Nd 和 Y 對 ZK60 合金微觀結構和力學性能的影響 H.T.周 ， Z.D.張 ， C.M.劉 ， Q.W.王 中國 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083 中國 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200030 2005 年 7 月 26 日收到， 2006 年 3 月 29日在經修訂的形式收到， 2006 年 4月 12 日接受 。 摘要 neodium（釹）和釔（ Y）對 ZK60 合金微觀組織和拉伸性能的影響進行了研究。實驗結果表明， neodium（釹）和釔的添加產生了另外一個新的 Mg41Nd5 和Mg3Zn6Y（ I） 析出和細化鑄態 晶粒，通過熱擠壓后，添加了 Nd和 Nd 與 Y的合金通過動態再結晶大大細化顆粒或達到了沉淀效果的手段， 因此 ，含有 Nd和 Y的合金獲得了 4-8 um 的非常細小顆粒，然而，釹合金的晶粒尺寸相對比較大。這表明， Nd 和 Y 的添加組合對在動態再結晶晶粒細化的影響較大， 并導致雙方的共晶相的熔融溫度和熔融溫度或合金的屈服強度增加，也增加了 Nd 和 Y 合金在室溫下的拉伸強度。與此相反， ZK60 和添有 Nd（ 釹）的合金的伸長率比 Nd和 Y 合金還高。 關鍵詞 :ZK60 合金 ；Neodium；釔 ；擠壓型材 ；拉伸性能 ； 1.介紹 鎂合金是最 輕的合金結構，因此他們很可能適用于汽車和航空業的許多結構件，由于高比強度，高比剛度和良好的阻尼性能 1,2，然而，最新的鎂合金由于某些不良性質的作用，無法滿足一般結構的強度要求，因此，鎂合金結構件的應用仍然十分有限。為了克服這些挫折和拓寬鎂合金的應用領域，研究人員正在嘗試任何類型的方法，它已經證明，通過添加晶粒細化稀土金屬（ RE）和熱加工 3,4，鎂合金的力學性能顯著提高。眾所周知，在室溫和高溫下 5所有鎂合金的力學性能都很高，但是， ZK60 合金的力學性能最高。然而，相對鋁合金而言，它在室溫和高溫下的 強度仍然是比較低的。從這個角度來看，許多研究人員致力于努力改善其力學性能。最近據報道，擠壓稀土鎂合金具有優良的力學性能 6,7。例如， Ma 等人研究了擠壓稀土 ZK60 合金并建議可以提高熱擠壓擠壓變形 ZK60 - RE8的拉伸性能。 Singh 和 Tsai 9 和 Zhang 等人10研究了 Y對 ZK60 合金顯微組織和力學性能的影響。他們指出 Y 增強了屈服強度和高溫強度摩擦，通過形成新相 (W Mg3ZnY2) 和 (I Mg3Zn6Y)，它具有較高的抗寒性，熱穩定性，耐腐蝕性強，低系數的新階段，低界面能 等 11,12。隨后，這些新的階段，可以有效地阻礙位錯滑移時熱變形，雖然 ZK60 合金的力學性能可以由 Y 的加入提高，預期性能是無法估計的，因此，在這項研究中，我們首次發表這篇文章研究 neodium（釹） 和釹與 Y的組合對 ZK60 合金微觀結構和拉伸性能的影響。此外，通過拉伸性能與微觀結構的關系研究了熱擠壓合金。 表 1 化學組成成分（ wt） 2.實驗程序 合金的化學成分見表 1。該合金爐下編寫了一個混合的 SF6 氣體環境（ 1 vol.）和二氧化碳（ BAL）的保護。當熔化的合金達到 780C，它是沸騰為大約 300 秒后打呼嚕，熔融合金為 15 分鐘進行，讓夾雜物沉淀在坩堝底部，接著，金屬被倒進一個中型爐。在 680C 時，將熔化的金屬倒入為 90 毫米大小的錠中，該錠放入溫度為 420C18 小時，之后，在 390C將他們擠壓成棒 20毫米長， 擠壓比為 20:1。從這些擠壓棒中加工成直徑為 5 毫米和 66毫米長度的拉伸試樣，該拉伸試件尺寸為 10 毫米寬， 66 毫米長。該組織的標本使用輕型顯微鏡（ OM， LEICA MEF4M）進行分析，相位分析是由一個 D / MAS 的 IIIA 部 X射線衍射儀（ XRD）分析方法進行，所有這些標本是 蝕刻有 4硝酸酒精溶液中。 