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上海交通大学博士学位论文 m g y s m z r 系镁合金组织性能研究 摘要 1 9 | e 系列的w e 4 3 和w e 5 4 镁合金由于其优异的室温力学性能、高温抗蠕变性能和 耐腐蚀性能在航天航空和汽车工业中得到越来越广泛的应用。w e 系列合金的主要成 分为m g - y - n d - z r ，其中z r 为晶粒细化剂。而该系列合金主要通过稀土元素y 和n d 的时效析出强化提高合金性能。在镁合金中s m 具有比n d 更高的固溶强化和析出强 化效果。但是关于s m 元素在镁合金中应用的研究很少，对s m 元素在镁合金中的强 化机理还不清楚。因此，本文用s m 元素代替w e 系列镁合金中的n d 元素，设计出 m g - 4 y x s m - 0 5 z r ( x = l ，4 ，8 ) 系列镁合金，系统研究了s m 元素对该系列镁合金组织结 构、室温和高温力学性能的影响规律。并在此基础上重点研究了m g 一4 y - 4 s m 一0 5 z r 合金的热处理和挤压成形工艺，研究m g 一4 y - 4 s m - o 5 z r 合金在热处理和挤压成形过 程中的时效析出相变化和强化机制。文章最后还研究了挤压态m g - 4 y - 4 s m - o 5 z r 合 金的高温压缩和压缩蠕变变形行为，对比分析了合金不同温度和不同应变速率下的 高温压缩变形机制。 实验设计m g - 4 y i s m - o 5 z r 、m g 一4 y - 4 s m 一0 5 z r 和m g - 4 y - s s m - o 5 z r 三种合金成 分，研究了不同s m 含量对m g - y - s m - z r 系镁合金在热处理和挤压成形过程中的组织 性能的影响规律。研究结果表明铸态m g - 4 y - x s m - o 5 z r 系列镁合金的组织主要为m g 基体+ m g 。( s m ，y ) 共晶化合物。不同合金中共晶化合物的稀土元素y 、s m 含量虽然稍有 差异，但这些共晶化合物都具有与m g 。s m 相同的面心立方晶体结构( a = 2 2 4 6 n m ) 。另 外，在铸态m g 一4 y - x s m - o 5 z r 系列镁合金的晶界附近还存在一定量的富集稀土元素y 和s m 的面心立方结构( a = 0 5 5 8 1 r l m ) 方块相。经过固溶热处理，铸态m g 一4 y - i s m 一0 5 z r 和m g 一4 y - 4 s m 一0 5 z r 合金中的共晶相固溶入基体。而m g - 4 y 一8 s m - o 5 z r 合金由于s m 元素含量超过其在镁基体中的最大固溶度，固溶不完全，固溶处理后，面心立方晶 体结构的m g 。( s m ，y ) 共晶化合物转变为体心四方结构的m g 。s m 。，并有很少量y 元素置 唤s m 元素固溶其中。m g - 4 y 一8 s m - o 5 z r 合金，由于大量脆性相的存在，塑性低，强 蔓差；m g - 4 y - i s m - o 5 z r 合金塑性好，但是由于s m 元素含量低，强化效果发挥不充 分：m g - 4 y - 4 s m 一0 5 z r 合金具有最佳的综合力学性能。 上海交通大学博士学位论文 研究m g - 4 y 一4 s m 一0 5 z r 合金的固溶热处理工艺，结果表明合金在5 2 5 固溶处理 8 小时后，得到最佳的固溶效果。合金经过固溶热处理，稀土元素y 和s m 完全固溶 入基体并且均匀分布，起到一定程度的固溶强化效果，但主要作用还是得到均匀的 过饱和固溶体，为随后的时效热处理提供最佳条件。进一步研究合金在不同温度和 不同时间条件下的时效热处理工艺，结果表明m g - 4 y 一4 s m - o 5 z r 合金在2 0 0 欠时效 状态( 1 6 h ) ，析出相在晶内和晶界上弥散分布，有效强化合金，合金力学性能得到大 幅度提高，抗拉强度达到3 4 8 m p a ，屈服强度达到2 1 7 m p a ，延伸率为6 9 ，表现出优 异的力学性能。析出强化是m g - 4 y - 4 s m - o 5 z r 合金的主要强化机制。主要通过p 析 出相与镁基体之间的应力场强化合金。 通过对m g 一4 y 一4 s m - o 5 z r 合金时效析出相的进一步研究表明：合金在不同温度 下的时效析出相包括d7 相，p l 相和d 相。合金在2 0 0 时效，晶内只有p 一种相。该 相在2 0 0 温度下非常稳定。欠时效状态，p 相在晶内大量弥散均匀析出，有效强化 合金，对应合金的最佳力学性能；随时效时间的增加，p7 相逐渐合并长大呈盘状沿 2 t - o ) 惯习面析出。由于析出相的粗化和弥散度的降低合金力学性能相应有所降 低。合金在较高温度2 5 0 时效4 8 小时，晶内沿 1 0 1 0 ) 惯习面析出盘状面心立方晶 体结构( a = 0 7 4 珊) 的p l 相。合金在更高温度3 0 0 时效处理1 3 小时，大量面心立方 晶体结构( a = 2 2 2 3 n m ) 平衡相( b 相) 在晶内析出。该平衡相的惯习面与p 相相同， 形貌也与d ，相相似，是由p 1 相原位转变而来。 m g - 4 y - 4 s m 一0 5 z r 合金高温( 3 5 0 及以上) 挤压，挤压过程中发生动态再结晶， 晶粒细化，起到显著的细晶强化作用。合金挤压后直接进行时效热处理，通过析出 强化进一步提高合金强度，且析出强化效果随挤压温度的升高稍有提高。经过挤压 和时效热处理，m g _ 4 y 一4 s m 一0 5 z r 合金最高抗拉强度达到4 0 0 m p a ，屈服强度超过 3 0 0 m p a ，延伸率达到7 ，表现出比w e 系列合金更加优异的室温力学性能。析出强化 和细晶强化都是合金有效的强化手段。 文章最后还系统研究了挤压态m g 一4 y 一4 s m - 0 5 z r 合金的高温压缩和压缩蠕变变 形行为。