劉鵬濤，黃慶學(xué)，馬立峰，王 濤

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030006)

鎂合金由于耐腐蝕差、塑性加工能力差等缺點(diǎn)，限制了其廣泛應(yīng)用；而稀土元素?fù)碛袃艋辖鹑垠w、改善合金組織的特性，較好地彌補(bǔ)了鎂合金的缺點(diǎn)，可以很好地改善鎂合金的力學(xué)性能和耐蝕性能。

隨著對鎂合金以及稀土元素的研究，添加各種稀土元素的鎂合金成了又一研究趨勢。起初通過添加稀土元素來提高鎂合金的強(qiáng)度，然后研究添加稀土元素后鎂合金板材在軋制前后組織織構(gòu)的變化。HANTZSCHE et al[1]研究發(fā)現(xiàn)，添加Nd、Ce等稀土元素會(huì)弱化板坯的織構(gòu)；加入鎂合金中的稀土元素量和固容能力密切影響著其對織構(gòu)的弱化程度。此外，織構(gòu)弱化還會(huì)影響特殊剪切帶(包含孿晶)的形成，這種特殊剪切帶與因劇烈非均勻變形而產(chǎn)生的剪切帶不同。因劇烈非均勻變形而產(chǎn)生的剪切帶是造成鎂合金板成形時(shí)發(fā)生斷裂的根本原因，因此，特殊剪切帶(包含孿晶)可以減少鎂合金板材成形的斷裂，增強(qiáng)板材的組織性能。韓恩厚等[2]通過軋制添加有稀土元素的Mg-Gd-Zn合金板坯，研究其軋后板坯的組織性能發(fā)現(xiàn)，添加稀土元素后合金的織構(gòu)得到了改變和弱化。在相同軋制參數(shù)條件下，稀土鎂合金和AZ31鎂合金的力學(xué)性能和沖壓性能的對比得出：合金中添加Gd稀土元素后，板坯的延伸率得到很好的提高，差不多達(dá)到50%，均勻延伸率也提高到30%以上；而加稀土元素之后IE(埃里克森值)值約為8(正常情況下，AZ系鎂合金室溫下的IE大約在2～4之間)，得到很大的提高[3-7]。

本文對添加稀土元素Sm后的鎂合金進(jìn)行軋制，后對其組織及力學(xué)性能進(jìn)行研究后得出，稀土元素的添加能較好地提高鎂合金板坯軋制后的性能，同時(shí)對邊裂問題也有較明顯的改善。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)基材為AZ31B的鎂合金鑄錠，經(jīng)過一次擠壓塑性變形得到鎂合金板料。鑄造前分別添加不同量的鑭系稀土Sm(釤元素)，分為3組：1#，AZ31B(原基材鎂合金)；2#，AZ31B-1Sm；3#，AZ31B-3Sm；4#，AZ31B-6Sm.擠壓板坯如圖1所示。

圖1 稀土鎂合金板材Fig.1 Rare-earth-Mg alloy plate

先對原材料進(jìn)行擠壓塑性成形，得到鎂合金板坯，見圖1.分別加入不同量的Sm(釤元素)，得到3組添加稀土元素的鎂合金板坯；然后，分別進(jìn)行冷軋(室溫條件下)和溫軋(350 ℃)實(shí)驗(yàn)；最后，研究分析軋制后金相組織、力學(xué)性能以及宏觀的邊部裂紋情況。實(shí)驗(yàn)分兩道次軋制，單道次壓下量為10%.溫軋時(shí)每道次軋制后，將板坯回爐(氣氛爐)350 ℃保溫15 min，然后再進(jìn)行下一道次的軋制。

2 結(jié)果及討論

2.1 軋后添加釤的鎂合金板坯邊部

對兩組板坯分別進(jìn)行冷軋和溫軋，軋后的板坯裂紋都不明顯，見圖2、圖3.經(jīng)過軋制后鎂合金板坯的邊部都較好，但是冷軋工藝下的板坯有少量裂紋，而溫軋工藝得到的板坯邊部基本沒有裂紋；說明鎂合金經(jīng)過擠壓變形后組織得到較好的改善，但是其室溫下的塑性變形能力仍較差。對比成分不同的板坯裂紋發(fā)生程度，基材裂紋相對較嚴(yán)重，而添加了稀土元素Sm的板坯裂紋較輕，說明稀土元素的添加一定程度上改善了鎂合金的邊裂問題[8]。

