Mg-Y-Zn-Zr合金的显微组织和力学性能

李庆波¹，周海涛¹，赵仲恺¹，钟建伟¹，王经涛²

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 南京理工大学 材料学院，江苏 南京，210094)

摘  要：对Mg-9Y-3Zn-0.5Zr 和Mg-3Y-3Zn-0.5Zr 2种含Y镁合金的铸态，均匀化退火态和挤压态的显微组织及常温和高温力学性能进行研究，探讨稀土元素Y对这2种合金组织及力学性能的影响。研究结果表明：Y元素含量高的1号合金相对于2号合金的晶粒组织明显细小，并且抗拉强度也有所增加，但提高幅度有限；在高温下，镁合金的塑性较优，发生韧性断裂；钇合金于390 ℃热挤压后其显微组织中发生了再结晶，且含Y量较高的1号合金的再结晶晶粒较小，说明钇对再结晶有阻碍作用。

关键词：Mg-Y-Zn-Zr镁合金；稀土；钇；高温拉伸； 断口扫描

中图分类号：TG146.22          文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)03-0650-07

Microstructure and mechanical properties of Mg-Y-Zn-Zr Alloy

LI Qing-bo¹, ZHOU Hai-tao¹, ZHAO Zhong-kai¹, ZHONG Jian-wei¹, WANG Jing-tao²

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Materials and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract: The microstructure and mechanical properties at room and high temperatures of casting, annealing and hot extrusion of Mg-9Y-3Zn-0.5Zr and Mg-3Y-3Zn-0.5Zr were investigated. The effects yittium on the microstructure and mechanical properties of Mg-Y-Zn-Zr alloys were discussed. The results show that alloy 1 with higher contents of Y has finer grains than alloy 2 with lower content of Y and the tensile strength is somewhat increased, but the rising range is limited. At high temperatures, the alloys exhibit better plasticity and break plastically. The recrystallized microstructure is observed in the hot extrusion alloys, which verifies the occurance of recrystallization at 390 ℃. Moreover, the alloy with higher Y content has finer grains, indicating the prevention effect of yittium on recrystallization.

Key words: Mg-Y-Zn-Zr magnesium alloy; rare-earth; yittium; elevated temperature tensile; fracture scanning

镁合金以其密度小，比强度和比刚度高，切削性、阻尼性及电磁屏蔽性好等优点^[1]，越来越受到人们的青睐，被称为21世纪的绿色工程材料，应用越来越广泛^[2]。变形镁合金因组织细密、成分均匀、强度和延伸率高而具有更大的开发应用潜力，但是，因受到塑性加工能力差的影响，其开发程度还较低。

目前，国内外已经开发出来的变形镁合金数量不多，而得到应用的品种只有几个，其屈服强度和抗拉强度一般分别低于200 MPa和300 MPa。国产最好的变形镁合金经热处理强化后其强度也只能达到360 MPa左右，使用温度多在200 ℃以下^[3]。因此，现有的变形镁合金尚不能满足一些重要的高强度结构部件的使用要求。通过加入稀土元素合金化，能显著提高镁合金的强度和耐热温度^[4-5]。当稀土和镁形成化合物时，其化合物的形成温度(共晶温度)比Mg-Al和Mg-Zn系化合物的形成温度高得多，特别是镁与稀土形成的化合物具有较高的热稳定性^[6-8]。一般认为，含稀土的镁合金具有较高的蠕变性能，主要归因于稀土化合物的弥散强化和其在晶界上对晶界滑移的影响。目前，开发的稀土镁合金大多是在已有的合金系基础上通过添加稀土元素开发而成的。在国内，研究较多且已经开始应用的镁-稀土系变形镁合金有镁-锰-稀土(如MB12和MB14等合金)、镁-锌-锆-稀土系(如MB22和MB25等合金)，但合金强度都较低^[9]。在此，本文作者以Mg-Zn-Zr合金为基础，添加稀土元素Y，研究Y对镁合金力学性能及组织的影响。通过均匀化退火、热挤压等加工工艺，以及力学性能测试、金相组织观察、扫描电镜观察等实验，研究稀土元素Y对Mg-Zn-Zr合金力学性能及组织的影响。