合金在4 5 0 。c ，应变速率2 5 1 0 q s q 条件下高温压缩，应变速率敏感系数 m = o 4 ，压缩变形激活能0 = 9 2 i k j m o l ，压缩过程中合金晶粒长大但基本保持等轴， 说明晶界滑移是合金在该条件下压缩的主要变形机制。合金在2 0 0 ，1 8 0 m p a 条件 下具有较好的抗压缩蠕变性能，讦算得到压缩蠕变应力指数n = 4 1 ，蠕变激活能 0 = 1 5 6 7 k j t o o l ，结合微观组织观察表明，位错攀移是合金在该条件下压缩蠕变变形 速率控制机制。 n 上海交通大学博士学位论文 关键词：m g y s m 合金，热处理，塑性成形，析出相，高温压缩 i l l 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nt h e _ lc r o s t r u c t u r ea n dm e c h a nic a l p r o p e r tie s0 fm g - y - s - _ 一z ra l l o y s a b s t r a c t t h ew es e r i e sa l l o y s ，b a s e do nt h em g y - n d - z rs y s t e m ，i d e n t i f i e da sw e 5 4 ( 5 w t y 3 3 w t r e ，0 5 w t z r ) a n dw f _ a 3 ( 4 w t y3 3 w t r e ，0 5 w t z 七) b e c o m em o r ea n d m o r ea t t r a c t i v ef o ra e r o s p a c ea n da u t o m o t i v ei n d u s t r i e sb e c a u s eo ft h e i rh i g hr o o m t e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e x c e l l e n th i g ht e m p e r a t u r ec r e e pr e s i s t a n c ea n dg o o d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h e s ea l l o y sa r es t r e n g t h e n e de s s e n t i a l l yb yp r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g s a m a r i u mb e l o n g st ot h es a m es u b g r o u pa sn e o d y m i u m ，a n dt h em a x i m u ms o l u b i l i t yo f s a m a r i u mi ns o l i dm a g n e s i u mi sh i g h e rt h a nn e o d y m i u m t h e r e f o r ei ti sr e a s o n a b l et o a s s u m et h a tt h ep r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n ge f f e c to fm g - y - s m - z ra l l o y si sh i g h e rt h a nt h a to f w es e r i e sa l l o y sb a s e do nm g y - n d - z rs y s t e m ，w h i c hm a yr e s u l ti na h i g h e rs t r e n g t h b u t t h e r ei s l i t t l er e s e a r c ho n s t r e n g t h e n i n g e f f e c t sa n d s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so f m g y - s m z ra l l o y s i ti st h ep u r p o s eo fp r e s e n ts t u d yt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fs mo n m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm g - y - s m - z ra l l o y s t h e nt h eh e a tt r e a t m e n t s a n d p l a s t i cd e f o r m a t i o no fm g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra l l o ya r ei n v e s t i g a t e d a n dt h ep r e c i p i t a t i o n s e q u e n c ea n dt h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mi nm g - 4 y - 4 s m - 0 5 z ra l l o ya r e e m p h a s i z e d h n a l l y , t h eh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o na n dc o m p r e s s i o nc r e e pb e h a v i o ro f e x t r u d e dm