随析出相浓度的提高而增加，这导致Mg-Sr-Al-Y合金的流变应力随Al2Y质量分数而提高。

从上述结果来看，金属Al和稀土Y合理配比是十分重要的。因为这是形成一定数量、形状、尺寸Al2Y相的基础。同时，也能保证将Y的作用发挥到最佳。很显然，当金属Al和稀土Y质量分数较低时，难以达到上述要求。但在两者质量分数较多时，仍然难以实现最佳的强化效果。这是由于在Y质量分数较高时，Y易发生团聚现象，从而削弱了Al2Y的形成能力。

对Mg-Sr-Al-Y合金的研究还发现，在300～425 K时压缩变形的激活能为148 kJ/mol，高于镁的自扩散激活能135 kJ/mol，这说明在300～425 K时Mg-Sr-Al-Y时合金的变形以位错的滑移和孪生为主;而在475～525 K时Mg-Sr-Al-Y合金的热变形激活能则低于自扩散激活能，晶界滑动和攀移为主要的变形机制［7］。

3 结论

(1)Mg-Sr-Al-Y合金由α－Mg、Mg17Sr2和Al2Y相组成。其中，条状组织为Mg17Sr2，颗粒状相为Al2Y。Al2Y数量随Al和Y质量分数的增加而增多，组织得到了细化。Mg-Sr-Al-Y合金热挤压后形成了纤维组织并出现了一定量的动态再结晶晶粒。

(2)在相同应变速率下，Mg-Sr-Al-Y合金的流变应力随温度上升而下降;在相同压缩变形温度下，流变应力随应变速率增加而提高。在低应变速率变形范围内，Mg-Sr-Al-Y合金再结晶较为明显。

(3)合理的稀土Y与Al的合理添加可明显改善Mg-Sr-Al-Y合金组织结构，有利于其高温压缩强度的提高。

［1］张春香，王利国，吴立鸿，等.主要耐热镁合金系的研究进展［J］.材料科学与工程学报，2008，26(4):657－660.

［2］胡 明，韩 非，刘有金，等.Mg－Sr－Zn－Y合金组织结构与高温压缩变形行为研究［J］.佳木斯大学学报:自然科学版，2012，30(2):244－246.

［3］范才河，陈 刚，严红革，等.稀土在镁及镁合金中的应用［J］.材料导报，2005，19(7):61－63，68.

［4］赵长春，郑志远，邢 杰.大学物理手册［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［5］陈振华.耐热镁合金［M］.北京:化学工业出社，2007.

［6］王春艳，莫淑华，尹志娟，等.温度和应变速率对ZK60镁合金压缩变形行为的影响［J］.黑龙江工程学院学报:自然科学版，2010，24(4):46－50.

［7］张新明，陈健美，邓运来，等.Mg－Gd－Y－Zr耐热镁合金的压缩变形行为［J］.中国有色金属学报，2005，15(12):1925－1932.

Microstructures and high-temperature compressive deformation of Mg-Sr-Al-Y alloys

HU Ming1， GAO Jing1， REN Xiaoxue1， LIANG Yan2
(1.College of Materials Science ＆ Engineering，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China;2.Northeast Light Alloys Co.Ltd.，Harbin 150060，China)

Aimed at improving the heat resistance performance of magnesium alloys，this paper introduces the successful fabrication of Mg-Sr-Al-Y alloys，based on the Mg-Sr-Y alloy and using meltingleaching reduction method，and the analysis of the microstructures and mechanical properties and compressive behaviors by means of OM and SEM and XRD and tensile machine attached to a heating furnace.The results show that Mg-Sr-Al-Y alloy composed of α-Mg and Mg17Sr2and Al2Y，has a decreasing flow stress with increasing temperature and a increasing flow stresses with increasing strain rate.A lower strain rate triggers the obvious recrystallization of Mg-Sr-Al-Y alloys.The results also prove that the addition of Al and Y elements could produce a significant improvement in microstructures and heat resistance performance of Mg-Sr-Al-Y alloys.

Mg-Sr-Al-Y alloy;microstructure;high-temperature compressive deformation

TG146.2

A

1671－0118(2012)05－0473－06

2012－08－17

黑龙江省科技厅中俄合作项目支持(WB08A04)

胡 明(1962－)，男，北京人，教授，博士，研究方向:金属基复合材料及镁合金材料，E-mail:minghu02@yahoo.com.cn。

(编辑 王 冬)