徐文良，崔 奇，李成杰＊

（中國工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621700）

鈰(Ce)是鑭系金屬中一種元素，其原子序數(shù)為58，主要存在于天然礦石如獨居石、氟碳鈰礦中，也少量存在于核反應(yīng)產(chǎn)物中，是豐度最高的稀土元素[1]。鈰具有獨特的4f 電子結(jié)構(gòu)，很大程度上決定了其豐富的相結(jié)構(gòu)特點[2]，因其獨特的相變行為，受到了研究人員的廣泛關(guān)注，綜合國內(nèi)外研究結(jié)果[4-6]，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的固態(tài)相有7 種：α 相(FCC 結(jié)構(gòu))，β 相(DHCP 結(jié) 構(gòu))，γ 相(FCC 結(jié) 構(gòu))，δ 相(BCC 結(jié) 構(gòu))，α’ 相(C-type orthorhombic or theα-U structure)，α”相(C2/m monoclinic)和ε 相(BCT 結(jié)構(gòu))。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)溫度低于110K 時，α 相是穩(wěn)定的；β 相穩(wěn)定存在的溫度區(qū)間為45～275K；而γ 相穩(wěn)定存在溫度區(qū)間為270～999K；δ 相為高溫相，其穩(wěn)定存在的溫度區(qū)間為999～1071K(熔點)。

在常壓條件下，α 相、β 相和γ 相即可穩(wěn)定存在，且通過改變溫度和壓力等條件，三者可以相互轉(zhuǎn)化，因此在這方面受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注[7-9]。

金屬鈰（Ce）和鑭（La）的原子半徑相差不大，僅為1.48%，其原子半徑分別為2.7? 和2.74?；并且其電負(fù)性也基本接近，分別為1.12 和1.10。根據(jù)Hume-Rothery 規(guī)則，在金屬Ce 中添加La 元素，形成的二元合金體系為連續(xù)固溶體，即Ce-La 合金為單一且均勻的相[10]。盡管多年來，關(guān)于鈰與鈰鑭合金的相變行為等方面的研究較多，但關(guān)于鈰與鈰鑭合金力學(xué)性能以及塑性變形行為等方面的研究卻鮮有報道[11]。

因此，本文以鑄態(tài)Ce-5wt.%La 合金為研究對象，對其進行室溫壓縮變形，旨在探明其室溫條件下的力學(xué)性能與塑性變形行為。

1 試驗材料與方法

本文以鑄態(tài)Ce-5wt.%La 合金為初始材料，將其加工成為φ8mm×12mm 的圓柱體，然后在MST-E44 電子萬能試驗機上進行壓縮變形，其中壓縮應(yīng)變速率為1.0×10-3s-1。在HV-1000AT 型自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計上對壓縮變形前后的材料進行硬度測試，其中試驗力為50gf，保荷時間（Dwells）為15s。

測試前試樣的制備步驟如下：沿著壓縮試樣的中軸線將樣品平均剖成兩部分，對所取的試樣進行鑲樣，隨后對測試面進行拋光處理，其中測試面為沿著壓縮方向的平面。為確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個試樣測試6 個不同點，然后取平均值作為試樣的硬度。

圖1 Ce-5wt.%La 合金的顯微組織及其晶粒尺寸分布

利用BXFM 型光學(xué)金相顯微鏡對壓縮變形前后試樣的顯微組織進行觀察，其中金相試樣制備過程如下：在金相砂紙上將試樣磨光，然后用絲絨拋光布進行拋光處理，使用成分為硝酸(70%)：異丙醇：水=1:5:4（體積比）的浸蝕劑對拋光后的樣品進行浸蝕，最后在顯微鏡上觀察顯微組織，并用截距法對晶粒尺寸進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)Ce-5 wt.%La 合金的顯微組織

圖1 所示為鑄態(tài)Ce-5 wt.%La 合金的金相顯微組織及其晶粒尺寸分布，從圖1(a)可以看出，鑄態(tài)合金的顯微組織為等軸晶組織，最大晶粒達173.8μm，其平均晶粒尺寸為82.8μm，對不同金相顯微組織圖片中超過600 個晶粒進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，鑄態(tài)合金的晶粒尺寸分布基本上呈正態(tài)分布，絕大多數(shù)晶粒尺寸集中分布在50μm～120μm 之間，鑄態(tài)合金的晶粒大小較為均勻。