g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra l l o ya r ec o n t r a s t i v e l ys t u d i e d t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t sc o n t a i n i n gs o l u t i o n ，a r t i f i c i a la g e i n ga n de x t r u s i o na r e c a r r i e do u to nm g - 4 y - x s m 一0 5 z r ( x = 1 ，4 ，8 ) a l l o y s e f f e c t so fs a m a r i u mo nm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm g - y - s m - z ra l l o y sd u r i n gt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t s a r ei n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r eo fa s - c a s ta l l o y si n v o l v e sm gs o l i ds o l u t i o n + e u t e c t i c c o m p o u n d s t h ee u t e c t i cp h a s eh a st h es a m ef e ec r y s t a ls t r u c t u r e ( a = 2 2 4 6 n m ) a n ds i m i l a r c o m p o s i t i o nt om g s s m b u ts o m ey e l e m e n t sa r ed i s s o l v e di ni t a n dt h e r ea r ea l s os o m e s m a l lr e e n r i c h e dq u a d r a t ep h a s e sw h i c hh a v et h ef c cc r y s t a ls t r u c t u r e ( a = o 5 5 81 n m ) i n i v 上海交通大学博士学位论文 t h ea s c a s t m g y - s m - z ra l l o y s t h e e u t e c t i c p h a s e s i n m g - 4 y - 1 s m - 0 5 z r a n d m g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra l l o y sa r es o l u t i o n i z e di n t ot h em g m a t r i xa f t e rs o l u t i o n i z e da t5 2 5 f o r8 h t h e r ei ss t i l ll a r g ea m o u n to ft h es e c o n dp h a s e sr e m a i n e da tg r a i nb o u n d a r i e si nt h e s o l u t i o n i z e dm g - 4 y - 8 s m - 0 5 z ra l l o yf o rt h ei n c o m p l e t ed i s s o l u t i o no ft h es a m a r i u m t h e f e ec r y s t a ls t r u c t u r em g s ( s m ，y ) e u t e c t i cp h a s ei st r a n s f o r m e dt ot h eb o d y c e n t r e d t e t r a g o n a lc r y s t a l s t r u c t u r em 9 4 1 s m 5p h a s ew i t hl i t t l eye l e m e n td i s s o l v e di ni t t h e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fm g - 4 y - 8 s m - 0 5 z ra l l o ya r el o wb e c a u s eo ft h el a r g ea m o u n t u n d i s s o l v e d f r a g i l ec o m p o u n d s ；t h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g e f f e c to f m g - 4 y - 1s m 一0 5 z ra l l o yi sn o te v i d e n tb e c a u s eo ft h el o ws mc o n t e n t ；a sar e s u l t ，t h e m g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra l l o yh a st h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ee u t e c t i cp h a s e si nm g - 4 y - 4 s m - 0 5 z ra l l o yd i s s o l v ei n t ot h em a t r i xa n dt h ea l l o y i n g e l e m e n t sya n ds mh o m o g e n o u s l yd i s t r i b u t e st h r o u g ho u tt h eg r a i n sa f t e rs o l u t i o n i z e da t 5 2 5 。