稀土Nd对AZ 31镁合金铸态组织和力学性能的影响

柏媛媛，魏汝飞，董 方，乐启炽，张志强，宝 磊(.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室， 沈阳089；.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山，400；.内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古自治区包头0400)

稀土Nd对AZ 31镁合金铸态组织和力学性能的影响

柏媛媛1，魏汝飞2，董 方3，乐启炽1，张志强1，宝 磊1
(1.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室， 沈阳110819；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山，243002；3.内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古自治区包头014010)

利用气氛电阻炉制备了AZ 31-xNd合金(x=0.05%，0.1%，0.2%，0.4%,0.6%)，采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱分析仪(EDS)对不同Nd含量的实验合金进行了显微组织观察和分析，结果发现，Nd在AZ 31-xNd合金中形成了Al3Nd和Mg12Nd相，这些含Nd相导致AZ 31镁合金在凝固过程中的晶粒细化，从而提高了AZ31镁合金的铸态室温力学性能，随着Nd含量的增加，合金的铸态室温抗拉强度极限和延伸率均先升高后降低.

AZ 31镁合金；稀土；第二相；组织；力学性能

镁及镁合金是目前使用的金属结构材料中最轻的材料，其密度为1.78 g/cm3，是铁的1/4，铝的2/3[1]，具有比强度高、比刚度高、电磁屏蔽性能好、机械加工性能好、易回收等众多优点.目前，镁合金的主要成型方式之一是铸造[2]，这是因为密排六方结构的镁合金，对称性极低，可开动的滑移系较面心立方结构和体心立方结构的金属要少，导致塑性变形困难，影响了镁合金的开发和应用.加工成型性差和耐蚀性差是影响镁合金研究和开发较慢的主要原因，另外高温抗氧化性能差也是限制镁合金进一步应用的重要因素，因此对其进一步的研究显得尤为必要.AZ 31镁合金价格低廉，而且强度高，塑性好，是目前工程上使用最多的变形镁合金.镁合金通常添加稀土元素来改善组织，提高性能.稀土金属在镁中的溶解度在各元素之间有很大差别， Y和Sc在镁中的极限固溶度(质量分数)最大， Nd居中，La和Ce较小.Y的极限溶解度为11.4%，Sc为24.6%，Nd为3.6%,，La和Ce分别为0.79%和0.52%.已有的研究表明：添加Ce和La可以提高AM60镁合金的耐蚀性[3]，Al11RE3相可以提高AZ 91镁合金的高温性能[4]，添加Nd可以提高AZ31热轧板材的抗拉强度[5].稀土元素作为细化剂添加到合金中可以净化合金熔体、改善合金铸造性能及细化合金组织[6-8].这是因为多数的稀土元素的原子尺寸与镁的原子尺寸接近，但是稀土元素Nd对AZ31镁合金铸态组织和性能的影响报道并不多见.作者通过在AZ31镁合金中添加不同含量的Nd，比较它们对AZ31镁合金的影响，希望在不降低塑性的前提下，提高镁合金的力学性能.

1 实验方法

本实验向工业牌号为AZ 31的母合金中以Mg-Nd中间合金的形式加入质量分数为0.05%，0.1%，0.2%，0.4%和0.6%的稀土Nd.合金在氩气保护下在自制的电阻炉中熔炼，为了减少镁合金的烧损，熔炼温度为 720 ℃，通过搅拌使合金元素分布均匀，静置20 min后将合金液浇注至金属模， 形成 220 mm×20 mm×10 mm 的铸锭.铸锭的均匀化退火是在箱式电阻炉中进行的，退火制度为 420 ℃ × 12 h.铸态拉伸试样是从沿铸锭的轴向方向切取圆柱状试样，规格为Φ10 mm，每种成分的试样各取5个，通过机加工成如图1所示的拉伸试样.拉伸试验在WDW-200D电子万能试验机上进行，拉速 2 mm/min，性能数据取5根试样的平均值.试样腐蚀采用苦味酸酒精溶液，显微结构观察采用Axiovert 25蔡司光学显微镜，断口形貌观察采用QUANTA400环境扫描电子显微镜.采用BRUKER(D8 ADVANCE)型X-射线衍射仪对合金物相进行分析.表1是实验所用AZ31镁合金的化学成分.

