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Nd和Y對(duì)ZK60合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響 H.T.周，Z.D.張，C.M.劉，Q.W.王 中國 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083 中國 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200030 2005年7月26日收到，2006年3月29日在經(jīng)修訂的形式收到，2006年4月12日接受。 摘要 neodium（釹）和釔（Y）對(duì)ZK60合金微觀組織和拉伸性能的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，neodium（釹）和釔的添加產(chǎn)生了另外一個(gè)新的Mg41Nd5 和Mg3Zn6Y（I）析出和細(xì)化鑄態(tài)晶粒，通過熱擠壓后，添加了Nd和Nd與Y的合金通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶大大細(xì)化顆?；蜻_(dá)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(xì)小顆粒，然而，釹合金的晶粒尺寸相對(duì)比較大。這表明，Nd和Y的添加組合對(duì)在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒細(xì)化的影響較大，??并導(dǎo)致雙方的共晶相的熔融溫度和熔融溫度或合金的屈服強(qiáng)度增加，也增加了Nd和Y合金在室溫下的拉伸強(qiáng)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(guān)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(jié)構(gòu)，因此他們很可能適用于汽車和航空業(yè)的許多結(jié)構(gòu)件，由于高比強(qiáng)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(zhì)的作用，無法滿足一般結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，因此，鎂合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用仍然十分有限。為了克服這些挫折和拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員正在嘗試任何類型的方法，它已經(jīng)證明，通過添加晶粒細(xì)化稀土金屬（RE）和熱加工[3,4]，鎂合金的力學(xué)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(xué)性能都很高，但是，ZK60合金的力學(xué)性能最高。然而，相對(duì)鋁合金而言，它在室溫和高溫下的強(qiáng)度仍然是比較低的。從這個(gè)角度來看，許多研究人員致力于努力改善其力學(xué)性能。最近據(jù)報(bào)道，擠壓稀土鎂合金具有優(yōu)良的力學(xué)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 - RE[8]的拉伸性能。Singh 和 Tsai [9] 和Zhang 等人[10]研究了Y對(duì)ZK60合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。他們指出Y增強(qiáng)了屈服強(qiáng)度和高溫強(qiáng)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(wěn)定性，耐腐蝕性強(qiáng)，低系數(shù)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(cuò)滑移時(shí)熱變形，雖然ZK60合金的力學(xué)性能可以由Y的加入提高，預(yù)期性能是無法估計(jì)的，因此，在這項(xiàng)研究中，我們首次發(fā)表這篇文章研究neodium（釹）和釹與Y的組合對(duì)ZK60合金微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響。此外，通過拉伸性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究了熱擠壓合金。 表1 化學(xué)組成成分（wt％） 2.實(shí)驗(yàn)程序 合金的化學(xué)成分見表1。該合金爐下編寫了一個(gè)混合的SF6氣體環(huán)境（1 vol.％）和二氧化碳（BAL）的保護(hù)。當(dāng)熔化的合金達(dá)到780?C，它是沸騰為大約300秒后打呼嚕，熔融合金為15分鐘進(jìn)行，讓夾雜物沉淀在坩堝底部，接著，金屬被倒進(jìn)一個(gè)中型爐。