2.2 鑄態(tài)Ce-5 wt.%La 合金的壓縮力學(xué)性能

圖2 Ce-5wt.%La 合金的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線及其加工硬化曲線

圖2 給出了鑄態(tài)Ce-5 wt.%La 合金的室溫壓縮力學(xué)曲線及其加工硬化曲線，其基本的力學(xué)性能在表1 中列出。結(jié)果表明，Ce-5wt.%La 合金表現(xiàn)出相對較低的壓縮屈服強度，僅為46.6 MPa。但是，隨著壓縮變形量的增加，表現(xiàn)出正向增長的加工硬化能力，如圖2 所示，即：

其中，θ 為加工硬化率，σ 為真應(yīng)力，ε 為真應(yīng)變。

因此，鑄態(tài)Ce-5 wt.%La 合金表現(xiàn)出極其優(yōu)異的室溫壓縮塑性，其最大真應(yīng)變達到0.475，抗壓強度達到255.5 MPa。

表1 鑄態(tài)Ce-5wt.%La 合金室溫壓縮力學(xué)性能

2.3 壓縮變形前后Ce-5 wt.%La 合金的顯微組織和硬度變化

圖3 壓縮變形前后Ce-5wt.%La 合金顯微硬度

圖4 壓縮變形后試樣不同區(qū)域的顯微組織

利用HV-1000AT 型自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計對壓縮變形前后的Ce-5wt.%La 合金進行硬度測試，如圖3 所示，結(jié)果表明，Ce-5wt.%La 合金經(jīng)過室溫壓縮變形后，其顯微硬度顯著提高，由鑄態(tài)的31.3±0.9HV 提高至39.0±1.0HV。

其中試驗力為50gf，保荷時間（Dwells）為15s。測試前試樣的制備步驟如下：沿著壓縮試樣的中軸線將樣品平均剖成兩部分，對所取的試樣進行鑲樣，隨后對測試面進行拋光處理，其中測試面為沿著壓縮方向的平面。為確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個試樣測試6 個不同點，然后取平均值作為試樣的硬度。

對壓縮變形后的Ce-5wt.%La 合金試樣沿著壓縮中軸線進行剖切，然后對試樣中心和邊緣區(qū)域分別進行顯微組織觀察，結(jié)果如圖4 所示，因壓縮變形量相對較大，在試樣的中心區(qū)域出現(xiàn)了與中軸線呈近45°的剪切裂紋和孔洞。Ce-5wt.%La 合金的晶粒不再呈現(xiàn)出等軸狀，明顯被拉長，甚至破碎。

從試樣中心區(qū)域的顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，除了被拉長的晶粒和破碎的組織外，還有少量的孿晶組織，由于Ce-5wt.%La 合金在室溫條件下，為典型的FCC 結(jié)構(gòu)金屬，室溫滑移系較多，所以，可以推測，試樣中心區(qū)域主要以位錯滑移為主，孿生變形為輔。但是從試樣邊緣區(qū)域的顯微組織中，可以觀察到大量的孿晶組織，這表明，因試樣的邊緣區(qū)域變形量大、變形劇烈，且鈰鑭合金的層錯能相對較低[12]，所以，試樣的邊緣區(qū)域因變形量大、變形劇烈，導(dǎo)致應(yīng)力集中，為緩解應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)大量孿晶變形，而形成孿晶組織。

3 結(jié)論

本文研究了鑄態(tài)Ce-5wt.%La 合金室溫壓縮變形行為，盡管Ce-5wt.%La 合金表現(xiàn)出相對較低的屈服強度，但是隨著變形量的增加，加工硬化率呈現(xiàn)出正向增長的趨勢，因此，Ce-5wt.%La 合金表現(xiàn)出良好的室溫塑性和抗壓強度。Ce-5wt.%La 合金在室溫壓縮變形過程中，主要以位錯滑移和孿生變形為主，在變形劇烈的邊緣區(qū)域，孿生變形起到重要的作用。