石洪吉，鄧運(yùn)來，張 凱，楊 柳，陳明安

?

Nd含量對(duì)Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金顯微組織和力學(xué)性能的影響

石洪吉1, 3，鄧運(yùn)來1, 2, 3，張 凱2, 3，楊 柳1, 3，陳明安1, 3

(1. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué)輕合金研究院，長(zhǎng)沙 410083；3. 中南大學(xué)有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410083)

通過金相觀察、X射線衍射、透射電鏡、硬度測(cè)試和拉伸性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)方法，研究添加不同含量的Nd元素對(duì)Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金的顯微組織、時(shí)效硬化行為以及峰值時(shí)效下力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著Nd含量的增加，鑄態(tài)合金中第二相Mg5(Gd/Y)和Mg24(Gd/Y)5的含量顯著增加，合金經(jīng)固溶淬火后，時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象越來越顯著，峰值時(shí)效時(shí)間縮短，峰值時(shí)效硬度明顯增加。當(dāng)Nd元素的含量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，合金的力學(xué)性能最佳，Mg-6Gd-2.5Y-1Nd-0.5Zr的抗拉強(qiáng)度為289 MPa，屈服強(qiáng)度為241 MPa。時(shí)效硬化行為和峰值時(shí)效力學(xué)性能得到改善，其主要是因?yàn)榧尤隢d元素后，在-Mg基體中形成大量的′相，且′相明顯細(xì)化，′相的形貌也發(fā)生改變。

Nd元素；鎂合金；顯微組織；力學(xué)性能

鎂合金以其密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果佳等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航天航空、汽車、計(jì)算機(jī)、電子、通訊等各個(gè)領(lǐng)域，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，但純鎂的強(qiáng)度比較低，不能作為結(jié)構(gòu)材料而廣泛使用[1?2]。最近的研究表明[3?4]，向純鎂中添加重稀土元素可提高其抗蠕變性能和力學(xué)性能，稀土添加對(duì)鎂合金的兩種主要強(qiáng)化方式是固溶強(qiáng)化和時(shí)效析出強(qiáng)化[4?5]。但是在Mg-Gd二元合金中，Gd含量少于10%，時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象不明顯[6?7]。通常只有Gd含量達(dá)到10%~20%或添加其他稀土元素才會(huì)有顯著的時(shí)效強(qiáng)化效果[7?9]。向Mg-Gd合金中添加少量Y，能顯著增加合金的時(shí)效強(qiáng)化效果，其室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度都表現(xiàn)優(yōu)秀，但是伸長(zhǎng)率相對(duì)較低，耐腐蝕性能也較差[10?11]。

李永軍等[16]開始研究向Mg-Gd-Y-Zr合金添加Nd元素，對(duì)Mg-5.0Y-7.0Gd-1.3Nd-0.5Zr合金進(jìn)行擠壓變形，當(dāng)擠壓比為20:1、擠壓筒溫度為400 ℃、擠壓速度1~2 m/min時(shí)，合金的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為335 MPa、240 MPa和16.5%。唐昌平等[17]指出，Mg-5Gd-3Y-1Nd-1Zr合金峰值時(shí)效時(shí)，室溫條件下的抗拉強(qiáng)度為322 MPa，伸長(zhǎng)率為4.0%。

最近，許多學(xué)者都開始研究添加稀土元素對(duì)鎂合金的影響[18?19]，在保證抗拉強(qiáng)度不變的情況下，添加少量的Nd元素，能極大地減少合金中Gd和Y元素的添加，具有極大地經(jīng)濟(jì)效益，但始終未確定出一個(gè)比較合適的Nd元素添加量。本文作者開創(chuàng)性地向Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金中加入Nd元素，研究了添加不同含量的Nd元素對(duì)Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金的顯微組織與力學(xué)性能的影響，為開發(fā)高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率的Mg-Gd-Y系合金奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中采用自熔煉鎂合金。將鐵坩堝在熔煉用感應(yīng)爐中預(yù)熱到700 ℃，依次加入純鎂、Mg-30%Nd、Mg-30%Gd、Mg-30%Y和Mg-30%Zr中間合金，全程用氬氣作為保護(hù)性氣體。合金的成分由X熒光分析儀(XRF)測(cè)得，其結(jié)果如表1所示。4種合金鑄錠在520 ℃條件下固溶12 h，然后進(jìn)行淬火處理，最后在225 ℃進(jìn)行時(shí)效處理。