1  实  验

表1所示为2种Y含量的Mg-Y-Zn-Zr合金成分。2种合金经熔铸获得铸锭。其中Y以Mg-Y中间合金的形式加入，Y含量为40%(质量分数)，Zr以Mg-Zr中间合金的形式加入，含Zr量为30%(质量分数)，Zn以纯金属形式加入。而后对铸锭进行490 ℃保温24 h的均匀化处理，并热挤压得直径为14 mm的棒材。挤压态样品在INSTRON Model8032电子万能试验机进行高温拉伸试验，使用KYKY-2800扫描电子显微镜对常温、100 ℃和200 ℃的拉伸试样进行断口扫描分析。采用Rigaku D/Max 2500型18 kW转靶X射线衍射仪对铸态合金进行定性物相分析，在PLOVER-MET金相显微镜上对合金的铸态、均匀化退火态和挤压态的显微组织进行分析。

表1  试样合金成分设计

   Table 1  Nominal composition of alloys    质量分数/%

2  结果与分析

2.1  稀土Y对合金显微组织的影响

2.1.1  铸态组织

图1所示为2种合金的铸态金相显微组织。可见，铸造组织呈现较粗大的枝晶状，主要由α-Mg相及晶界析出的第二相化合物组成。Y含量较高的1号合金具有明显较小的晶粒尺寸和更粗大的晶界，而Y含量较低的合金晶界不连续更加明显。这表明：Y元素可明显地细化组织晶粒；同时，Y含量增多也使得晶界变粗，析出的化合物含量增大，偏析现象严重。根据凝固原理及Mg-Y相图^[10]可知，溶质元素Y的平衡分配系数k＜1，因此，Y原子被排挤到固液界面附近，富集在已结晶的α-Mg表面，这也是高Y合金晶界较粗的原因。随着凝固过程的进行，它会阻止晶粒进一步长大；此外，在Mg-Zn-Zr合金中加入Y可能会导致固/液界面前沿产生成分过冷^[11]，使得形核率提高，从而细化晶粒。

(a) 1号合金；(b) 2号合金

图1  2种合金的铸态组织

Fig.1  Microstructures of two kinds of as-cast alloys

图2所示为2种合金铸态下的X射线衍射谱。由图2(a)可见，Y含量较高1号合金中其相组成物为α-Mg基体、Mg₃YZn₆准晶相和Zr相。由于合金中Zr的含量较低，当有限的Zr全部固溶于α-Mg基体中时，在X射线图谱中理论上不会出现Zr的衍射峰。但是，在图(a)中出现了Zr的强衍射峰，这说明Zr元素在熔铸过程中并没有完全溶入α-Mg基体中，合金中Zr元素出现了偏析。由图2(b)可见，2号合金的相组成物为α-Mg和Mg₃YZn₆准晶相。据文献[12]报道，Mg₃YZn₆为1种具有二十面体的准晶相，具有5次对称轴，其晶体结构为六方结构，晶格常数分别为：a=0.640~0.642 nm，c=1.029~1.031 nm。

(a) 1号合金；(b) 2号合金

图2  2种合金铸态下的X射线衍射谱

Fig.2  X-ray diffraction patterns of two kinds of as-cast alloys

根据Mg-Y相图，当Y含量不超过10%时，α-Mg固溶体结晶点在630 ℃以上。所以，Y元素不会降低α-Mg合金的固相点。由Mg-Zn相图^[6]可知，在600 ℃以上，α-Mg固溶体结晶时，Zn的固溶度不超过2.3%，这样，多余的Zn将继续留在液相。这个过程一直持续下去，液相中Zn的浓度将越来越高。而Zn的浓度越高，固相点就越低，这样，随着凝固过程的继续进行，Zn将被逐渐推向晶界。根据Mg-Y相图^[6]，α-Mg固溶体在此温度范围内凝固，Y应该固溶5%以上，但由于Zn的影响，Y的固溶度降低。在Mg-Zn-Y三元合金凝固线上，Y和 Zn的固溶度随着Y与Zn含量比的增加而迅速下降。由于Zn的影响，因而α-Mg中固溶的Y较少，大量的Y和Zn被推向晶界。在晶内，由于固溶了一定含量的Y，当原子含量起伏到达Mg-Y相摩尔比时，就生成了Mg-Y(Mg₃YZn₆)相^[13]，而并没有生成MgZn相，这一点从XRD谱可以得到证实。

