稀土Gd对Mg-5Zn-0.6Zr镁合金铸态组织与力学性能的影响.pdf

垂篙帅羔 Mar．2017VOI．66 NO．3稀-I-Gd对Mg一5Zn一0．6Zr镁合金铸态组织与力学性能的影响章继涛(江西科技学院，江西南昌330098)摘要：利用光学显微镜、扫描电子显微镜和力学性能测试等手段，研究稀土Gd对Mg一5Zn一0．6Zr镁合金铸态组织和力学性能的影响。结果表明：Mg一5Zn．0．6Zr合金铸态组织由d—Mg矛IlMgZn2等合金相组成。添加稀土Gd后，合金中的粗大网状MgZn：相得到了显著细化。当稀土Gd的添加量为1．O％时，合金的力学性能达到最优值，其极限抗拉强度和伸长率分别为223 MPa和7．6％。稀土Gd有效细化合金组织，在合金中生成2～5¨m细小弥散分布的MgZnGd金属间化合物有效地阻碍位错运动，从而显著改善合金的力学性能。关键词：Mg．5Zn．0．6Zr-ed旨金；稀土；Gd；显微组织；力学性能中图分类号：TGl46．2+2 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2017)03—0242—04Effect of Rare Earth Gd on MiCroStruCtUre and MechanicalProperties of As—Cast Mg一5Zn一0．6Zr Magnesium AlloyZHANG Ji．tao(Jiangxi University ofTechnology，Nanchang 330098，Jiangxi，China)Abstract：The effect of rare earth Gd on microstmcture and mechanical properties of as—cast Mg．5Zn一0．6Zrmagnesium alloy was investigated by using optical microscope，scanning electron microscope，mechanicalproperty test．The results show that as．cast microstructure ofthe Mg一5Zn．0．6Zr alloy consists oflx—Mg grains andMgZn2 phase．The coarse mesh MgZn2 phases were refined in the Mg．5Zn．0．6Zr alloy modified with rare earthGd element．When the alloy was modified with 1．0耐．％Gd the ultimate strength and elongation reached to themaximum value and are 223 MPa and 7．6％．respectively．The improvement ofmechanical properties of as．castMg一5Zn一0．6Zr magnesium alloy was attributed to the refinement of coarse MgZn2 phase and the formation ofMgZnGd intermetallic compounds with the size of2—5 Ixm．which could effectively hinder dislocation motion inthe modified alloy．Key words：Mg-5Zn-0．6Zr magnesium alloy；rare earth；Gd；microstructure；mechanical properties镁合金是目前可应用的最轻的金属结构材料，具有密度低，比强度和比刚度高等优点，在航空航天和电子通讯等领域有着极其重要的应用价值，被誉为“21世纪绿色工程材料”[1’21。Mg．Zn．Zr系列变形镁合金是现在所有商用镁合金中强度最高的一种，而且镁合金密度小，因此Mg．Zn．Zr系列变形镁合金几乎是所有材料中比强度最高的一种【3】。