表1 實(shí)驗(yàn)用合金的實(shí)際化學(xué)組成

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用HV?10B型硬度計(jì)測(cè)定不同時(shí)效時(shí)間樣品硬度，試驗(yàn)負(fù)荷為30 N，加載時(shí)間為15 s。采用Instron 3369材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)峰值時(shí)效樣品進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣用線切割加工而成，拉伸速率為 1 mm/min，將抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率取平均值。用XJP?6A型立式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，用于金相組織觀察的試樣采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為20~30s。用TecnaiG220型透射電鏡(TEM)進(jìn)行顯微組織分析。透射薄膜樣是先將試樣機(jī)械研磨減薄到厚度為0.08 mm，再?zèng)_壓出直徑為3 mm的圓片，用體積分?jǐn)?shù)為30%的硝酸甲醇溶液進(jìn)行雙噴減薄，雙噴溶液用液氮冷卻，溫度為?30 ℃，雙噴電壓為30 V。用Rigaku D/max 2500型X射線儀(XRD)對(duì)合金進(jìn)行相組成分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鑄態(tài)顯微組織

圖1所示為Mg-6Gd-2.5Y-Nd-0.5Zr 4種合金的鑄態(tài)金相組織照片。從圖1中可以看出：4種合金的鑄態(tài)組織晶粒均為等軸枝晶，由被非平衡共晶組織環(huán)繞的-Mg組成。隨著Nd元素含量的增加，在晶界位置的非平衡共晶組織的體積分?jǐn)?shù)不斷增加。

Mg-6Gd-2.5Y-Nd-0.5Zr 4種合金鑄態(tài)組織的XRD譜如圖2所示。從圖2可以看出：非平衡共晶組織主要是富稀土相，由Mg5Gd和Mg24Y5組成，并且隨著加入Nd元素含量的增加，Mg5Gd和Mg24Y5衍射峰不斷增高。這說明鑄態(tài)組織中Mg5Gd和Mg24Y5的含量隨著Nd元素含量的增加而不斷增加，與金相組織觀察的結(jié)果相一致。由于Gd元素和Y元素性質(zhì)相似，Mg5(Gd)中的Gd元素易被Y元素取代，Mg24Y5中的Y元素易被Gd元素取代，因此，他們也常常被寫為Mg5(Gd/Y) 和 Mg24(Gd/Y)5[20]。在XRD的衍射結(jié)果中，并未發(fā)現(xiàn)含Nd元素的第二相，這說明Nd元素主要以固溶態(tài)的形式存在于-Mg基體或者以Mg5(Gd/Y) 和 Mg24(Gd/Y)5為主的第二相中。

圖1 鑄態(tài)Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr的金相組織

2.2 時(shí)效顯微組織

圖3所示為Mg-6Gd-2.5Y-Nd-0.5Zr 4種合金峰值時(shí)效時(shí)的金相組織。從圖3可以看出：經(jīng)過熱處理之后，晶界富稀土的非平衡共晶組織基本消除，晶界偏析基本消失。與鑄態(tài)金相組織相比，經(jīng)過熱處理后，晶粒尺寸更加均勻，晶界也更加平直清晰，組織缺陷明顯減少。

峰值時(shí)效態(tài)4種合金的XRD譜如圖4所示。從圖4可以看出：Mg5(Gd/Y) 和 Mg24(Gd/Y)5的衍射峰基本消失，Mg5(Gd/Y) 和Mg24(Gd/Y)5在經(jīng)過熱處理之后已完全固溶到-Mg基體中，但出現(xiàn)了稀土氧化物的峰，并且隨著Nd元素含量的增加，稀土氧化物的量不斷增加。根據(jù)文獻(xiàn)[21?22]介紹，稀土氧化物存在于晶界和晶內(nèi)，是富含Gd元素和Y元素的方片狀的第二相，其主要在合金固溶的過程中形成。

圖2 鑄態(tài)Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr合金的XRD譜

圖3 峰值時(shí)效態(tài)Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr的金相組織

圖4 峰值時(shí)效態(tài)Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr合金的XRD譜

圖5 合金Ⅰ和Ⅲ在225 ℃峰值時(shí)效時(shí)沿á0001?Mg選取衍射斑點(diǎn)、明場(chǎng)像以及合金III峰值時(shí)效STEM及局部放大圖

