镁合金Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 组织与力学性能研究

（太原科技大学，山西 太原 030024）

镁合金作为当下最轻的金属结构材料，有着较高的比刚度和比强度，减震性能、阻尼性强以及磁屏蔽性能好等多种优点，在航空航天、轨道交通、军工等多项领域得到不同程度的应用，被称作“21 世纪的绿色工程材料”[1-4]。由于Mg-Al 系镁合金在使用温度高于120 ℃时，其力学性能会显著降低，使得Mg-Al 系镁合金的使用受到了限制[5-6]。

在Mg-Al 系镁合金中加入少许具有细化晶粒和净化熔体的稀土元素，铝原子与化学活性高的稀土原子反应结合成为高熔点弥散强化相，从而能抑制低熔点镁铝相的出现，形成高熔点的第二相，最终提高合金的力学性能[7-10]。稀土钐在镁中具有固溶度大的优点，并且具备细化晶粒和固溶强化效果[11-13]。鉴于此，本文将研究不同含量的钐对Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn 合金显微组织和力学性能的影响。

1 实验过程

实验选取纯度为99.95%的镁锭，99.95%的锌锭，99.7%的工业纯铝，和Al-10%Mn 中间合金、Mg-15%Sm 作为原材料，使用RJ-6 为精炼剂、覆盖剂。以上原料须在温度设定为200 ℃的烘干箱中预热后装入坩埚炉，在井式电阻炉中进行熔炼时将采用熔剂保护，熔炼温度约730 ℃后向其中加入Mg-15%Sm 中间合金，并进行机械搅拌，760 ℃保温10 min 后，将熔液浇注到预热好的金属模具中。表1为各合金的化学成分。

表1 试验合金的化学成分（质量分数，%）

试验合金采用5504 型万能拉伸试验机对其进行力学性能的测试，拉伸试样尺寸如图1 所示，拉伸速度设定为2 mm/min，最终每个样品测量结果选取4 个拉伸样的平均值。

图1 试样拉伸尺寸示意图

最后，采用OM、XRD、S-4800 场发射式扫描电镜进行金相观察和分析，分析其金相组织、相组成以及第二相的分布和形貌。

2 结果与讨论

2.1 合金中的相组成与显微组织

为了确定合金中的相组成，对所制备的合金进行X 射线衍射图谱（XRD）分析，如图2 所示。从XRD 图中可知：合金中存在α-Mg，β-Mgl7All2，Al2Sm三种相。随着合金中Sm 含量的增加，合金中Al2Sm相的数量逐渐增多，而合金中的β-Mg17Al12相逐渐减少。可见，随着Sm 元素的添加，Sm 与Al 优先结合生成Al2Sm 相，夺去了合金中的Al 元素，自然使得β-Mg17Al12相逐渐减少。

图2 Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的XRD 图谱

图3 所示是不同Sm 含量Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn 镁合金的铸态微观组织。由图3a）可知镁合金晶界很细，晶粒尺寸较大，可明显观察到基体相α-Mg 和第二相β-Mg17Al12，其中基体相呈粗大块状分布，第二相主要沿晶界呈不规则的点状分布，只有少量分布在晶内。图3b）可见，随着Sm含量的增加，α-Mg 基体得到细化，β-Mg17Al12相开始变少，并且在晶界处开始呈现出半连续网状分布，且晶内的β 相开始减少，合金的晶粒尺寸在不断发生变化，同时弥散分布第二相的数目逐渐增多。可见，稀土Sm 元素的添加对镁合金具有晶粒细化的作用。从图3c）可知，当ω（Sm）=2.0%时，在晶粒内部几乎不存在β 相，同时观察到铸态合金晶粒开始变粗大。

图3 Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的金相显微组织

为了进一步分析镁合金试样组织的形貌状态，采用扫描电镜对Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-1.0Sm 合金试样进行扫描观察，如图4a）观察到合金组织是由不连续白色第二相β-Mg17Al12，点状和粒状的A1-RE 相和黑色基体α-Mg 所构成。当Sm 质量分数为1%时，第二相多数呈块状聚集在基体中，第二相逐渐变细小。其原因是合金中的Al 与Sm 优先形成了Al2Sm，粗大的β-Mg17Al12相由粗线条状、块状变为弥散分布、不连续的颗粒状和小块状。图4c）～e）分别为图4a）富钐相线扫描的结果。结果表明：Al 和Sm 是相中心区的主要组成部分，而Mg 占据了相周围的区域，作为合金组成元素的锌却没有在线扫描中显示。所以，线扫描结果证实了在Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-1.0Sm 镁合金中Al 与Sm形成了金属间化合物。

2.2 合金的力学性能

图5 和表2 分别为样品的拉伸应力-应变曲线和力学性能，由图可知Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm合金的屈服强度和室温抗拉强度随着衫元素的加入得到了明显提高，合金的塑性有所改善。当加入1%的Sm 时，合金的抗拉强度为161.8 MPa，塑性为7.33%.这是由于室温下Sm 在Mg 基体中的固溶度比较小，当加入的Sm 适量时，形成的第二相弥散分布阻碍位错的运动，材料的强度上升。当Sm 加入量达到2%时，晶粒细化不明显，伸长率有所降低。

图4 铸态Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-1Sm 合金的SEM 及富Sm 相的线扫描图

表2 试验合金室温时的力学性能

图5 Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm（x=0，1，2）合金的室温拉伸应力-应变曲线

3 结论

1）Sm 元素对镁合金Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm有细化晶粒的作用，并且Sm 与Al 优先生成Al2Sm相，使得合金中的β-Mg17Al12相减少；由于Sm 元素的加入使得粗大的β-Mg17Al12相由网状变为弥散分布、不连续的颗粒状和小块状，并且Al2Sm 相能够阻碍位错的运动，阻碍晶界的迁移，细化晶粒，提高变形抗力.

2）在本实验条件下随着Sm 质量分数的增加Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金抗拉强度有所提高，塑性也得到提高；当Sm 质量分数增大到一定数值时Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的塑性与抗拉强度反而会有所降低。

3）在本实验条件下Sm 质量分数为1%，比Sm质量分数为2%对Mg-6.5Al-1.2Zn-0.3Mn-xSm 合金的晶粒细化程度以及力学性能的提高更明显。