2.1.2  均匀化组织观察

图3所示为均匀化退火后合金的显微组织。可见，铸态合金在490 ℃加热，24 h保温后，铸态组织中枝晶偏析消除和非平衡相溶解，合金的晶内偏析部分消除，枝晶网胞及晶界上网状化合物相也部分溶解，基体中第二相细小弥散分布。合金的晶粒尺寸随温度升高和时间延长有增大趋势；从图3中可以看到，与铸态组织相比，均匀化退火组织成分偏析的程度大幅度下降。经过热处理的高温保温过程，晶界区域明显变窄，非平衡相被溶解，枝晶偏析得到有效消除，晶内存在大量析出物。

(a), (b) 1号合金；(c), (d) 2号合金

图3　2种合金均匀化退火后的显微组织

Fig.3  Microstructures of two kinds of homogenized alloys

原本沿晶界分布的连续的第二相化合物经均匀化处理后变得不连续，这可能为稀土相。在高温下，由于稀土相具有良好的热稳定性，这种相只是部分被溶解，使得晶界处保留了残留物。结合前面的X射线衍射分析推断，这种相即为准晶相Mg₃YZn₆。

由于Y含量较高的合金，所形成的Y相含量也较高，经均匀化退火后难溶物保留较多，因此，图中1号合金残留物多于2号合金残留物。在Mg-Zn-Zr合金中，理论上生成相为MgZn 和MgZn₂，但合金加入Y后，由于大量的Zn凝固时推到界面，使得生成MgZn和MgZn₂相的几率和它们长大的几率很小，因而，含Y合金的析出相变得更多、更弥散、更细小。

2.1.3  挤压态组织

图4所示为2种合金在390 ℃热挤压后的显微组织。可见，2种合金在热挤压过程中均发生了动态再结晶^[14]，但在图4(a)和(c)中的显微组织都呈现比较明显的加工流线，说明动态再结晶均不彻底。从在图4(b)和(d)中可以看到，2号合金的晶粒尺寸比1号的大，并且在2号合金中，于低倍显微镜下可看到再结晶晶粒，而在1号合金中不可见，说明2号合金的再结晶与1号合金相比较完全，且再结晶组织更细小，这可能是Y含量不同造成的。第二相对再结晶的作用因其含量不同而有不同，当第二相粒子尺寸较大、间距较宽时，再结晶核心可能在其表面产生；而当第二相粒子尺寸很小且较密集时，则会阻碍再结晶的进行。因此，Y元素对动态再结晶影响的原因可以归结为：Y相含量较高的弥散分布对再结晶的发生起到了阻碍作用，而在Y相含量较低的合金中Mg-Y相质点为再结晶提供了形核中心，促进了再结晶的发生。

(a), (b) 1号合金；(c), (d) 2号合金

图4　2种合金热挤压后的显微组织

Fig.4  Microstructures of two kinds of hot extruded alloys

1号合金热挤压后变形组织得到了细化，但晶粒不均匀，晶粒内部析出分布弥散的第二相质点，这些弥散的第二相质点使得潜在长大的动态再结晶晶核被钉轧，阻碍再结晶的进行并阻碍形核和晶粒长大，同时这些细小弥散的晶内析出相起到了弥散强化作用。由低倍金相照片可见，晶间第二相化合物被拉长成条状，沿挤压方向分布在晶间。

2.2  稀土Y对合金力学性能的影响

对2种合金的挤压态在常温，100，150和200 ℃时分别进行拉伸实验。

各温度下真应力—真应变曲线如图5所示。可见，Y含量高的合金具有较好的综合力学性能，表现为高抗拉强度和较好的塑性。这是由于稀土元素具有较好的细化晶粒的作用，Y的加入使合金的晶粒尺寸减小，并且这种效果很可能与Y含量有关。稀土元素的加入还可在合金中形成较硬的弥散颗粒，起到强化作用，提高抗拉强度。加入Y元素的主要作用是提高合金的高温力学性能。而在常温下添加3% Y已非常接近最佳含量。继续添加Y对提高合金的常温力学性能影响不太明显。所以，从图5(a)可见，1号和2号合金曲线比较相似，而且抗拉强度非常接近。

(a) 常温；(b) 100 ℃；(c) 150 ℃；(d) 200 ℃

1—1号合金；2—2号合金

图5  不同温度下2种合金的真应力—真应变曲线

Fig.5  True stress—true strain curves of two kinds of alloys at different temperatures