2.3 時(shí)效力學(xué)性能

4種合金的時(shí)效硬化曲線如圖6所示。從圖6中可以看到：隨著Nd元素含量的增加，合金的淬火態(tài)硬度會(huì)增加，時(shí)效階段硬度的提升也會(huì)更加明顯。當(dāng)合金中Nd元素含量為0%時(shí)，其淬火態(tài)硬度僅55HV，時(shí)效30 h達(dá)到峰值71HV；隨著Nd元素含量增加到1%，合金淬火態(tài)硬度提升到64HV，時(shí)效13小時(shí)后達(dá)到峰值97.5HV；而隨著Nd元素含量進(jìn)一步增加至1.5%，其淬火態(tài)硬度增加至66HV，同時(shí)在時(shí)效13 h后硬度達(dá)到峰值105.6HV。相對(duì)于沒有添加Nd元素的合金，其淬火態(tài)硬度和時(shí)效峰值硬度分別增加10HV和34.6HV，而達(dá)到峰值時(shí)效所需時(shí)間縮短了17 h，時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象非常明顯。

表2所示為4種合金峰值時(shí)效后室溫拉伸結(jié)果。從表2中可以看出：在Nd含量在0~1%范圍內(nèi)，隨著合金中Nd元素的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不斷提升，伸長(zhǎng)率不斷下降。當(dāng)合金中Nd 元素含量為0時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為216 MPa，屈服強(qiáng)度為151 MPa，伸長(zhǎng)率為7.0%。當(dāng)Nd元素含量增加到1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，其抗拉強(qiáng)度為增長(zhǎng)到289 MPa，屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)到241 MPa，而伸長(zhǎng)率下降到4.1%。隨著Nd元素含量進(jìn)一步增加至1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率都有了一定程度的下降，分別為265 MPa、213 MPa和2.8%。很明顯，當(dāng)Nd元素含量為1%時(shí)，合金的強(qiáng)度最高，相比于Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金，其抗拉強(qiáng)度增加72 MPa，屈服強(qiáng)度增加62 MPa。

圖6 225 ℃時(shí)Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr合金的時(shí)效硬化曲線

3 分析及討論

眾所周知，稀土元素的添加對(duì)改善鎂合金的顯微組織，提高其力學(xué)性能有很大的作用。本文通過添加少量的稀土元素Nd，研究添加Nd元素對(duì)Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。

表2 4種Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr合金峰值時(shí)效態(tài)拉伸性能

影響合金力學(xué)性能的因素有很多，如細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、加工硬化。本實(shí)驗(yàn)中4種合金經(jīng)固溶淬火處理后，合金Ⅳ具有最大的硬度，對(duì)比合金Ⅰ，強(qiáng)化效果十分顯著，這是因?yàn)榧尤隢d元素后，在基體內(nèi)產(chǎn)生的晶格畸變，晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，起到固溶強(qiáng)化作用。將固溶淬火后的合金在225℃條件下進(jìn)行時(shí)效處理，隨著Nd元素的加入，Mg-6Gd-2.5Y-Nd-0.5Zr合金的時(shí)效硬化現(xiàn)象明顯增強(qiáng)，峰值時(shí)效硬度明顯增加，到達(dá)峰值時(shí)效的時(shí)間明顯縮短，并且，其峰值強(qiáng)化相數(shù)目顯著增加，尺寸明顯縮小。因此在本研究中，影響力學(xué)性能的主要因素是固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化，但由于添加Nd元素的量較少，以下固溶強(qiáng)化的效果有限。以下主要討論時(shí)效強(qiáng)化。

加入Nd元素將會(huì)增加合金中穩(wěn)態(tài)或者亞穩(wěn)態(tài)中第二相的量。在520℃進(jìn)行固溶處理后，Nd原子與鎂基體形成置換固溶體，由于Nd的原子尺寸比Gd和Y的大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Mg的，添加少量的Nd將使合金產(chǎn)生較大的晶格畸變，固溶體的畸變能增加，此外，Nd的電負(fù)性、電子濃度等各方面與基體也存在差異，這都將使得體系不穩(wěn)定性增加，系統(tǒng)能量增加。圖7所示為時(shí)效析出過程的成分吉布斯自由能曲線。由于Nd的加入，自由能由1上升到2，繪制公切線可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于成分為0的合金，其峰值時(shí)效的相組成由′+C1變?yōu)椤?C2，極限固溶度減小。此外，由于過飽和固溶體中Nd原子部分的取代了原來Gd原子和Y原子的位置，這也將使得Gd元素和Y元素的極限固溶度降低，由杠桿定律我們可以計(jì)算得出，相組成中的強(qiáng)化相′量將會(huì)增加。同理，對(duì)于穩(wěn)態(tài)第二相，其凝固過程的析出量也將增加。因此，在4種合金的鑄態(tài)金相組織以及XRD結(jié)果中，向合金中添加微量Nd元素后，合金中的第二相Mg5(Gd/Y) 和Mg24(Gd/Y)5的含量顯著增加。