然而Mg．Zn—Zr合金还存在如热裂倾向严重和耐腐蚀性能差等缺点，许多材料工作者针对Mg—Zn．Zr合金进行了稀土合金化研究，在合金中形成热稳定性高的强化相来提高合金的力学性能和耐蚀性能。稀土Gd在镁中的平衡固溶度相当高，548℃时原子固溶度为4．53％(质量固溶度为23．5％)，能形成熔点为640℃的共晶相MgGd金属间化合物，在合金中形成理想的析出强化体系[4]。李杰华等[51研究了合金化稀土元素Gd对Mg．5Zn一0．6Zr合金铸造组织和力学性能的影响，结果表明：合金Mg．5Zn．0．6Zr铸态组织由仅．Mg和MgZn：等合金相组成。添加合金化元素Gd后，Mg一5Zn一3Gd一0．6Zr合金的晶粒显著细化，晶界处析出Mg—Zn．Gd三元相，在晶界析出相的周围均有大量弥散的颗粒状析出物。冯晓伟等[oq研究了Mg-xZn-yGd@=1～3，y=l～3)合金铸造态和挤压态的化学成分及微观组织演变，并测试其室温力学性能。研究结果表明：随着Gd含量的增加，铸态组织显著细化，枝状晶间距减小，其组分；{：HMg．Zn．Gd三元相面积分数逐渐增多，MgZn：相逐渐减少，直至消失。第二相由晶界处的连续网状分布转变成晶界断续和晶内均匀分布。通过对不同状态的Mg一5Zn．0．6Zr一3Gd合金断口形貌的分析显基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目。收稿日期：2016—11-07收到初稿，2016—12—03收到修订稿。作者简介：章继涛(1975一)，男，硕士，讲师，研究方向为先进镁合金材料制备与成形数值仿真。E—mail：zhangjtl975@163．corn万方数据铸造 章继涛：稀-I-Gd对Mg一5Zn一0．6Zr镁合金铸态组织与力学性能的影响 ·243·示，镁合金表现出了脆性断裂与韧性断裂混合的断裂特征[71。由此可见，稀土Gd能有效改善Mg．Zn—Zr合金的显微组织，提高合金的力学性能，然而稀土元素Gd与合金中的Mg和Zn等元素能形成多种金属间化合物，这些化合物的种类、形态及分布对Mg—Zn—Zr合金组织和性能的影响并不十分清楚。本文采用稀土Gd合金化Mg．5Zn．0．6Zr合金，研究稀土元素Gd对Mg一5Zn．0．6Zr合金组织和力学性能的影响规律，重点讨论稀土金属间化合物对Mg．5Zn一0．6Zr-Z台金性能的影响机制。1试验材料和方法本试验所用合金为商用Mg一5Zn．0．6Zr镁合金和Mg．30％Gd中间合金为原材料，在LK—SG．7．5KW井式电阻炉中熔炼，采用C02+SF。混合气体(99：1)对熔体进行保护。将Mg．5Zn一0．6Zr放入铁制坩埚中加热到720℃完全熔化后，；OI／k．Mg．30％Gd中间合金，保温30 min后，采用C：C1。精炼除渣，静置15 min，随后降温至680。C浇注到预热至200 oC的函16 mmxl50 mm的金属模具中。采用日本岛津公司x射线荧光光谱仪对熔炼所得的铸态合金进行成分测试，铸态合金的化学成分见表1。采用光学显微镜研究不同稀土Gd含量对Mg．5Zn．0．6Zr镁合金铸态组织的影响，试验采用4004，8004，1 200“和2 0004金相砂纸依次对样品进行打磨，采用0．5¨m的金刚石抛光膏进行抛光。采用附带能谱仪表1 Mg一5Zn一0．6Zr-xGd镁合金的化学成分Table 1 Chemical composition of theMg-5Zn-0．6Zr-xGd magnesium alloy 嘶(EDS)的Quanta 200型扫描电镜(SEM)对铸态Mg．5Zn一0．6Zr．xGd合金的形貌、第二相及断口形貌进行分析。拉伸试样从浇注试样底部向上截取100 mm，按GB／T 228--2002国家标准加工成直径西1 0 mm的拉伸试棒，在CSS一44200型电子万能试验机测试合金的拉伸强度，拉伸速度2．0 mm／rnin。2试验结果和讨论2．1微观组织分析图1为不同Gd含量的Mg．5Zn．0．6Zr合金的显微组织。Mg一5Zn．0．6Zr合金的铸态显微组织主要由初生or．一Mg相和粗大的连续网状分布的MgZn：相组成，见图1a。当Mg．5zn．0．6Zr合金中添加0．