在680?C時(shí)，將熔化的金屬倒入為?90毫米大小的錠中，該錠放入溫度為420?C18小時(shí)，之后，在390?C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(biāo)本使用輕型顯微鏡（OM，LEICA MEF4M）進(jìn)行分析，相位分析是由一個(gè)D / MAS的IIIA部X射線衍射儀（XRD）分析方法進(jìn)行，所有這些標(biāo)本是蝕刻有4％硝酸酒精溶液中。 3.結(jié)果 3.1.微觀結(jié)構(gòu)鑄合金ZK60組織圖 圖1分別顯示了顯微組織鑄態(tài)A，B和C合金。從圖1a中可以看出，A（ZK60）合金是初級(jí)(Mg)組成的矩陣和共晶（Mg2Zn3）相，作為網(wǎng)絡(luò)的相位不連續(xù)顆粒為主晶界，當(dāng)有添加釹的命名為B合金，多個(gè)第二階段析出，如圖所示1b,與此同時(shí)，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(xiàn)，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?yàn)?0，60和40毫米，因此，可以得出結(jié)論，Nd和Y對(duì)ZK60合金細(xì)化具有效果。這與Luo[13]的結(jié)果不變。 圖2顯示了掃描電鏡對(duì)B和C合金的微觀結(jié)構(gòu)圖像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(xué)??成分配方。這是符合X射線衍射如圖3，當(dāng)Nd和Y加入到ZK60合金中，更多原子簇化合物一起出現(xiàn)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(jìn)一步確認(rèn)C合金具有I相(Mg3Zn6Y, 準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)),除了Mg41Nd5之外。原子簇化合物的形成可以歸因于對(duì)Nd和Y [14]總數(shù)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顯然，在合金C中，釔的添加除了帶來對(duì)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(fā)現(xiàn)Nd和Y都在晶界和基體存在。但是，在某些領(lǐng)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(xiàn)象，一定量的第二相存在于合金帶B和C，這進(jìn)一步符合與X射線衍射結(jié)果一致。 圖5顯示了DTA分析合金B(yǎng)和C的結(jié)果，第一吸熱峰出現(xiàn)在了合金B(yǎng)溫度約463.3?C和合金C溫度為485.7?C，而第二個(gè)峰值出現(xiàn)在617.5用于合金B(yǎng)和615?C合金C，第一峰可以被認(rèn)為是共晶相的熔融溫度，第二個(gè)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(jié)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（340?C）[10,15]的共晶溫度。對(duì)本實(shí)驗(yàn)DTA結(jié)果進(jìn)一步分析表明，Nd和Y總含量的增加會(huì)同時(shí)增加鎂鋅鋯（Mg-Zn-Zr）合金的共晶溫度。 3.2。微觀結(jié)構(gòu)演化的熱擠壓合金 圖6顯示了在390?時(shí)光學(xué)微合金A，B和C被擠壓的三結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)三種合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（再結(jié)晶）。然而，晶粒尺寸和第二階段的數(shù)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸比合金B(yǎng)和C的大，甚至在此溫度下，似乎一個(gè)小的晶粒也在生長，在合金B(yǎng)和C中，再結(jié)晶晶粒尺寸很小，和DRX也相同。關(guān)于矩陣的詳情，可在第二階段的一些特點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)。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(gè)重要作用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程外，另一方面，平均規(guī)模約4微米的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒合金C是非常細(xì)而均勻的。這可能涉及到的事實(shí)，都打破了第二相粒子和細(xì)小析出的釘扎作用可以抑制再結(jié)晶晶粒的生長，它可以得出結(jié)論，即使在ZK60合金溫度下，通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒細(xì)化是非常有效的。 3.3。