其次，加入Nd元素，將會(huì)增加合金析出形核的形核率。對(duì)于圖7中0的合金，在時(shí)效析出亞穩(wěn)第二相的過程中，未添加Nd時(shí)，其自由能ΔG的變化為，添加Nd，自由能Δ′的變化為，很明顯，ΔG的變化小于Δ′的變化，即添加Nd后，過飽和固溶體析出過程中的析出動(dòng)力更大，考慮到相變過程的阻力界面能和彈性應(yīng)變能，析出新相的系統(tǒng)自由能的變化為[23]

式中：Δ指生成半徑為的球形晶胚時(shí)系統(tǒng)自由能的變化，ΔG代表形成單位體積晶胚時(shí)自由能的變化，常為負(fù)值，它的大小與溫度和成分有關(guān)，是析出形核的動(dòng)力。和ΔG分別代表形成單位體積晶胚產(chǎn)生的界面能和應(yīng)變能。對(duì)Δ求導(dǎo)可求得臨界形核尺寸k以及相對(duì)應(yīng)的臨界形核功Δk，即

式中：為波爾茨曼常數(shù)；A為擴(kuò)散激活能；Δk為形核功；為原子震動(dòng)頻率；為單位體積母相中的原子數(shù)。

圖7 Mg-6Gd-2.5Y-xNd-0.5Zr合金成分?吉布斯自由能關(guān)系圖

4 結(jié)論

1) 在Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金中添加適量的Nd元素，會(huì)增加合金中含Gd/Y穩(wěn)定第二相Mg5(Gd/Y) 和Mg24(Gd/Y)5的量，但合金中并不會(huì)有含Nd的第二相析出。

2) 添加Nd元素，將會(huì)顯著縮短Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr合金峰值時(shí)效的時(shí)間，增加峰值時(shí)效的硬度，在適量的范圍內(nèi)，增加Nd的含量，合金T6態(tài)的抗拉強(qiáng)度將會(huì)逐漸增加，伸長(zhǎng)率不斷下降。當(dāng)Nd含量為1.0%，合金的力學(xué)性能最佳，Mg-6Gd-2.5Y-1Nd-0.5Zr的抗拉強(qiáng)度為289 MPa，屈服強(qiáng)度為241 MPa，伸長(zhǎng)率為4.1%。當(dāng)Nd的含量超過1%，T6態(tài)的抗拉強(qiáng)度反而降低，伸長(zhǎng)率也將急劇 下降。

[1] 畢廣利, 李元東, 黃曉峰, 陳體軍, 馬 穎, 郝 遠(yuǎn). Zn含量對(duì)鑄態(tài)Mg-Dy合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(4): 875?882. BI Guang-li, LI Yuan-dong, HUANG Xiao-feng, CHEN Ti-jun, MA Ying, HAO Yuan. Effects of Zn addition on microstructure and mechanical properties of as-cast Mg-Dy alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(4): 875?882.

[2] 文麗華, 吉澤升, 許紅雨, 王寶芹, 寧慧燕, 翁江翔, 胡茂良. 固相再生Mg-Nd-Zn-Zr鎂合金的時(shí)效強(qiáng)化[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2016, 26(7): 1408?1413. WEN Li-hua, JI Ze-sheng, XU Hong-yu, WANG Bao-qin, NING Hui-yan, WENG Jiang-xiang, HU Mao-liang. Aging strengthening of Mg- Nd- Zn- Zr magnesium alloy prepared by solid recycling process[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(7): 1408?1413.

[3] LI Meng, ZHANG Kui, DU Zhi-wei, LI Xing-gang, MA Ming-long. Microstructure evolution and mechanical properties of Mg-7Gd-3Y-1Nd-1Zn-0.5Zr alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(7): 1835?1842.