3.結果 3.1.微觀結構鑄合金 ZK60 組織圖 圖 1分別顯示了顯微組織鑄態 A， B 和 C合金。從圖 1a中可以看出， A（ ZK60）合金是初級 (Mg)組成的矩陣和共晶 （ Mg2Zn3）相，作為網絡的 相位不連續顆粒為主晶界，當有添加釹的命名為 B 合金，多個第二階段析出，如圖所示 1b,與此同時，釹、 Y加入到 ZK60 合金中一起叫做 C 合金，它似乎有更多的化合物出現，而這些化合物的大小比 A和 B合金還小，如圖 1c,因此，不同的晶粒尺寸 A， B 和 C 合金分別按順序為 90， 60 和 40 毫米，因此，可以得出結論， Nd和 Y 對 ZK60 合金細化具有效果。這與 Luo13的結果不變。 圖 2顯示了掃描電鏡對 B 和 C 合金的微觀結構圖像。結果發現，有一些化合物在三重晶界看到了圖簇，如圖 2a。 EDAX 分析表明，其化學 成分配方。這是符合 X射線衍射如圖 3，當 Nd 和 Y 加入到 ZK60 合金中，更多原子簇化合物一起出現在三重晶界，其中有一些平行的板條。他們使用 X射線衍射 C合金，可以看出存在 Mg41Nd5相位和 I相 (Mg3Zn6Y),進一步確認 C合金具有 I相 (Mg3Zn6Y, 準晶結構 ),除了 Mg41Nd5 之外。原子簇化合物的形成可以歸因于對 Nd 和 Y 14總數量的增加，然而， W 相（ Mg3Zn3Y2）和 Z 相（ Mg12ZnY）不能通過 X 射線衍射和能譜分析實驗發現，顯然，在合金 C中，釔的添加除了帶來對 I 相的形成外，并超過了 W 相（ Mg3Zn3Y2）和 Z相（ Mg12ZnY）的形成。 圖 4顯示了 B和 C 合金中 Nd和 Y 分布圖，發現 Nd 和 Y 都在晶界和基體存在。但是，在某些領域， ND 或 Y 含量非常高，正如如圖 4a 和 c，它表明第二相很可能含有更多的釹或釔比基體。這可能是用來解釋現象，一定量的第二相存在于合金帶 B和 C，這進一步符合與 X 射線衍射結果一致。 圖 5顯示了 DTA 分析合金 B和 C的結果，第一吸熱峰出現在了合金 B 溫度約 463.3C 和合金 C溫度為 485.7C，而第二個峰值出現在 617.5 用于合金 B和615C合金 C，第一峰可以被認為是共晶相的熔融溫度，第二個峰可以作為合金（合金溶液溫度）熔化溫度。我們可以得出這樣的結論 Nd和 Y的添加組合大大增加了 ZK60 合金共晶溫度，這與 釔 的添加相同，大大增加了 Mg - Zn 二元合金（ 340C） 10,15的共晶溫度。對本實驗 DTA 結果進一步分析表明， Nd 和 Y 總含量的增加會同時增加鎂鋅鋯（ Mg-Zn-Zr） 合金的共晶溫度。 3.2。微觀結構演化的熱擠壓合金 圖 6顯示了在 390時光學微合金 A， B 和 C被擠壓的三結果，研究發現三種合金發生動態再結晶（再結晶）。然而，晶粒尺寸和第二階段的數量分布是不同的，在熱擠壓合金 A 如圖 6a 所示中，沒有第二相位矩陣。動態再結晶晶粒尺寸比合金 B 和 C 的大，甚至在此溫度下，似乎一個小的晶粒也在生長，在合金B和 C中，再結晶晶粒尺寸很小，和 DRX 也相同。關于矩陣的詳情，可在第二階段的一些特點中發現。合金的 C 晶粒尺寸是三者中最小的合金，這表明，釹和 Y 組合過程中除了扮演一個重要作用動態再結晶過程外，另一方面，平均規模約 4微米的動態再結晶晶粒合金 C 是非常細而均勻的。這可能涉及到的事實，都打破了第二相粒子和細小析出的釘扎作用可以抑制再結晶晶粒的生長，它可以得出結論，即使在 ZK60 合金溫度下，通過動態再結晶晶粒細化是非常有效的。 3.3。