cf o r8 h e l o n g a t i o n g r e a t l yi n c r e a s ef o rt h ed i s s o l u t i o no fe u t e c t i cp h a s ea n d h o m o g e n o u sd i s t r i b u t i o n o fa l l o y i n ge l e m e n t s ，a n du l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho a t s ) i n c r e a s e sal i t t l ef o rt h es o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ge f f e c to fya n ds m t h e a l l o yp e a k a g e da t 2 2 5 ch a st h eh i g h e s te l b u tt h eu t sa n d y i e l ds t r e n g t h ( y s ) a r er e l a t i v e l yl o w t h e a l l o yp e a k a g e da t1 7 5 ch a st h eh i g h e s th a r d n e s s ，b u tt h ea g e i n gt i m ei sl o n g ，a n dt h e u t s ，y sa n de la r en o tt h eh i g h e s t a n dt h eh i g h e s tu t sa n dy sa r er e a c h e dw h e nt h e a l l o yp e a k a g e da t2 0 0 。c v e r yf i n es c a l ep r e c i p i t a t e sf o r mi n s i d et h eg r a i n sa n da l o n gt h e g r a i nb o u n d a r i e sw h e nu n d e r - a g e da t2 0 0 f o r1 6 h ，r e s u l t i n go ft h eh i g h e s tu t sa n de l w i t hi n c r e a s i n gt h ea g e i n gt i m e ，t h ee lo fa l l o yg r e a t l yd e c r e a s e sf o ri n c r e a s i n ga m o u n t a n dc o a l e s c e n c eo ft h ep r e c i p i t a t e sa l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s ，a n dt h eu t sd e c r e a s e s r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m a la g e i n gp a r a m e t e r2 0 0 f o r1 6 h o u r si sc h o s e nf o r m g - 4 y - 4 s m - 0 5 z ra l l o y t h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n go ft h ea l l o y i n ge l e m e n t sy a n d s mi st h em a i ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mi nt h i sm g , - 4 y - 4 s m - 0 5 z ra l l o y t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea l l o yg r e a t l yi n c r e a s ea f t e rt h es o l u t i o n - p l u s a g e i n gh e a tt r e a t m e n t t h e u t so f3 4 8 m p a y so f 2 17 m p aa n de lo f6 9 a r ea t t a i n e da f t e rt h i s s o l u t i o n - p l u s a g e i n gh e a tt r e a t m e n t t h e p r e c i p i t a t i o ns e q u e n c ec o n t a i n i n gp ，1 3 , a n db i sd e t e r m i n e di nt h e m g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra l l o yd u r i n g a g e i n ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h ep p r e c i p i t a t e sa r e f o r m e dw i t h i ng r a i n sw h e nt h ea 1 1 0 yi sa g e da t2 0 0 cf o ru pt o3 0 0 0 h t h i si n t e r m e d i a t e p h a s ei st h e r m a l l ys t a b l ea t2 0 0 c ，a