5％Gd后，合金中连续网状分布的MgZn：相显著细化，见图1b。当合金中GdJc曾JJH91]1．0％Gd时，合金中连续网状结构的MgZn：被进一步细化。随着稀土Gd含量的进一步增加，连续网状结构的MgZn：相的细化效果下降，见图ld。由此可见，添加稀土Gd后，铸态Mg-5Zn．0．6Zr合金中MgZn2图1 不同Gd含量Mg一5Zn一0．6Zr合金显微组织Fig．1 The microstructures ofthe Mg-5Zn-0．6Zr magnesium alloy with different Gd content万方数据FOUNDRYMar．2017V01．66 NO。3相得到显著细化。通常认为当Mg．5Zn一0．6Zr合金凝固，合金中初生的仪一Mg开始结晶时，由于Gd的原子半径(2．54 nnq)远大于Mg的原子半径(1．72 nrn)，溶质再分配时进入仪一Mg固相中的Gd含量很小，从而使得Gd原子容易在合金凝固的固一液界面前沿大量富集，从而改变了固一液界面热扩散的速率，导致合金成分过冷增大，从而使得合金中连续网状分布的MgZn：相被细化【8]。为进一步分析稀土元素Gd对Mg．5Zn．0．6Zr合金中相的影响，采用SEM和EDS研究了Mg．5Zn一0．6Zr．1．0Gd合金相的形貌与成分，结果见图2。由图2a可见，合金中存在大量的细小颗粒状的金属间化合物，这些金属间化合物尺寸为2～5 um，呈现出灰色和白色。通过EDS对比结果(表2)，图2a中黑色部分(标记1)为仪一Mg基体，同时含有少量的固溶态zn。标记2呈现出网格状，其EDS结果分析表明：其主要成分为Mg和zn元素，见图2c。结合图1可以推断，标记2为网状分布的MgZn：相。通过标记3的EDS分析可知(图2d)，灰色小颗粒的成分主要呈现出Mg、Zn和Gd的峰值，由此可见，稀土Gd在合金中主要是以MgZnGd金属问化合物的形式存在于Mg．5Zn．0．6Zr合金中。王忠军等【9]研究了铒和钕对铸态Mg．5．8Zn一0．5Zr镁合金显微组织的影响，结果表明：添加铒或钕后ZK60镁合金中形成了含有Mg．Zn．Er或Mg—Zn—NdZ_元相的共晶相，其熔点都为518℃。在挤压态的ZK60．2Yb镁合金中，新生成的Mg。Zn，Yb金属间化合物对ZK60．2Yb镁合金中相的成分、热处理和力学性能具有重要的影响【10]。图2a中明亮的小颗粒的EDS分析结果见图2e，其主要成分为Mg和Zr元素。图2 Mg．5Zn一0．6Zr-1．0Gd合金的SEM和不同化合物的EDS分析结果Fig 2 SEM and EDS analysis results ofthe intermetallics in the Mg一5Zn一0．6Zr一1．0Gd magnesium alloy表2图2a中标记处的EDS分析结果Table 2 Summary of EDS point analysis correspondingto intermetallics marked in Fig．2a 嘣位置 zn Zr Gd C 0 Mg2．2力学性能结果及分析图3为Mg一5Zn．0．6Zr-xGd(茗=o，0．5，1．0，1．5)合金的极限抗拉强度和伸长率，由图3可见：添加0．5％稀土元素Gd后，合金的极限抗拉强度由基体合金的190 MPa增加到198 MPa；随着稀土Gd含量的增加，合金的极限抗拉强度进一步增加，其中稀土Gd含量为1．0％时，合金的极限抗拉强度达到最大值(223 MPa)，而稀土Gd含量增加到1．5％时，合金的极限抗拉强度有所下降，为216 mPa。稀土Gd的添加，合金的伸长率明显提高，由基体合金的5．6％分别提高到6．8％(o．5％Gd)，7．2％(1．0％Gd)和7．6％(1．5％Gd)。由此表明：稀土Gd的添加，有效地强化了Mg．5Zn．0．6Zr的合金，同时合金的塑形也得到了明显的改善。因为在Mg一5Zn一0．6Zr中添加了稀土元素，稀土元素与合金中的Mg、Zn等元素形成的尺寸为2～5斗m细铝甜昭钙跚盯％趴“甜弱％7445弭B34酡3卯8”粥：合王”卜●234万方数据铸造 章继涛：&《；-l-Gd对Mg一5Zn一0．