第４期（总第１６７期） ２０１１年８月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． 。
文章编号：１６７２—６４１３（２０１ｉ）０４－００９４－０３
稀土相对ＡＺ６ １镁合金力学性能的影响
张虎，张代东，于学花，宫长伟，姚倩倩
（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原０３００２４）
摘要：研究了以Ａｚ６１镁合金为基体，添加不同含量的Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｇｄ稀土元素，生成的第二相尤其是稀土
相Ａｌｌ－Ｌａ３、Ａｌ ｃｅ、Ａｌ ｚＮｄ、Ａ１ ｚＧｄ对ＡＺ６１镁合金力学性能的影响。ＡＺ６ｌ＋２％Ｇｄ合金中的第二相大部分呈球
粒状，其有利于提高合金的综合力学性能。
关键词：ＡＺ６１镁合金；微观组织；稀土相；力学性能
中国分类号：ＴＧＩ４＆２＋２ 文献标识码：Ａ
０引言
镁合金是目前应用中最轻的金属结构材料，其密
度仅为铝合金的６３％、钢的２２％【“。镁合金具有比强
度和比刚度高、抗震减震能力强、尺寸稳定性高、电
磁屏蔽效果好、易于机加工成形和回收再利用等优
点，被广泛应用于航空航天、汽车、电子等工业领
域，被誉为“２１世纪的绿色工程材料” 。且镁在地
壳中的储量很大，我国具有丰富的菱镁矿、白云石矿
资源。由于稀土元素具有独特的核外电子排布而表现
出独特的性质，在镁合金中添加稀土元素可以起到净
化合金熔体、改善合金组织、提高合金室温及高温力
学性能、增强合金耐腐蚀性能等作用［３］。合金的力学
性能与第二相形态密切相关，在变形过程中球粒状第
二相不变形不聚集，均匀分布在晶内，使该合金的综
合力学性能优越，为后续的变形加工提供了强度和塑
性储备［４］，因此人们努力寻找获得球粒状第二相的方
法。
１材料制备
本试验以ＡＺ６１镁合金为基体，分别添加不同含
量的镧（Ｌａ）、铈（Ｃｅ）、钕（Ｎｄ）、钆（Ｇｄ）４种稀土元
素。稀土镁合金的成分（质量分数）设计见表ｌ。
镁合金重熔采用气体保护的井式坩埚炉，保护气
体选用体积分数为１％的ＳＦ６和９９％的Ｃ０２。在镁合金
熔体温度达到７８０℃时加入镁稀土中间合金进行合
金化，经变质和精炼处理后将合金熔体浇注到尺寸为
１３０ ＩＢｍ×１００ ｆｉｌｍ×２２ ｍｌｎ的钢模中。合金铸锭的固溶 处理选用４２０℃、保温６ ｈ快冷，时效处理选用
２２０℃、保温８ ｈ的人工时效（Ｔ６）。
表１稀土镁合金的成分（质量分数）设计
编号 合金名义组成 ｌ ＡＺ６ｌ ２ ＡＺ６１＋Ｏ．５％Ｌａ ３ ＡＺ６Ｉ＋Ｉ．０％Ｌａ ４ ＡＺ６１＋Ｉ．５％Ｌａ ５ ＡＺ６１＋０．５％Ｃｅ ６ ＡＺ６１＋１．ｏ９６Ｃｅ ７ ＡＺ６１＋１．５％Ｃｅ ８ ＡＺ６１＋０．５％Ｎｄ ９ ＡＺ６１＋１．Ｏ％Ｎｄ １０ ＡＺ６１＋１．５％Ｎｄ １１ ＡＺ６ｉ＋１．Ｏ％Ｇｄ ｌ２ ＡＺ６１十２．ｏ％Ｇｄ １３ ｈＺ６１＋３．Ｏ％Ｇｄ
２试验结果与分析
２．１组织分析
分析合金的铸态组织可知：ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｌａ、
ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｃｅ、ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｎｄ和ＡＺ６１＋２％Ｇｄ合金的基体
组织均匀，晶粒细化，第二相比较均匀地分布在基体
上，达到了较佳效果［ｓＪ。
合金经固溶处理后，第二相逐渐溶入基体，尤其
是熔点只有４３７℃的Ｂ－Ｍｇ Ａ１ 。相，几乎全部溶于基
体。而稀土相Ａ１１１Ｌａ３、ＡＩ４ｃｅ、ＡＩ２Ｎａ和Ａ１２Ｇｄ的熔点
极高，扩散很慢，几乎不溶于基体，所以合金经固溶
处理后组织中的第二相基本都是高熔点的稀土相。
人工时效处理使微观组织中的第二相逐渐增多粗
收稿Ｅｌ期：２０１ｌ－０３—１４；修回日期：２０１１－０５—２０
作者简介：张虎（１９８６－－
），男，山东泰安人，在读硕士研究生，主要研究方向：稀土镁合金。 ２０１１年第４期 张虎，等：稀土相对ＡＺ６１镁合金力学性能的影响 ・９５・
化。通过分析可知，合金人工时效处理时应该是铝原
子从过饱和的ａ—Ｍｇ基体中通过形成Ｍｇ ７Ａ１ 。金属间
化合物的形式析出，且随着人工时效处理的进行，析
出相Ｍｇ ７Ａ１ 的数量持续增多，形态尺寸不断增大。
适量的Ｍｇ ｖＡ１ 。相能钉扎晶界、阻碍位错运动，使合
金强度增加。
２．２稀土相形态对比
图１为添加不同稀土元素的ＡＺ６１镁合金Ｔ６热处
理后的微观组织ＳＥＭ扫描图。合金经过Ｔ６热处理后，
组织中的第二相大部分为高熔点的铝稀土相，还有析
出的少部分１３一Ｍｇ ７Ａ１ 相。从图１中可以明显看出，
