邵 俊

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318020）

最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料之一鎂合金，具有高比強(qiáng)度、比剛度，尺寸穩(wěn)定性好，能夠承受較大程度的沖擊，減震性能良好；易于回收等特點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)工程材料”[1]。在機(jī)械化工，航空航天，汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。但是，由于鎂合金在耐腐蝕性和加工成形性能方面較為不理想，而且鎂合金的彈性模數(shù)低、抗蠕變性能差，凝固時(shí)收縮率高和在高溫下強(qiáng)度不夠等缺點(diǎn)都會(huì)限制鎂合金的使用范圍。曾經(jīng)，國(guó)際鎂合金協(xié)會(huì)指出：當(dāng)下，研究開(kāi)發(fā)具有高性能的新型變形鎂合金，進(jìn)而生產(chǎn)出質(zhì)量高、能達(dá)到使用工藝要求的新型變形鎂合金是最重要、最具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)和計(jì)劃。研究表明，稀土的結(jié)構(gòu)形式與Mg的結(jié)構(gòu)形式都是密排六方結(jié)構(gòu)，晶格類型相似。稀土作為微量元素、通過(guò)固溶于α-Mg中，引起晶格畸變等一系列的強(qiáng)化方式來(lái)改善鎂合金的微觀組織，細(xì)化晶粒以及提高鎂合金的強(qiáng)度、硬度使鎂合金的應(yīng)用擴(kuò)大化。由以上可知，稀土對(duì)于鎂合金是一種優(yōu)良的增強(qiáng)元素。正是基于稀土Y在鎂合金中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及開(kāi)發(fā)前景，國(guó)內(nèi)外圍繞稀土Y對(duì)現(xiàn)有鎂合金顯微組織以及力學(xué)性能的影響開(kāi)展了大量的研究，并取得了一些積極的成果[2,3]。

1 稀土Y對(duì)現(xiàn)有鎂合金組織性能的影響

研究者們圍繞著稀土Y對(duì)AZ91，AM60，ZK60，AZ8O-2Sn,Mg-Al系鎂合金等一系列常見(jiàn)鎂合金顯微組織和力學(xué)性能都開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，并取得了顯著的效果。

謝飛等[4]發(fā)現(xiàn)在鑄造Mg-Al-Ca-Ti合金中加入低含量的稀土Y后對(duì)其進(jìn)行固溶和時(shí)效處理.結(jié)果表明：隨著稀土元素由0%-0.5%-1%的含量增加下，鑄態(tài)顯微組織可以觀察到分布于晶界的顆粒相，且分布均勻，加入微量稀土Y后生成了新的Mg2Ca與YAl3相，合金硬度顯著提高。經(jīng)過(guò)430℃固溶處理后顆粒相減少，但是，在250℃×50h時(shí)效處理后顆粒相重新析出，但效果不顯著。說(shuō)明了稀土Y對(duì)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定β相等析出相的作用。

宋波等[5]研究了以Mg-Y中間合金的形式加入稀土Y在固溶處理后對(duì)AM60鑄造鎂合金的顯微組織影響和力學(xué)性能測(cè)試的影響。形成的稀土相的A12Y在固溶處理時(shí)保持著較高的熱穩(wěn)定性，且在合金中分布均勻，有利于提高合金的伸長(zhǎng)率等性能，但是其屈服強(qiáng)度有一定的下降。對(duì)其斷裂形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)稀土的加入明顯提高了材料的塑性。

劉敏麗等[6]研究了稀土Y在對(duì)AZ91鎂合金鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察組織結(jié)構(gòu)，以及采用XRD進(jìn)行物相分析。結(jié)果分析表明，稀土Y的加入細(xì)化了鎂合金的內(nèi)部組織，在晶界上產(chǎn)生了針狀的Al4MgY相，隨著Y的含量增加到0.89%時(shí)，組織均勻細(xì)小，結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定；材料表面膜的組成成分、穩(wěn)定性和均勻性決定了材料的耐蝕性。稀土的加入降低了鎂合金的平均腐蝕速率；又因在腐蝕進(jìn)行時(shí)，稀土元素Y的加入，導(dǎo)致Mg17Al12相顯著提高，加強(qiáng)了組織均勻的特性，從而可以提高AZ91的耐蝕性。同時(shí)，彭建[7]等調(diào)查了稀土Y對(duì)低鋅的鎂鋅鋯系合金鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)的影響以及力學(xué)性能的變化機(jī)制，了解稀土Y對(duì)低鋅鋯系合金綜合性能最優(yōu)化具體成分含量。還調(diào)查了均勻化退火Mg-2.0Zn-0.3Zr合金組織結(jié)構(gòu)、熱變形抗力以及件的性能對(duì)比。