作者认为，Y的强化机理在于金相组织越均匀，晶粒尺寸越小，合金的强度就越高。含9% Y的合金之所以具有较大的抗拉强度，从金相角度来看，是因为其具有较细小的晶粒，较窄的晶界和较弥散、均匀的析出物。经挤压后的合金，析出大量的细小弥散质点，使基体得到强化，因而具有较好的抗拉性能。同时，析出的质点可以对位错起到钉扎作用，有效阻止位错运动，从而提高合金基体屈服强度。由此可见，提高合金基体屈服强度，对提高合金的宏观力学性能影响极大。弥散强化及固溶强化都是提高合金强度的有效途径。

2.3  扫描断口分析

图6所示为拉伸试样断口的SEM像。图6(a)和(b)所示为合金挤压态在常温下的断口SEM像。可见，断口组织基本是由冰糖状断口、二次裂纹和解理面组成，这是典型的沿晶断裂特征。随着温度的提高，图6(c)和(d)显示，冰糖状断口和二次裂纹减少，解理刻面也相对减少，由解理台阶交汇形成的河流花样也都由撕裂棱连接起来，撕裂棱的数量较少。断口呈现类似晶粒凸凹的断口，并伴有一些不太规则的浅韧窝，类似韧性断裂，合金的塑性有一定程度的提高。而在200 ℃时，由图6(e)和(f)可见，拉伸断口的韧窝分布较多且较深，韧窝底部可以看到夹杂或第二相颗粒，显示了良好的塑性。韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑-韧窝。在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二相粒子。然而，并非每个韧窝都包含1个夹杂物或粒子，因为夹杂物或粒子分布在2个匹配断口上。

(a) 1号合金，常温；(b) 2号合金，常温；(c) 1号合金，100 ℃；(d) 2号合金，100 ℃；(e) 1号合金，200 ℃；(f) 2号合金，200 ℃

图6  不同温度下拉伸试样断口的SEM像

Fig.6  SEM images of tensile samples at different temperatures

材料中第二相粒子的形状和分布对解理断裂的影响是尺寸较大的粒子促进解理断裂。细小密集分布的粒子由于难于形成位错塞积，因此，不会成为解理断裂的萌生点。粒子形状在解理断裂中不起主要作    用^[15]。由于1号合金第二相粒子细小弥散阻碍了解理断裂，虽然是沿晶断裂，但并不是每个晶粒在晶界都能形成解理断裂。反之，2号合金尺寸较大，且间距较宽，沿晶断裂很容易发生，造成了1号合金显示的断裂组织较大，在常温下，晶界存在一些较脆的含Y相，变形时，当集中应力较大时，在晶界处优先发生断裂；当温度升高时，一部分脆性相溶解，使得断裂表现出韧性，同时，可能出现新的滑移系，变形能力应有所提升。室温时，只有基面{0001}<1120>发生滑移。当温度较高时(490 K)，棱柱滑移面的临界切应力下降，才在棱柱面产生滑移系^[16]。在高温下，拉伸断口韧窝显得比常温要多且深，可看作合金在高温下塑性较好的具体体现。

3  结  论

a. Y含量高的1号合金相对于2号合金的晶粒组织明显细小，表明稀土元素具有较好的细化晶粒的作用，并且这种效果与Y含量有关。

b. 于390 ℃热挤压后的合金发生了动态再结晶，再结晶程度和晶粒尺寸随Y含量的增加而有所降低，说明Y含量高对再结晶有一定的阻碍和细化作用。这是合金基体中有细小弥散的含Y相所致。

c. 由不同温度下真应力—真应变曲线可知，Y含量高的合金在高温下具有较好的综合力学性能，表现为抗拉强度高和塑性较好。

d. 在高温下，合金的拉伸断口呈韧性断裂断口，韧窝分布较多且深；而常温下，断口组织为典型的解理断裂，属于沿晶断裂。说明温度升高使合金的断裂趋于韧性。

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收稿日期：2008-05-04；修回日期：2008-11-20

基金项目：国家“十一五”支撑计划项目(2006BAE04B03)

通信作者：周海涛(1962-)，男，山东青岛人，博士，教授，从事镁合金变形及加工工艺研究；电话：0731-2655250；E-mail: htzhou62@yahoo.com.cn