擠壓合金的力學性能 圖 7顯示了三個擠壓合金在 390C下的力學性能， 數據顯示 ，能夠提高合金A， B 和 C 的抗拉強度和屈服強度，而其中的延性降低（ A合金： 0.2= 270.2 MPa時，抗拉強度 = 320.5 MPa 時， = 12 ；B合金： 0.2 = 316.2 MPa 時， b = 373.2 MPa 時， = 8 ； C 合金： 0.2 = 376.2 MPa 時， b = 389.0 MPa時， = 6）。顯然，在 0.2的強烈壓力證明下晶粒尺寸在很大程度上依賴于鎂合金 16和服從 Hall-Petch關系為 ，其中 y為屈服應力， 0作用摩擦應力與移動單個位錯， K是常數， d是晶粒尺寸。因此，這可以解釋為什么合金 B和 C的拉伸性能比 A（ ZK60 組織）合金高。此外，合金 B 和 C的極限抗拉 強度和屈服強度增加可能會涉及到第二階段的加強。 4.討論 合金 A， B 和 C 都在鑄態和擠壓態下有不同的微觀結構。隨后，它帶來不同的拉伸性能，首先，在鑄態，合金 A由 Mg 和（ Mg2Zn3）相組成，當將 Nd 加入到合金 A中，和 Nd 與 Y一起加入合金 A 中會形成合金 C，除了（ Mg2Zn3）相外，在合金 B中新相 Mg41 Nd5 出現，和 Mg41 Nd5 與 Mg3 Zn6 在合金 C 中出現 ，這是 X 射線衍射和掃描電鏡確定的。在凝固過程中，首先應該發生包晶反應，由于分布不均衡的鋅和再溶質原子被推到了沿晶界形成的液 /固界面前面，在晶粒內部只有鋯富區（ Zr-rich） 存在，這驗證了圖 1 至圖 4，我們得出這樣的結論：在鎂合金中存在 Nd 和 Y元素的晶粒細化作用。通過實驗觀察這是一個好結論17,18，其次，在擠壓 狀態下，在合金 B 中 Mg41Nd5，和在合金 C 中Mg41Nd5+Mg3Zn6Y 都破碎成小顆粒，在熱擠壓作用下，許多細小顆粒均勻分布在整個矩陣中，這些具有較高的熔點溫度穩定的第二階段可以針晶界，阻礙熱變形過程中晶粒生長，尤其是 I相。由于低界面能的 I 相 /矩陣接口，在 I 相 /界面結合較強 12，因此， I 相析出相對難以在熱變形移動。第三， 應變集中在附近的第二階段可以引進高位錯密度區和大的方向梯度（粒子變形區） 可以測試到附近的位錯密度高，這些網格是再結晶晶粒形核的理想選擇。據了解，一個粒子變形區可以擴展到一個連一個的粒 子直徑其外表面的距離，并可由幾十度轉向其外鄰接矩陣。 在這些變形帶中，二次粒子可以激發再結晶晶粒的形核 19,20，因此，再結晶成核可以通過促進在 ZK60 合金形成的第二相中增加 Nd和 Y，此外，第二相可以在再結晶過程中阻礙 20 形核增長，因此，合金 C表現了非常細小的顆粒。 這是由于分散微粒粒徑比合金 A 和 B 細得多 ，因此， 合金 B 和 C 的強度要高得多 ，這表明第二相中，除了晶粒細化作用外，對 Mg Zn Zr 合金 的強度具有強化效果，特別是當第一相表現出加強效果明顯時 10，根據著名的 Hall-Petch 關系，屈 服強度的晶粒尺寸取決于如下 16： 其中 0.2 是由于晶粒細化增加屈服壓力， K 是常數， d 是晶粒尺寸，因此，晶粒細化在再結晶過程中對合金 B 和 C 的影響比 ZK60 合金更高。 5.綜述 這篇文章是研究 Mg 6Zn 0.5Zr 2Nd ， Mg 6Zn 0.5Zr 2Nd 1.5Y和 ZK60 合金的擠壓變形及其力學性能。 neodium（釹）和釔的添加產生了一個新的 Mg41Nd5 和 Mg3Zn6Y（ I） 析出和細化鑄態晶粒，通過熱擠壓后，添加了Nd和 Nd 與 Y的合金通過動態再結晶大大細化顆粒或達到了沉淀效果的手段。這表明， Nd 和 Y 的添加組合對在動態再結晶晶粒細化的影響較大， 并導致雙方的共晶相的熔融溫度和熔融溫度或合金的屈服強度增加，也增加了 Nd 和 Y 合金在室溫下的拉伸強度。與此相反， ZK60 和添有 Nd（ 釹）的合金的伸長率比 Nd和 Y 合金 還高。 參考文獻 1 M. 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