n dt h e r ei sn op h a s et r a n s f o r m a t i o no c c u r r e da tt h i s v 上海交通大学博士学位论文 t e m p e r a t u r e t h eg l o b u l a rs h a p ep p r e c i p i t a t e sa r ef o r m e di nt h eu n d e ra g e ds t a t e ，w h i c h i sc o r r e s p o n d i n gt ot h eh i g h e s ts t r e n g t ho ft h ea l l o y t h ep r e c i p i t a t e sc o a l e s c e ，a n dt h e p l a t es h a p ep p r e c i p i t a t e sa r ef o r m e dl y i n gi nt h e 211 0 ) h a b i tp l a n e s 、i mi n c r e a s i n g a g e i n gt i m e t h eb 1p r e c i p i t a t e sa r ef o r m e dw i t h i nt h eg r a i n sw h e nt h ea 1 1 0 yi sa g e da t2 5 0 f o r4 8 h t h e s ep l a t es h a p ef ；lp r e c i p i t a t e s 、) l ，i t l lf e ec r y s t a ls t r u c t u r e ( a = 0 7 4 n m ) l i ei n t h e 1 01 0 ) h a b i tp l a n e sa n di nc o n t a c t 谢t 1 1p p r e c i p i t a t e s l a r g en u m b e r so fp l a t es h a p e e q u i l i b r i u mpp h a s e sw i t hf e ec r y s t a ls t r u c t u r e ( a = 2 2 2 3 n m ) p r e c i p i t a t ea l o n gt h e 1 01 0 ) h a b i tp l a n e sw h e nt h ea l l o yi sa g e da t3 0 0 cf o r13 h t h e s ee q u i l i b r i u mpp r e c i p i t a t e sa r e t r a n s f o r m e di ns i t uf r o mt h ep lp r c c i p i t a t e s t h eg r a i n so fm g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra u o ya r ee v i d e n t l yr e f i n e df o rt h eo c c u r r e n c eo fd r x ( d y n a m i cr e - c r y s t a l l i z a t i o n ) d u r i n gh i g ht e m p e r a t u r e ( 3 5 0 。ca n da b o v e ) e x t r u s i o np r o c e s s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea 1 1 0 yg r e a t l yi n c r e a s ed u et ot h e g r a i nr e f i n i n g s t r e n g t h e n i n ge f f e c t t h ea g e i n gh e a tt r e a t m e n tc a nd i r e c t l ye a r lyo u to nt h ee x t r u d e da l l o y , a n dt h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n ge f f e c ti ne x t r u d e da l l o yi sal i t t l ei n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n ge x t r u s i o nt e m p e r a t u r e s t h eu t s o f4 0 0 m p a , y so fm o r et h a n3 0 0 m p aa n de l 0 f7 a r ea t t a i n e da f t e r 也e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t s t h eh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o na n dc o m p r e s s i o nc r e e pb e h a v i o r o fe x t r u d e d m g - 4 y - 4 s m - 0 5 z r a l l o ya l ei n v e s t i g a t e d t h es t r a i n r a t es e n s i t i v i t ymi s 0 4a n dt h e a c t i v a t i o n e n e r g yqi s9 2 1 k j m o f l w h e nt h ea l l o yc o m p r e s s e da tas t r a i nr a t eo f 2 5 x 1 0 