Nd对Mg－6Zn－Mn镁合金显微组织和力学性能的影响

张丁非，张红菊，段作衡，齐福刚，潘复生

（1重庆大学 材料科学与工程学院，重庆400045；2重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044）

镁合金因其具有密度小，比强度和比刚度高，易于成型，良好的电磁屏蔽效应等优点，而被广泛应用于汽车、电子、3C等相关行业［1－4］。在众多镁合金系中，Mg－Zn系合金具有较高的强度、良好的塑性、较低的生产成本等特性，而受到人们越来越多的关注。然而，Mg－Zn二元合金的结晶温度区间大，存在流动性较差、易产生显微疏松、晶粒细化困难等问题，而极大地限制了其广泛的工业应用［5］。为此，在商业铸件和变形Mg－Zn系合金的生产中，往往需要添加其他合金元素以提高其综合力学性能［6］。

以往研究发现，稀土Nd可以改善镁合金的流动性，起到细化晶粒、强化固溶体、强化晶界的作用，进而改善合金的综合力学性能［7－9］。如丁文江等［10］研究了Nd含量对Mg－5Zn－0.4Zr合金热轧后力学性能的影响。研究发现，当Nd含量为1%（质量分数，下同）时，Mg－5Zn－0.4Zr合金的综合力学性能最好，作者们将其归因于稀土Nd具有细化晶粒的作用。Mg－6Zn－Mn镁合金是本课题组近来开发的一种新型高强镁合金，研究表明，Mg－6Zn－Mn合金能在310～330℃低温挤压获得细小的完全动态再结晶晶粒，其屈服强度和抗拉强度接近T5态商用高强度ZK60镁合金的性能。为了进一步优化其室温综合力学性能，本工作重点研究了稀土Nd含量对 Mg－6Zn－Mn镁合金组织和力学性能的影响，并对其作用机理进行了探讨。

1 实验材料及方法

本实验利用真空感应炉熔炼 Mg－6Zn－Mn－xNd（x＝0%，0.2%，0.4%，0.6%和1.0%）合金铸锭，原料采用工业纯 Mg、纯Zn、Mg－3.43%Mn中间合金以及Mg－30%Nd中间合金。利用X射线荧光光谱仪XRF－1800测定合金成分，结果如表1所示。合金铸锭去皮后，放入热处理炉中进行330℃／16h＋420℃／4h的均匀化处理，再在360℃下进行挤压，挤压比为25。

表1 Mg－6Zn－Mn－xNd变形镁合金材料成分Table 1 Chemical composition of extruded Mg－6Zn－Mn－xNd alloys

将挤压后的镁合金棒材，加工成标准的拉伸试样，在CMT－5105电子万能试验机上进行力学性能测试，拉伸速率为3mm／min；利用MDS实验室金相显微镜对合金金相组织观察，腐蚀剂为4%硝酸酒精；采用D／MAX－2500PC型X射线衍射仪分析合金物相；使用配备了HKL Channel 5EBSD系统的FEI Nova 400型热场发射扫描电子显微镜对样品进行了EBSD分析。

2 实验结果与分析

2.1 稀土Nd对铸态Mg－6Zn－Mn镁合金组织的影响

图1为 Mg－6Zn－Mn－xNd镁合金铸锭经4%硝酸酒精腐蚀之后的金相组织照片。原始镁合金铸态组织的枝晶粗大；随着Nd的加入，枝晶间距明显减小，尤其当Nd含量高于0.4%后，枝晶间网状分布的第二相明显增多。这主要归因于在凝固的过程中形成的第二相颗粒阻碍了枝晶的长大，从而形成更多细小的枝晶。XRD物相分析（见图2）表明，初始合金主要由α－Mg基 体，MgZn2和 Mg7Zn3组 成［11］，其 中 MgZn2和Mg7Zn3偏聚在枝晶上，具有很好的时效强化作用。加入稀土Nd后，XRD图谱显示出明显的T相（Mg－ZnNd三元共晶相，熔点为480℃左右，底心正交晶体结构，晶格常数为a＝0.96nm，b＝1.12nm，c＝0.94nm）［12，13］。当 Nd含量超过0.4%时，合金中的Mg7Zn3相消失，同时生成了MgZn相和Mn单质。这主要是由于Mg7Zn3是亚稳相，随着环境的变化，Mg7Zn3会进一步分解成α－Mg基体和MgZn相［14］。这表明适量的稀土Nd有利于Mg7Zn3亚稳相的分解。

图1 Mg－6Zn－Mn－xNd合金铸态显微组织 （a）0%；（b）0.2%；（c）0.4%；（d）0.6%；（e）1.0%Fig.1 Microstructures of as－cast Mg－6Zn－Mn－xNd alloys （a）0%；（b）0.2%；（c）0.4%；（d）0.6%；（e）1.0%