[4] 蔚曉嘉, 劉邱祖, 韓世平. 熱處理對(duì) Mg-8Gd-2.5Nd-0.5Zr 合金組織和力學(xué)性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2017, 27(1): 82?88. WEI Xiao-jia, LIU Qiu-zu, HAN Shi-ping. Effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Mg-8Gd-2.5Nd-0.5Zr alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017, 27(1): 82?88.

[5] 吳文祥, 靳 麗, 董 杰, 章楨彥, 丁文江. Mg-Gd-Y-Zr高強(qiáng)耐熱鎂合金的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2011, 21(11): 2709?2718. WU Wen-xiang, JIN Li, DONG Jie, ZHANG Zhen-yan, DING Wen-jiang. Research progress of high strength and heat resistant Mg-Gd-Y-Zr alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(11): 2709?2718.

[6] VOSTRY P, SMOLA B, STULíKOVá I, BUCH V F, MORDIKE B L. Microstructure evolution in isochronally heat treated Mg-Gd alloys[J]. Physica Status Solidi, 1999, 175(2): 491?500.

[7] 湯伊金, 章楨彥, 靳 麗, 董 杰, 丁文江. Mg-Gd 系合金時(shí)效析出研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2014, 24(1): 8?23. TANG Yi-jin, ZHANG Zhen-yan, JIN Li, DONG Jie, DING Wen-jiang. Research progress on ageing precipitation of Mg-Gd alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(1): 8?23.

[8] NEGISHI Y, NISHIMURA T, KIRYUU M, KAMADO S, KOJIMA Y, NINOMIYA R. Age hardening characteristics and high temperature tensile properties of Mg-Gd and Mg-Dy alloys[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals, 1994, 44(1): 3?8.

[9] ROKHLIN L L, NIKITINA N I. Magnesium-gadolinium and magnesium-gadolinium-yttrium alloys[J]. Zeitschrift Für Metallkunde, 1994, 85(12): 819?823.

[10] KUBáSEK J, VOJTěCH D. Structural and corrosion characterization of biodegradable Mg-RE (RE=Gd, Y, Nd) alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(5): 1215?1225.

[11] LIANG S, GUAN D, TAN X, CHEN L, TANG Y. Effect of isothermal aging on the microstructure and properties of as-cast Mg-Gd-Y-Zr alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2011, 528(3): 1589?1595.

[12] 肖 陽, 張新明. Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金的二次時(shí)效[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2011, 21(2): 276?282. XIAO Yang, ZHANG Xin-ming. Secondary aging of Mg-9Gd-4Y-0.6Zr alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(2): 276?282.

[13] 周麗萍, 曾小勤, 李德江, 楊春明. Mg-12Gd合金的時(shí)效析出行為[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(6): 1409?1416. ZHOU Li-ping, ZENG Xiao-qin, LI De-jiang, YANG Chun-ming. Ageing precipitation behavior of Mg-12Gd alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(6): 1409?1416.

[14] LIU X B, CHEN R S, HAN E H. Effects of ageing treatment on microstructures and properties of Mg-Gd-Y-Zr alloys with and without Zn additions[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 465(1/2): 232?238.

[15] JIANG L, LIU W, WU G, DING W. Effect of chemical composition on the microstructure, tensile properties and fatigue behavior of sand-cast Mg-Gd-Y-Zr alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 612(26): 293?301.

[16] 李永軍, 張 奎, 李興剛, 馬鳴龍, 王海珍, 何蘭強(qiáng). 擠壓變形對(duì) Mg-5.0Y-7.0Gd-1.3Nd-0.5Zr 合金組織和性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(9): 1692?1697. LI Yong-jun, ZHANG Kui, LI Xing-gang, MA Ming-long, WANG Hai-zhen, HE Lan-qiang. Influence of extrusion on microstructures and mechanical properties of Mg-5.0Y- 7.0Gd-1.3Nd-0.5Zr magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 2010, 20(9): 1692?1697.

[17] 唐昌平, 劉文輝, 陳宇強(qiáng), 劉 筱, 鄧運(yùn)來. Y含量對(duì)鑄造Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金組織與性能的影響[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2016, 30(16): 86?90. TANG Chang-ping, LIU Wen-hui, CHEN Yu-qiang, LIU Xiao, DENG Yun-lai. Effect of Y content on Microstructures and mechanical properties of Mg-Gd-Y-Nd-Zr casting alloy[J]. Materials Review, 2016, 30(16): 86?90.