图1 铸态拉伸试样的尺寸Fig.1 Dimension of as-cast tensile specimen

表1 实验用AZ31镁合金的化学成分(质量分数)

2 结果与讨论

2.1 Nd对AZ 31镁合金相组成的影响

图2为用扫描电镜观察到的AZ 31镁合金的微观组织及能谱分析图，从图中可以明显看出，未添加Nd的AZ31镁合金中析出相呈长杆状，进行能谱分析得出白色杆状析出相的Mg、Al元素的摩尔比与β-Mg17Al12相相近，说明第二相为β-Mg17Al12相，即AZ31镁合金由基体α-Mg相和第二相β-Mg17Al12相组成；向AZ31镁合金中添加Nd后，合金中发现有弥散分布的细小颗粒状析出相，并且杆状析出相减少，通过能谱分析得出析出相为β-Mg17Al12相和镁稀土相；表明AZ31镁合金添加Nd后析出相发生变化，除了原有的基体α-Mg相和第二相β-Mg17Al12相之外，还有新的第二相生成.并且由图3中X射线衍射分析的结果表明新的析出相为Al3Nd相，Al3Nd相的数量在w[Nd] 为0.4%时达到最大.

2.2 Nd对AZ31镁合金微观组织影响

利用金相显微镜对AZ31-Nd镁合金试样进行显微组织观察分析，图4是稀土化AZ31镁合金经过均匀化处理后的铸态金相照片，由图可看出，基体为α固溶体，枝晶间和晶界处分布少量的骨骼状第二相Mg17Al12，且等轴晶晶粒粗大，晶粒大小不均匀.加入稀土Nd后，晶粒明显细化，在Nd质量分数为0.4%时细化效果最好；Nd质量分数超过0.4%后晶粒又会发生粗化.图5是通过ImageJ软件测得的稀土化AZ31镁合金的平均晶粒尺寸，由图可以看出，Nd可以明显细化AZ31镁合金的晶粒.Nd质量分数为0.4%时合金平均晶粒尺寸最小为 18 μm，比未添加Nd时的 58 μm 降低了73.5%.

AZ 31镁合金中添加Nd会细化晶粒，使得晶界数目增多，阻碍位错运动，从而提高了合金的强度.根据材料强度学，在体积和变形量相同的情况下，晶粒越细，参与变形的晶粒就越多，每个晶粒的受力就越均匀，应力集中难以产生[9],细晶强化是改善合金性能的一个主要因素.

图2 AZ31-xNd 合金显微组织及能谱分析Fig.2 Microstructure and EDS spectra of AZ31-xNd alloys(a)—AZ 31; (b)—AZ 31+0.4%Nd

图3 AZ31-xNd合金的XRD图谱Fig.3 X-Ray diffraction patterns of AZ31-xNd alloys

如果镁合金中同时存在Al和Nd，根据金属间化合物的形成规则：两种金属元素的电负性差值越大，金属间化合物越容易生成，Mg和Nd电负性差值为0.1小于Al和Nd的电负性差值0.4，所以Nd会优先和Al生成Al3Nd相，如果还有多余的Nd才会跟Mg结合[10].已有的研究表明[8-9]，如果RE的质量超过Al质量的1.4倍，Al11RE3相的生成会消耗掉所有的Al元素，Mg12RE相的生成才会消耗剩余的RE.Al3Nd相的析出是改善合金性能的另一个因素，镁合金属于易裂合金，对应力集中敏感，长杆状的析出相会切割基体，使界面形成裂纹源而降低强度，但细小弥散的析出相对合金具有很好的强化作用.从以上的分析可以看出，向AZ 31镁合金中加入Nd，镁合金中析出细小弥散的Al3Nd化合物，Al3Nd化合物的生成会改善了镁合金的性能.