2.2 稀土Nd对挤压态Mg－6Zn－Mn镁合金组织的影响

图3为 Mg－6Zn－Mn－xNd挤压态金相照片。经过360℃挤压，初始合金呈现出细小的等轴晶，这表明其发生了完全动态再结晶。随着稀土Nd的添加（低于0.4%），合金呈现了不同粒径的铸态组织与等轴晶的混合组织，这表明适量的稀土Nd能够有效地抑制部分晶粒发生动态再结晶。随着稀土Nd含量的进一步增多，合金发生完全动态再结晶，形成了更加细小的等轴晶。这说明适量的Nd（0.4%以上）在Mg－6Zn－Mn镁合金中具有显著的细化晶粒作用。

图2 Mg－6Zn－Mn－xNd合金 XRD物相分析（a）0%；（b）0.2%；（c）0.4%；（d）0.6%；（e）1.0%

此外，随着Nd含量的增加，在晶界上出现了大量的第二相颗粒。EDS分析表明（见图4），第二相颗粒主要为镁锌二元相与T相的混合物，T相依附于镁锌二元相生长。当Nd添加量较少时（0.2%），第二相颗粒基本为镁锌二元相；随着Nd含量的增加（1.0%），镁锌二元相减少，T相显著增加，第二相颗粒为少量的镁锌二元相与大量的T相的混合物。由EDS结合XRD的结果可知，大部分Nd以T相形式存在于晶界上，这也是随着稀土Nd含量的添加，晶界上T相越多的主要原因。

2.3 稀土Nd对挤压态Mg－6Zn－Mn镁合金织构的影响

选取Nd含量为0.2%和0.6%的两种合金为例，利用EBSD研究挤压态 Mg－6Zn－Mn－0.2Nd与 Mg－6Zn－Mn－0.6Nd合金的微观组织及晶粒取向。

图5（a）、图6（a）是根据晶粒菊池线衬度BC信息重构获得的取向成像图。BC图可反映出样品在EBSD表征中花样的质量，花样越清晰，则缺陷或内应力越小。图5（b）、图6（b）是根据取向信息得到的极图。两个样品的〈0001〉方向都垂直于挤压方向，但图5（b）显示 Mg－6Zn－Mn－0.2Nd合金中主要是方向平行于挤压方向；而图 6（b）显示Mg－6Zn－Mn－0.6Nd合金则是平行于挤压方向。Wagner等研究表明，HCP金属形变组织的取向为取向，而再结晶后组织多为取向，因此可通过极图的变化反映再结晶 比例的高低［15，16］。由图可知，添加0.2% 和0.6%Nd的合金都形成〈0001〉方向垂直于挤压方向的织构，说明随着Nd的添加对宏观织构（〈0001〉方向）影响较小，主要影响合金的动态再结晶的程度。合金添加0.2%的Nd，其再结晶比例低，因此织构为；当Nd含量增加至0.6%时，合金发生了完全动态再结晶，因此织构为

2.4 稀土Nd对挤压态Mg－6Zn－Mn镁合金室温力学性能的影响

本实验对挤压态的Mg－6Zn－Mn－xNd合金进行了室温拉伸性能测试，结果如表2所示。

表2 Mg－6Zn－Mn－xNd合金挤压态的室温力学性能Table 2 Mechanical properties of extruded Mg－6Zn－Mn－xNd alloys

图7显示了挤压态Mg－6Zn－Mn镁合金的屈服强度和抗拉强度随着Nd含量的变化规律。由图7可知，屈服强度、抗拉强度随Nd含量的增加呈现先升后降的趋势。Nd含量为0.2%时，屈服强度达到250MPa，比原始合金提高了约17%。当Nd含量增加至1.0%时，屈服强度回落到添加Nd元素之前的水平。当Nd含量较低时（低于0.4%），合金的动态再结晶程度较低，位错密度相对高，但是位错运动比较困难，因而合金展现了较高的屈服强度。然而，当Nd含量增加至0.6%时，合金在挤压过程中完成了完全动态再结晶，位错密度降低，位错运动变得容易，导致了屈服强度的降低。随着Nd含量的进一步增加，尽管晶粒得到了细化，然而在其晶界上析出了大量粗化的第二相颗粒，在外加载荷作用下易形成裂纹源，而导致合金屈服强度的降低。

图7 Nd含量对Mg－6Zn－Mn镁合金屈服强度和抗拉强度的影响Fig.7 Effect of Nd contents on the yield strength and tensile strength of extruded Mg－6Zn－Mn alloys

3 结论

（1）稀土Nd对铸态 Mg－6Zn－Mn合金具有明显的枝晶细化作用。当Nd含量低于0.4%时，铸态合金晶粒得到明显的细化。然而，当Nd含量超过0.6%时，在其晶界上析出粗大第二相颗粒而导致合金的综合力学性能降低。

（2）稀土Nd对挤压态 Mg－6Zn－Mn合金的织构影响较小，而显著影响其动态再结晶率。当Nd含量较低时（低于0.4%），合金经挤压时动态再结晶率较低，主要生成弥散细小的第二相；随着Nd的增加（0.6%以上），合金发生完全的动态再结晶。然而，在晶界上析出粗大的T相，而导致合金综合力学性能下降。

（3）适量 Nd的添加（低于0.4%），挤压态 Mg－6Zn－Mn合金的室温综合力学性能最好，屈服强度达到250MPa，抗拉强度超过300MPa。

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