[18] WANG Jia-he, YANG Guang-yu, LIU Shao-jun, JIE Wan-qi. Microstructure and room temperature mechanical properties of directionally solidified Mg-2.35Gd magnesium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(5): 1294?1300.

[19] FEI Hou-jun, XU Guang-long, LIU Li-bin, BO Hong, ZENG Li-jun, CHEN Cui-ping. Phase equilibria in Mg-rich corner of Mg-Ca-RE (RE=Gd, Nd) systems at 400℃[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(4): 881?888.

[20] YU Z J, HUANG Y, QIU X, YANG Q, SUN W, TIAN Z, ZHANG D P, MENG J. Fabrication of magnesium alloy with high strength and heat-resistance by hot extrusion and ageing[J]. Materials Science and Engineering A, 2013, 578(33): 346?353.

[21] 鄭偉文, 李興剛, 張 奎, 馬鳴龍, 李永軍, 石國(guó)梁, 袁家偉. Mg-Gd-Zr合金均勻化處理過程中方塊相的顯微結(jié)構(gòu)[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(5): 1136?1141. ZHENG Wei-wen, LI Xing-gang, ZHANG Kui, MA Ming-long, LI Yong-jun, SHI Guo-liang, YUAN Jia-wei. Microstructure of cubic-shaped phase in Mg-Gd-Zr alloys during homogenization[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(5): 1136?1141.

[22] 鄧運(yùn)來, 楊 柳, 郭天才, 李文瑛, 張新明. Mg-Gd-Y-Zr合金在773和823K熱處理時(shí)的氧化行為[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 41(2): 483?488. DENG Yun-lai, YANG Liu, GUO Tian-cai, LI Wen-ying, ZHANG Xin-ming. Oxidization of Mg-Gd-Y-Zr alloy during heat treatment process at 773 and 823 K[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2010, 41(2): 483?488.

[23] PORTER D A, EASTERLING K E. Phase transformations in metals and alloys[M]. New York: Van Nostrand Reinhold Company, 1981: 185?260.

[24] 謝艷才. Mg-10Gd-3Y-0.4Zr合金時(shí)效析出相的電子顯微研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2013: 35?52. XIE Yan-cai. Electron microscopy study of precipitates in Mg-10Gd-3Y-0.4Zr alloys[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2013: 35?52.

(編輯 龍懷中)

Effects of Nd addition on microstructure and mechanical properties of Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr alloy

SHI Hong-ji1, 3, DENG Yun-lai1, 2, 3, ZHANG Kai2, 3, YANG Liu1, 3, CHEN Ming-an1, 3

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China;3. Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Center,Central South University, Changsha 410083, China)

The effects of Nd addition on microstructure, age-hardening behavior and mechanical properties of Mg-6Gd-2.5Y-0.5Zr alloy were investigated by optical microscopy (OM), X-ray diffractometry (XRD), transmission electron microscopy (TEM), hardness test and tensile tests. The results show that the amount of second phase (Mg5(Gd/Y) and Mg24(Gd/Y)5) increase significantly in the as-cast alloys, and the age hardening response after quenched is improved apparently with the addition of Nd, the hardness is enhanced and time to peak ageing is shortened. The Mg-6Gd-2.5Y-1Nd-0.5Zr alloy exhibits the maximum yield strength of 241 MPa and ultimate tensile strength of 289 MPa. The reason for the improvement of age-hardening behavior and mechanical properties is the higher number density and finer′ precipitates in the-Mg matrix, and morphologies of′ precipitates also change with Nd addition.

neodymium; magnesium alloy; microstructure; mechanical property

Projects (2016YFB0300901) supported by the National Key Research and Development Program of China; Projects (51375503) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2013A017) supported by the Guangxi BaGui Scholars, China

2016-07-15; Accepted date: 2017-02-27

DENG Yun-lai; Tel: +86-13873152095; E-mail: luckdeng@csu.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.09.04

1004-0609(2017)-09-1785-09

TG146.1

A

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2016YFB0300901)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375503)；廣西八桂學(xué)者資助項(xiàng)目(2013A017)

2016-07-15；

2017-02-27

鄧運(yùn)來，教授，博士；電話：13873152095；E-mail：luckdeng@csu.edu.cn