ＡＺ６１＋Ｉ．０％Ｌａ合金中的第二相大部分呈针状，
ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｃｅ合金中的第二相大部分呈棒状或块状，
ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｎｄ合金中的第二相大部分呈针状，也有少 部分的块状相，ＡＺ６１＋２．Ｏ％Ｇｄ合金中的第二相大部分
呈球粒状［ｅ－－９］。
合金中的第二相呈球状，不仅应力集中小，而且
在同样的体积下球状第二相的表面积最小，对基体的
割裂作用也最小，因此这种合金能充分发挥基体的强
度［ 。且在变形加工过程中球粒状第二相不变形不聚
集，均匀分布在晶内，合金的强度、塑性、韧性均有
提高，所以球粒状第二相有利于提高合金的综合力学
性能。
第二相的分布也决定着合金的性能，硬脆的第二
相在塑性基体中均匀弥散分布可明显提高合金的强
度。因为广泛分布的第二相与位错交互作用，阻碍了
位错的运动，从而提高了合金的塑性变形抗力，使合
金强度提高ｎ ］。
（ａ）ＡＺ６１＋１．Ｏ％Ｌａ （ｂ）ＡＺ６１十１．Ｏ％Ｃｅ （ｃ）ＡＺ６１＋１．Ｏ％Ｎｄ （ｄ）ＡＺ６１＋２．０％６ｄ 图１ 添加不同稀土元素的ＡＺ６１镁合金Ｔ６热处理微观组织ＳＥＭ扫描图
固溶处理使低熔点第二相充分溶解进固溶体中， 二相的形成。球状第二相在同样的体积下表面积最
得到过饱和的固溶体，从而强化了固溶体，并能提高 小，其界面能也小，所以在合金中有利于球状第二相
合金的塑韧性［１ 。固溶处理还可以消除铸锭内的各种 的形成。
偏析，使铸锭组织成分均匀，使其性能稳定。本试验 稀土相Ａ１２Ｇｄ的形态主要呈球粒状的原因还有一
中的Ｂ－Ｍｇ ｖＡ１ 相熔点低，固溶处理时几乎全部溶于 种可能是Ｇｄ在镁基体中的溶解度大［１５］，所以Ｇｄ在镁
基体，而４种铝稀土相的熔点都很高，原子扩散很 基体中的分散度也大，与Ａｌ相遇概率大，因此Ａ１ｇ；ｄ
慢，几乎不溶于基体。人工时效处理使第二相部分析 呈细小的球粒状弥散分布于基体上。
出，尤其是部分Ｂ－Ｍｇ ７Ａｌ 。相重新析出，分布更加均 ３结论
匀，形态更加细小，比铸态下的粗大网状ｐ—Ｍｇｌ７Ａ１ｌ２ （１）ＡＺ６１＋Ｉ．０％Ｌａ、ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｃｅ、ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｎｄ
相明显强化了合金，并稍微降低了合金的塑韧性。 和ＡＺ６１＋２．Ｏ％Ｇｄ合金的基体组织均匀，晶粒细化，第
通过对比４种稀土镁合金微观组织ＳＥＭ扫描图， 二相比较均匀地分布在基体上，达到了较佳效果。
稀土相Ａ１２Ｇｄ的形态主要是球粒状，更接近于球形， （２）Ｔ６热处理能够强化ＡＺ６１镁合金。
故该稀土镁合金的力学性能比另外３种稀土镁合金的
高。试验镁合金的力学性能见表２。
表２试验镁合金的力学性能
铸态室温力学性能 Ｔ６热处理态室温力学性能 ｌ 台金系 抗拉强度 延伸率 硬度 抗拉强度 延伸率 硬度 ＾ｆＰａ ％ ｔｌＢ ＭＰａ ％ ｌｉＢ ＡＺ６１＋Ｉ．Ｏ％Ｌａ ２５５ １２．１ ６４．８ ２７１ ｌ３．８ ６６．１ ＡＺ６１＋１．Ｏ％Ｃｅ ２６０ １２．８ ６５．１ ２７７ １４．３ ６６．５ ＡＺ６１＋１．Ｏ％Ｎｄ ２５３ １１．９ ６４．５ ２７０ ｌ３．５ ６５．８ ＡＺ６１＋２．Ｏ％Ｇｄ ２６４ １４．０ ６６．４ ２８３ ｌ５．１ ６７．３
虽然第二相的形态受结晶前沿温度梯度、生长速
率等的影响，但主要受界面能影响口４３。第二相的总界
面面积小，则总的界面能就小，从而有利于此形态第 （３）球粒状的Ａ１２Ｇｄ应力集中小，对基体的割裂
作用也小，其综合力学性能高。
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Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｐｈａｓｅ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ ＡＺ６１ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ａｌｌｏｙ
ＺＨＡＮＧ Ｈｕ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｉ－ｄｏｎｇ，ＹＵ Ｘｕｅ－ｈｕａ，ＧＯＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｗｅｉ，ＹＡＯ Ｑｉａｎ－ｑｉａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ Ｌａ，Ｃｅ，Ｎｄ ａｎｄ Ｇｄ ｗｅｒｅ ａｄｄｅｄ ｉｎｔｏ ＡＺ６１ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｐｈａｓｅｓ
ＡｌＩＩＬａ３，Ａｌ４Ｃｅ，ＡＩ２Ｎｄ ａｎｄ ＡＩ２Ｇｄ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｐｈａｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｐｈａｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｄｏｔ—ｌｉｋｅ ｉｎ ａｌｌｏｙ ＡＺ６１＋２％Ｇｄ ｃｏｕｌｄ ｍａｒｋｅｄｌｙ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＡＺ６１ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ． ・
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＺ６１ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ：ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｐｈａｓｅ：ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
（上接第９３页）
验数据及组织转变结果，认为对接头的焊接热处理保 ３结论
温时间定为６ ｈ为佳。
星
毯 《 ６０
保温时间／ｈ
图５不同保温时间下接头残余应力变化曲线 在焊接ＡＲＮＣＯ ３００ＸＴ耐磨带时，焊前预热温度由
原来的１５０℃提高到３３０℃，同时保温时间由原来
的４ ｈ提高到６ ｈ后，焊接接头综合力学性能满足技
术要求并得到提高，达到了预期的焊接效果。
参考文献：
［１］ 杨三博．锅炉压力容器焊后热处理工艺研究［Ｊ］．锅炉
制造，１９９３（３）：６５—８２．
［２］ 常风华．１２ＣｒｌＭｏＶ低合金耐热钢焊接受压部件焊后热
处理制度的探讨［Ｊ］．锅炉制造，１９９０（４）：７４－７６．
Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＡＲＮＣＯ ３００ＸＴ Ｈａｒｄｂａｎｄ
Ｗｅｌｄｅｄ ｗｉｔｈ Ｓｔｅｅｌ ４ １４５Ｈ
ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ－－ｓｈｅｎｇ，ＹＵ Ｙａ－ｘｉｎ，ＨＵＡＮＧ Ｘｕ－ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙｕｎ－ｑｉ
（Ｓｈａｎｘｉ Ｆｅｎｇｌｅｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｏｕｍａ ０４３００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ
４１４５Ｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｂａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｅｌ ４１４５Ｈ ａｎｄ ｈａｒｄｂａｎｄ ＡＲＮＣＯ
３００ＸＴ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈａｒｄｂａｎｄ ｉｓ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｔｓ ｄｅｆｅｃｔ ｃｒａｃｋｓ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｐｒｅ—ｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ２００ ｔｏ ３００℃ａｎｄ ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｆｒｏｍ ４ ｈ ｔｏ ６ ｈ． ｗｈｉｌｅ ｏｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｒｅｍａｉｎ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＲＮＣＯ ３００ＸＴ ｈａｒｄｂａｎｄ；ｐｒｅ—ｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｒａｃｋｓ ∞
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