4 s a n da tat e m p e r a t u r eo f4 5 0 c ，i n d i c a t i n gt h a tg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g ( g b s ) i s t h em a i nc o m p r e s s i o nm e c h a n i s m t h ee x t r u d e dm g - 4 y - 4 s m 一0 5 z ra l l o yh a sg o o dc r e e p r e s i s t a n c ea tt e m p e r a t u r e2 0 0 a n da ts t r e s s18 0 m p a t h ec r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yqi s 15 6 7 k j m o la n dt h es t r e s se x p o n e n tni s4 1i n d i c a t i n gt h a td i s l o c a t i o nc l i m bi st h em a i n c r e e pr a t ec o n t r o l l i n gm e c h a n i s m k e yw o r d s ：m g y - s ma l l o y s ，h e a tt r e a t m e n t s ，p l a s t i c d e f o r m a t i o n ， p r e c i p i t a t e s ，h i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o n v i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：歹 吠 日期：硼年罗月珀 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：歹耄孙一指导教师签名 日期：伽眸多月影日日期：渺侮罗月朋 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 金属镁及其合金是目前工业上应用的最轻的金属结构材料。它具有高的比强度 和比刚度、优良的阻尼减震性能、高的尺寸稳定性、高的热导率、优良的电磁屏蔽 性能、优良的机械加工性能和极低的密度( 1 7 4 9 c m 3 ) 等优点，因此，正得到日益广泛 的应用f 1 2 】。常规镁合金比铝合金轻3 0 5 0 ，比钢铁轻7 0 以上，它们被广泛的应用 于航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。采用镁合金用来制作汽车和飞 机零件时，可大大减轻重量，降低燃油消耗；采用镁合金制造手机、笔记本电脑和 一些家用电器的外壳时，能显著增强产品的散热能力和抗震能力，并能有效地减轻 对人体和周围环境的电磁辐射【2 】。镁合金是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类 金属结构材料，并被称之为2 l 世纪的绿色工程材料。随着很多金属矿产资源的日益 枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视，特别是结构轻量化技术及环保问题的需求 更加刺激了镁工业的发展。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点【3 】。 必须指出的是，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限， 有许多限制镁合金广泛应用的问题，例如【3 7 】： 1 、镁合金的合金系列相对很少，不能适应不同应用场合的要求； 2 、镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高； 3 、现有工业镁合金高温强度、抗蠕变性能较低，限制了镁合金在高温场合的应 用； 4 、变形镁合金的研究开发严重滞后； 5 、镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术更有待进一步发 展。 这些问题都严重阻碍了镁合金的迅速发展和广泛应用。 稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金、材料领域中有其独特的作用。 它可以净化合金熔液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能、增强合金耐 蚀性能等。因此，稀土作为主合金元素或微合金化元素，被广泛应用在钢铁及有色 金属合金中。近年来，在镁合金领域，稀土优异的净化、强化性能不断被人们认识 第1 页 第一章绪论 和掌握，开发出一系列含稀土的镁合金。稀土在镁合金中具有去氧除氢、提高铸造 性能、提高合金强度特别是高温强度和抗蠕变性能等作用【1 ，4 7 】。稀土元素是镁合金 中最有效的强化元素，对解决上述镁合金中存在的问题提供了可行的方法，稀土元 素在镁合金中展现出广泛的应用前景。开发新型的高强耐热m g r e 合金，研究稀土 元素在镁合金中的强化机理及m g r e 合金的塑性成形行为将为高性能变形镁合金的 研究和发展奠定基础，对提高现有镁合金的性能、开发新的变形镁合金、扩大镁合 金的应用具有重要的指导作用和实际价值。 1 2 稀土在镁合金中的应用 1 2 1 稀土元素的分类 稀土是我国的资源优势，全世界稀土矿物储量的一半以上分布于我国，而且矿 物品种齐全、品位优良，尤其是用于高技术新材料的重稀土元素含量高于国外同类 矿物的1 5 倍。 稀土元素( r a r ee a r t he l e m e n t ) 是元素周期表第三副族中原子序数2 1 的钪( s c ) 、3 9 的钇( y ) 和5 7 的镧) 至7 1 的镥m ) 等1 7 个元素的总称。