擠壓合金的力學(xué)性能 圖7顯示了三個(gè)擠壓合金在390?C下的力學(xué)性能，數(shù)據(jù)顯示，能夠提高合金A，B和C的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而其中的延性降低（A合金：σ0.2= 270.2 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度= 320.5 MPa時(shí)，δ= 12％;B合金：σ0.2 = 316.2 MPa時(shí)，σb = 373.2 MPa時(shí)，δ= 8％; C合金：σ0.2 = 376.2 MPa時(shí)，σb = 389.0 MPa時(shí)，δ= 6％）。顯然，在0.2％的強(qiáng)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-Pet??ch關(guān)系為，其中σy為屈服應(yīng)力，σ0作用摩擦應(yīng)力與移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)，K是常數(shù)，d是晶粒尺寸。因此，這可以解釋為什么合金B(yǎng)和C的拉伸性能比A（ZK60組織）合金高。此外，合金B(yǎng)和C的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加可能會(huì)涉及到第二階段的加強(qiáng)。 4.討論 合金A，B和C都在鑄態(tài)和擠壓態(tài)下有不同的微觀結(jié)構(gòu)。隨后，它帶來不同的拉伸性能，首先，在鑄態(tài)，合金A由Mg和（Mg2Zn3）相組成，當(dāng)將Nd加入到合金A中，和Nd與Y一起加入合金A中會(huì)形成合金C，除了（Mg2Zn3）相外，在合金B(yǎng)中新相Mg41 Nd5出現(xiàn)，和Mg41 Nd5與Mg3 Zn6在合金C中出現(xiàn) ，這是X射線衍射和掃描電鏡確定的。在凝固過程中，首先應(yīng)該發(fā)生包晶反應(yīng)，由于分布不均衡的鋅和再溶質(zhì)原子被推到了沿晶界形成的液/固界面前面，在晶粒內(nèi)部只有鋯富區(qū)（Zr-rich）存在，這驗(yàn)證了圖1至圖4，我們得出這樣的結(jié)論：在鎂合金中存在Nd和Y元素的晶粒細(xì)化作用。通過實(shí)驗(yàn)觀察這是一個(gè)好結(jié)論[17,18]，其次，在擠壓狀態(tài)下，在合金B(yǎng)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(xì)小顆粒均勻分布在整個(gè)矩陣中，這些具有較高的熔點(diǎn)溫度穩(wěn)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(jié)合較強(qiáng)[12]，因此，I相析出相對(duì)難以在熱變形移動(dòng)。第三，應(yīng)變集中在附近的第二階段可以引進(jìn)高位錯(cuò)密度區(qū)和大的方向梯度（粒子變形區(qū)）可以測(cè)試到附近的位錯(cuò)密度高，這些網(wǎng)格是再結(jié)晶晶粒形核的理想選擇。據(jù)了解，一個(gè)粒子變形區(qū)可以擴(kuò)展到一個(gè)連一個(gè)的粒子直徑其外表面的距離，并可由幾十度轉(zhuǎn)向其外鄰接矩陣。 在這些變形帶中，二次粒子可以激發(fā)再結(jié)晶晶粒的形核[19,20]，因此，再結(jié)晶成核可以通過促進(jìn)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(jié)晶過程中阻礙[20] 形核增長，因此，合金C表現(xiàn)了非常細(xì)小的顆粒。這是由于分散微粒粒徑比合金A和B細(xì)得多，因此，合金B(yǎng)和C的強(qiáng)度要高得多，這表明第二相中，除了晶粒細(xì)化作用外，對(duì)Mg–Zn–Zr合金的強(qiáng)度具有強(qiáng)化效果，特別是當(dāng)?shù)谝幌啾憩F(xiàn)出加強(qiáng)效果明顯時(shí)[10]，根據(jù)著名的Hall-Pet??ch關(guān)系，屈服強(qiáng)度的晶粒尺寸取決于如下[16]： 其中σ0.2是由于晶粒細(xì)化增加屈服壓力，K是常數(shù)，d是晶粒尺寸，因此，晶粒細(xì)化在再結(jié)晶過程中對(duì)合金B(yǎng)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(xué)性能。neodium（釹）和釔的添加產(chǎn)生了一個(gè)新的Mg41Nd5 和Mg3Zn6Y（I）析出和細(xì)化鑄態(tài)晶粒，通過熱擠壓后，添加了Nd和Nd與Y的合金通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶大大細(xì)化顆?；蜻_(dá)到了沉淀效果的手段。這表明，Nd和Y的添加組合對(duì)在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒細(xì)化的影響較大，??并導(dǎo)致雙方的共晶相的熔融溫度和熔融溫度或合金的屈服強(qiáng)度增加，也增加了Nd和Y合金在室溫下的拉伸強(qiáng)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(xiàn) [1] M. 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