分析結(jié)果得到：隨著稀土Y含量從0%增加到3.7%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度達(dá)到了最大值，隨著稀土Y從0%增加到1.9%時(shí)，合金的延伸率有所下降，當(dāng)Y含量達(dá)到3.7%時(shí)延伸率有所升高。當(dāng)Y含量達(dá)到超過(guò)3.7%達(dá)到5.8%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)降低，延伸率下降。因此，當(dāng)Y含量為3.7%時(shí)，合金的強(qiáng)度和塑性均具有良好塑性和強(qiáng)度。對(duì)比不同稀土含量的熱擠壓后合金的斷層掃描分析得出：當(dāng)稀土含量存在3.7%時(shí)，合金組織中的Mg3Y2Zn3和Mg12YZn相，在熱擠壓過(guò)程中提供了比無(wú)稀土含量合金更多的可形核位置，提高了合金的形核率。

同時(shí)，在高溫下，第二相顆粒會(huì)對(duì)再結(jié)晶后的新晶粒晶界起到阻礙作用，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，導(dǎo)致了含Y為3.7%時(shí)的Mg-2.0Zn-0.3Zr合金組織細(xì)化且均勻，同時(shí)提高了合金的強(qiáng)度和塑性。

2 稀土Y對(duì)擠壓態(tài)及變形鎂合金的影響

薛寒松[8]等研究了稀土Y對(duì)擠壓態(tài)AZ80-2Sn鎂合金組織和性能的影響，并分析其原因。鑄態(tài)AZ80-2Sn鎂合金在添加了Y元素后，通過(guò)XRD和EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)稀土與合金產(chǎn)生了新的Al2Y相。擠壓態(tài)合金隨著稀土含量的增加，晶粒細(xì)小均勻，在稀土加入量為0.5%時(shí)，晶粒尺寸最小為20μm左右。原因?yàn)椋旱谝唬⊥罽由對(duì)合金起到成分過(guò)冷的作用，細(xì)化鑄態(tài)組織。第二，Al2Y相熱穩(wěn)定性好，經(jīng)過(guò)擠壓后該相會(huì)引起部分破碎。再結(jié)晶時(shí)，Al2Y相減緩了晶界或亞晶界的遷移速度；再者，Al2Y相周圍組織在擠壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，引起了位錯(cuò)密度和相對(duì)大的晶界取向差。而且，畸變區(qū)域會(huì)成為再結(jié)晶的核心，增大了形核率。在稀土加入量為0.5%時(shí)，AZ80-2Sn合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都達(dá)到最大值，分別為368.1 MPa和12.9%，同時(shí)合金的屈服強(qiáng)度也提高到241.3 MPa。與未添加稀土的合金相比，稀土合金組織細(xì)小均勻而且Al2Y相阻礙了合金的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，綜合力學(xué)性能提升明顯。

陶國(guó)林[9]等對(duì)ZK60變形鎂合金擠壓態(tài)和熱處理的試樣進(jìn)行了微觀組織分析與力學(xué)性能測(cè)試，研究影響因數(shù)與機(jī)理。在合金由液相凝固成固相的過(guò)程中，稀土Y的加入，使組織中的凝結(jié)核數(shù)量增多，促使合金組織細(xì)化，晶粒變小。同時(shí)，在變形鎂合金ZK60中稀土Y添加量達(dá)到0.94%時(shí)，變形鎂合金ZK60的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)極大值338.5 MPa。其原因在于：稀土元素Y對(duì)ZK60變形鎂合金起到了變質(zhì)的作用，在擠壓工藝后，合金組織結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生彌散的細(xì)小Y-Zn和Mg-Y相，可以有效地阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使合金強(qiáng)度提高。

3 結(jié)語(yǔ)

稀土Y元素加入鎂合金后，對(duì)于提高鎂合金的使用范圍有極大的積極研究意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于Y對(duì)鎂合金的影響因數(shù)分析都做了大量的探討與實(shí)驗(yàn)，但是，總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的Y-鎂合金的稀土加入量及作用機(jī)理不具有普適性。為獲得鎂合金在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，含Y鎂合金的研究發(fā)展還需進(jìn)行深入的研究，從而推動(dòng)其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。