2.3 Nd对AZ31镁合金力学性能的影响

添加0.05%Nd，0.1%Nd，0.2%Nd，0.4%Nd和0.6%(质量分数)Nd的AZ31镁合金铸锭在经过均匀化处理以后，它们的力学性能有了一定的变化，如图6所示.不添加任何合金元素的AZ31镁合金的铸态抗拉强度为135 MPa，延伸率为3.08%[11]，从图6可以看出，Nd对AZ31镁合金拉伸性能的影响较为复杂，随Nd含量的升高，AZ31-Nd镁合金的强度极限和延伸率均先增加后降低，在w[Nd] 为0.4%时抗拉强度和伸长率达到峰值，分别为 175 MPa 和12.8%，说明稀土元素Nd可以提高AZ31镁合金的强度，同时又可以改善其塑性.

图4 不同Nd含量的AZ 31镁合金的退火后显微组织Fig.4 As-cast microstructure of AZ 31 magnesium alloy with different neodymium content(a)—AZ 31; (b)—AZ 31-0.1%Nd; (c)—AZ 31-0.4%Nd; (d)—AZ 31-0.6%Nd

图5 Nd含量对AZ31平均晶粒尺寸的影响Fig.5 Effect of neodymium addition on the average grain size of AZ31alloy

图6 Nd添加量对AZ31镁合金室温力学性能的影响 Fig.6 Effect of neodymium addition on mechanical properties of AZ31alloy at room temperature

2.4 断口形貌分析

为了更深入地了解Nd对AZ 31镁合金性能的影响，需要考察Nd对AZ 31镁合金的拉伸断裂机制的影响.室温下AZ 31镁合金的拉伸断口形貌如图7所示，从图7的断口形貌可以看出，AZ31-Nd镁合金在室温拉伸时没有发生明显的缩颈现象，不添加Nd和添加0.05%Nd时合金的断裂为脆性断裂，其余的合金为韧性断裂，断口上可以看到呈纤维状的细小凹凸，随着Nd含量的不断增加，断口上的韧窝不断增多，韧窝也不断变深.图7(b)可以看到明显的撕裂棱，韧窝为伸长型韧窝，与断裂方向垂直，韧窝尺寸大但是不如图7(d)的韧窝深，(d)的韧窝最深说明它的塑性好.由于添加稀土Nd后在镁合金晶界处形成了Al3Nd，在室温下进行拉伸变形时，在所测试的合金范围内，随Nd含量的增加，AZ 31镁合金的塑性先升高后降低，在Nd含量(质量分数)为0.4%时取得最好的强度和塑性效果.这进一步说明稀土元素添加到合金中可以细化合金的组织,优化合金的性能，但是含量过高时会恶化合金性能.

图7 不同Nd含量的AZ31镁合金的室温拉伸断口形貌Fig.7 SEM fractography of AZ31 alloy with different neodymium addition at room temperature(a)—AZ31-0.05%Nd; (b)—AZ31-0.1%Nd; (c)—AZ31-0.2%Nd; (d)—AZ31-0.4%Nd; (e)—AZ31-0.6%Nd

3 结 论

(1)添加0.05%～0.6%的Nd到AZ31镁合金中可以细化合金的晶粒，并且在w[Nd] 达到0.4%时合金的晶粒最细小.AZ31镁合金中加入Nd产生的Al3Nd化合物是使合金细化的主要原因.

(2)向AZ31镁合金中加入0.05%～0.6%的Nd可以提高镁合金的抗拉强度和伸长率，并且在w[Nd] 为0.4%时抗拉强度和伸长率均到达最大值，分别为 175 MPa和12.8%.

(3)随着镁合金中Nd含量的增加，Al3Nd逐渐粗化且数量增多，对基体产生切割，形成裂纹源，使析出强化作用变弱，所以w[Nd] 超过0.4%后合金的力学性能下降.

[1]Kojima Y. Project of platform science and technology for advanced magnesium alloys[J]. Materials Transactions, 2001, 42(7): 1154-1159.