圖2 冷軋后板坯邊部Fig.2 Edge of RE-Mg alloy plate after cold rolling

圖3 溫軋后板坯邊部Fig.3 Edge of RE-Mg alloy plate after warm rolling

2.2 軋后鎂合金板坯組織

2.2.1 冷軋后鎂合金板坯組織

基材的晶粒較添加稀土元素的合金小，因?yàn)榛逆V合金沒有添加稀土元素，不需要經(jīng)過再次高溫溶解，見圖4、圖5.對比圖4(或圖5)中各個(gè)板坯晶粒的分布情況，添加稀土元素的合金晶粒尺寸比較均勻，而且隨著稀土元素量的增加，大部分晶粒均勻程度越明顯。因?yàn)橄⊥猎豐m(釤)的加入使鎂合金中產(chǎn)生的第二相明顯增多并且分布均勻[9]，稀土元素的加入量越大，晶粒均勻化效果越明顯。

圖4 冷軋后鎂合金板材顯微組織Fig.4 Substrate microstructure of RE-Mg alloy plates after cold rolling

圖5 溫軋后鎂合金板材顯微組織Fig.5 Substrate microstructure of RE-Mg alloy plates after warm rolling

2.2.2 溫軋后鎂合金板坯組織

比較冷軋(圖4)和溫軋(圖5)后板坯晶粒尺寸，溫軋后鎂合金晶粒沒有明顯的長大。因?yàn)橄⊥猎丶尤氲芥V合金后形成的稀土型第二相熔點(diǎn)較高，在高溫軋制過程中，當(dāng)合金的變形量較大時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，而稀土型第二相一定程度上對鎂合金晶粒起到限制“生長”的作用[10]。

2.3 添加稀土元素對鎂合金板坯性能的影響

圖6和圖7為室溫條件下拉伸實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析比較可以得到，添加稀土元素后合金屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較基材都有所增大，2#試樣的延伸率相對為最好(見圖8、圖9)。鎂合金材料中添加稀土元素Sm(釤)后，組織中產(chǎn)生稀土元素相；當(dāng)合金發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，這一特殊相會(huì)“限制”晶界的變化，使晶粒分布均勻；隨著稀土元素量的增加，稀土相析出越多，使得鎂合金晶粒分布更均勻，因此屈服強(qiáng)度更高。

圖6 冷軋后鎂合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of Mg alloy after cold rolling

圖7 溫軋后鎂合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curve of Mg alloy after warm rolling

圖8 鎂合金板(冷軋)的力學(xué)性能Fig.8 Values of magnesium alloy plates mechanical properties

鎂合金基材中加入稀土元素后，會(huì)產(chǎn)生特殊的第二相——稀土相，而稀土相過多會(huì)產(chǎn)生脆性效果，會(huì)使得合金容易被割裂，造成鎂合金較差的塑性變形能力[11-13]。鎂合金本身產(chǎn)生的Mg17Al12就是一種脆性相，另外稀土元素量越大，合金組織再結(jié)晶效果越好，也會(huì)產(chǎn)生更多的脆性相，兩者都會(huì)造成塑性變形繼而發(fā)生斷裂，因此伸長率也減小。

圖9 鎂合金板(溫軋)的力學(xué)性能Fig.9 Values of magnesium alloy plates mechanical properties

3 結(jié)論

1) 添加稀土元素能較好地改善邊裂問題。稀土元素Sm(釤)的添加使得鎂合金組織晶粒分布均勻化，隨著稀土元素量的增加，均勻化效果更加地明顯。

2) 添加稀土元素Sm(釤)可以提高鎂合金材料的屈服強(qiáng)度，但是由于析出相脆性，使得伸長率減小，造成鎂合金斷裂幾率增大。

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