6Zr镁合金铸态组织与力学性能的影响 ·245·270240已210要1 80心爱150垄120盛90晕60300图3 Mg一5Zn一0．6Zr-xGd合金的极限抗拉强度和伸长率Fig．3 Ultimate tensile strength and elongation ofthe Mg一5Zn-0．6Zr-xGdmagnesium alloys小弥散分布的第二相，这些富Gd的金属间化合物属于高温稳定的硬脆相，合金在受到外力发生塑形变形时，合金中形成大量位错运动，位错要切过这些硬脆相粒子很困难，只能绕过。根据Orowan机制可知，位错绕过析出相粒子时留下的大量位错环会阻碍位错源放出位错【“】。若要克服阻力放出位错，则必须增加应力，从而反映出合金极限抗拉强度从190 MP提高到223 MPa。此外，稀土Gd的添加，显著细化了合金中的MgZn：相，促进了合金中各析出相的均匀分布，从而有利于合金伸长率的改善。2．3断口形貌不同Gd含量的Mg．5Zn一0．6Zr镁合金断口形貌见图4。由图4a可知，Mg一5Zn．0．6Zr镁合金断口中存在着较大的解理面和大量由解理台阶形成的河流花样，撕裂棱是连接解理面和形成解理河流的主要方式，但是撕裂棱较少。当合金添加0．5％Gd后，合金中的解理面被显著细化，同时撕裂棱的数量大幅增加，见图4b。在1．0％Gd变质的合金中存在大量的撕裂棱线条，见图4c。进一步添加稀土Gd，变质合金的断口上已看不到明显的解理台阶，同时合金中产生了大量的韧窝，说明其断裂方式由脆性解理断裂方式向韧窝断裂方式转变，见图4d。(a)尢添加 (b)O．5％Gd (c)1．O％Gd (d)1．5％Gd图4 不同Gd元素的Mg．5Zn-0．6Zr镁合金断口形貌Fig．4 Fracture morphology ofthe Mg一5Zn-0．6Zr magnesium alloys with different Gd content3结论(1)在Mg一5Zn．0．6Zr镁合金中分别添加0．5％～1．5％稀土Gd能显著改善合金的铸态组织，合金中MgZn2才g得到显著细化。(2)添加稀土Gd，合金中生成的尺寸为2～5¨m细小弥散分布的MgZnGd金属问化合物使得合金极限抗拉强度从190 MPa提高到223 MPa；合金的伸长率从5．6％提高到7．6％；稀土元素Gd合金化的Mg．5Zn一0．6Zr合金断口中的撕裂棱显著增加。参考文献：[1]Hai Z Y，Xing Y L．Review of recent studies in magnesium matrixcomposites[J]Joumal of Materials Science，2004，39：6153—6171．[2]薛寒松，吴招兵，彭开建，等．机械振动对Mg一6Gd一3Y一0．4Zr-2Zn镁合金组织和性能的影响[J]铸造，2013，62(9)：870—873．[3】王维青．合金元素对ZK60镁合金第二相的影响[D]．重庆：重庆大学，2005．[4]Liu Y，Yuan G Y，Lu C，et al Microstructure and mechanicalproperties of Mg--Zn·-Gd--based alloys s仃engthened with quasicrystaland Laves phase[J]Transactions of Nonferrous Metals Society ofChina，2007，SI：$353一$357．[5]李杰华，介万奇，杨光昱．稀土元素GdX寸Mg—Zn—Zr镁合金组织和性能的影响fJl．稀有金属材料与工程，2008，37(9)：1587一1591．[6]冯晓伟，戚文军，黎小辉，等．Mg—Zn—Gd合金的微观组织和力学性能[J]．稀有金属，2016，40(1)：14—19．[7]李宪明．热挤压Mg—Zn—Zr-Gd合金的显微组织及力学性能[D]．沈阳：沈阳工业大学，2叭2．[8]余琨，黎文献，张世军．Ce3寸镁及镁合金中晶粒的细化机理[J]稀土金属材料工程，2005，34(7)：1013—1016．『91 Yu W B，Liu Z 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