根据1 9 6 8 年国际纯粹与 应用化学联合会( i u p a c ) 统一规定，原子序数5 7 71 的1 5 个元素：镧( l a ) 、铈( c e ) 、 镨( p r ) 、钕( n d ) 、钷( p m ) 、钐( s m ) 、铕( e u ) 、钆( g 由、铽( t b ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、铒( e r ) 、 铥( t i n ) 、镱( y b ) 、镥m ) 又称为镧系元素( 可用符号 l n ”表示) ，它们同位于周期表的 第六周期的5 7 号位置上。稀土元素简称稀土，常用符号“r e 表示。另外，钷是一种 放射性元素，在自然界存在极少，常见的稀土矿物中一般不含有钷。所以，通常的 稀土研究、生产和应用中也不包含钷。 除钪以外的稀土元素可按其物理化学性质的微小差别和稀土矿物的形成特点以 及分离工艺的要求，把它们分成轻稀土和重稀土两组：钆以前的镧、铈、镨、钕、 钷、钐和铕7 个元素为轻稀土元素或铈组稀土元素；钆和钆以后的铽、镝、钬、铒、 铥、镱、镥和钇等9 个元素为重稀土元素或钇组稀土元素。因为钇的原子半径在重 稀土元素范围内，化学性质又与重稀土元素更相似，且在自然界中常与重稀土共生 共存，所以把钇归为重稀土组【8 】。 1 2 2 稀土在镁合金中应用研究现状 钪是提高镁合金高温性能非常有效的元素。镁合金的钪合金化可以提高m g s c 第2 页 上海交通大学博士学位论文 固溶体的熔化温度【9 】，且钪高的熔点( 1 5 4 1 ) 预示着钪元素在镁合金中低的扩散速 率，可以有效阻碍合金的过时效进程【9 】，这些都有利于合金高温性能的提高。钪与 其他稀土元素比较，低的密度( 3 9 e m 。3 ) 也有利于低密度m g r e 合金的开发。 德国的m o r d i k e 课题组对m g s c 系镁稀土合金进行了相对系统的研究： m g s c m n 系镁稀土合金在t 5 状态下的最小蠕变速率比w f _ _ a 3 合金低两个数量级， 使用温度可以提高5 0 以上【9 】；用钆部分取代钪开发的m g - g d s c - m n 四元镁合金 系也展现出相当的抗蠕变性能，且大幅度降低了s c 元素的用量 1 0 】。 基于m g s c 系的镁合金展现出优异的性能，尤其是高温抗蠕变性能。但是钪及 其化合物昂贵的价格限制了它的广泛应用 8 】。 铈组稀土元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕7 个元素。表1 - 1 列出了铈组稀 土元素在镁中的最大固溶度以及与镁基固溶体共存的化合物相。 表1 - 1 铈组稀土元素在镁中的最大固溶度和与镁基固溶体共存的化舍物相【3 】 t a b l e1 - 1m a x i m u ms o l u b i l i t ya n db i n a r yc o m p o u n d so f c e s u b g r o u pr em e t a l si nm g m a t r i x p m 由于放射性而限制了其应用；e u 因为基本不能固溶于镁基体，稀土元素的 固溶强化及析出强化优势不能得到发挥而限制了其在镁合金中的应用。其它五种铈 组稀土元素均是镁合金中的有效强化元素。由表1 - 1 可见，这五种稀土元素在镁中的 溶解度不同，且按照镧、铈、镨、钕、钐的顺序依次增力n 1 1 】。早在1 9 3 7 年，h a u g h t o n 和p r y t h e r c h 就报道了一种新型耐高温m g c e 合金 1 2 ，随后又发现含稀土耐热镁合 金的耐热性能按l a 、c e 、p r 、n d 的序列提高【5 】。随着铈组稀土元素在镁中固溶度 的提高，它们对镁合金常温、高温力学性能的良好影响也随之增加 1 1 】。在铈组稀土 金属中，n d 元素对提高镁合金性能的作用最佳，n d 使得镁合金在高温和常温下同 时获得强化；c e 和含c e 的混合稀土虽然对改善镁合金耐热性效果较好，但常温强 化作用差；l a 对镁合金的强化效果则在两方面均不如c e 3 】。 第3 页 第一章绪论 然而，s m 作为铈组稀土元素中在镁基体固溶度最大的元素，关于其在镁合金中 强化作用的研究却非常少。 钐原子序数为6 2 ，原子半径0 18 0 2 n m ，+ 3 价离子半径0 0 9 6 4 n m ，核外层电子 排布为4 f - 6 ，5 s 2 ，5 p - 6 ，5 d 一0 ，6 s 一2 。与其它稀土元素一样，钐易成+ 3 价。但根据 h u n d 规则，在原子或离子的电子结构中，当同一层处于全空、全满或半满的状态时 比较稳定。钐的4 f 层比稳定组态少1 个电子，因此也可以还原成+ 2 价。钐的晶体结 构为菱形结构，不仅在稀土金属中，就是在元素周期表中也没有第二种元素与之相 同。其c 轴长度比一般六方结构的轴长度大3 5 倍，原子堆积次序为 a b a b c b c a b a b c b c 。钐的晶格常数为a = o 3 6 2 9 n m ，c = 2 6 2 0 7 n m 。钐具有典型的 金属性质，具有银灰色金属光泽，密度7 5 2 0 9 c m 3 ，熔点1 0 7 2 ，沸点1 8 9 9 ，相 对原子质量1 5 0 3 5 ，在9 2 4 。c 发生由菱形到体心立方的晶型转变【8 】。 p * 警 童 篷 笈 嚣 伯7 0 0 9 投 02 0 4 g 哟 1 0 0 a t ，s ms m 图1 - 1m g - s m 二元相图 f i g 1 - 1m g s mp h a s ed i a g r a m m g s m 二元相图如图1 1 1 2 。相图中共有五种二元化合物，分别是m g g l s m 5 ， m g s s m ，m g a s m ，m 9 2 s m ，m g s m 1 2 。也有报道在m g s m 二元系中存在一种m 9 1 3 s m 2 的二元化合物 1 2 1