[2]王嘉欣, 刘静安, 盛春磊. 镁及镁合金加工技术的现代化进展[J]. 有色金属加工, 2007, 36(3): 1-4. (Wang Jiaxin, Liu Jingan, Sheng Chunlei. Modernized advance of magneslum and magneslum alloy processing technolgies[J]. Nonferrous Metals Processing, 2007, 36(3): 1-4.)

[3]Liu W, Cao F, Chang L,etal. Effect of rare earth element Ce and La on corrosion behavior of AM60 magnesium alloy[J]. Corrosion Science, 2009, 51(6): 1334-1343.

[4]Qudong W, Yizhen L, Xiaoqin Z,etal. Effects of RE on microstructure and properties of AZ91 magnesium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2000, 10(2): 235-239.

[5]余琨, 黎文献, 王日初. Mg-Al-Zn(RE)镁合金轧制变形行为及强化机制[J]. 稀有金属材料与工程, 2006, 35(11): 1748-1752. (Yu Kun, Li Wenxian, Wang Richu.Rolling deformation and strengthening mechanism of Mg-Al-Zn(RE) magnesium alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(11): 1748-1752.)

[6]田爱环, 张金山, 杜二玲, 等. 富铈混合稀土对ZA155高锌镁合金组织和力学性能的影响[J]. 铸造, 2008, 57(8): 783-787. (Tian Aihuan, Zhang Jinshan, Du Erling,etal. Effect of Ce-rich misch metals microstructure and mechanical properties of ZA155 high zinc magnesium alloy[J]. Foundry, 2008, 57(8): 783-787)

[7]李勇, 朱志云, 张建新. 微量添加剂对6063铝合金晶粒细化及力学性能的影响[J]. 铝加工, 2004(5):1-3. (Li Yong,Zhu zhiyun,Zhang Jianxin.The Effect of trace additive on grain refinement and mechanical properties of 6063 aluminum alloy[J]. Aluminium Fabrication, 2004(5):1-3.)[8]董定乾. 稀土La对Mg-4.5%Zn合金铸态组织细化的影响[J]. 轻合金加工技术, 2008, 36(10): 11-14. (Dong Dingqian. Effect of rare-earth La on microstructure of Mg-4.5% Zn as-cast magnesium alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2008, 36(10): 11-14.)

[9]Pettersen G, Westengen H, Høier R,etal. Microstructure of a pressure die cast magnesium-4wt% aluminium alloy modified with rare earth additions[J]. Materials Science & Engineering A, 1996, 207(1): 115-120.

[10]郑伟超, 李双寿, 汤彬, 等. 稀土对AZ31B变形镁合金组织和力学性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2006, 16(2): 197-204. (Zheng Weichao, Li Shuangshou, Tang Bin,etal. Effects of rare earth on microstructure and mechanical properties of AZ31B wrought magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(2): 197-204.)

[11]钟皓, 张慧, 翁文凭, 等. 热挤压工艺对AZ31镁合金组织与力学性能的影响[J]. 金属热处理， 2006, 31(8): 79-82. (Zhong Hao, Zhang Hui, Weng Wenping,etal. Effect of hot extrusion on microstructure and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 31(8): 79-82.)

Effect of neodymium on the as-cast microstructure and mechanical properties of AZ 31 magnesium alloy

Bai Yuanyuan1, Wei Rufei2, Dong Fang3, Le Qichi1, Zhang Zhiqiang1, Bao Lei1

(1. Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110004, China;2. School of Metallurgy Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China;3.School of Material and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

An AZ 31-xNd alloy was made in an atmosphere resistance furnace (x=0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%). The microstructure observation and analysis of the alloy with different neodymium content were carried out by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and electron spectroscopy analyzer (EDS). The experimental results shows that neodymium formes Al3Nd and Mg12Nd phases in the AZ 31-xNd alloy, causing grain refinement of AZ31 magnesium alloy, thus improving the mechanical properties at the room temperature. The as-cast ultimate strength and elongation first increases and then decreases with increase of neodymium content.

AZ 31 magnesium alloy; rare earth; second phase; microstructure; mechanical properties

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.010

TF 7045

A

1671-6620(2017)01-0053-05