1、PDF外文：http:/ 4655 字 出处： Journal of Alloys and Compounds 481 (2009) 379 384 合金及其化合物杂志 稀土元素 Gd、 Y 对镁合金的固溶处理的影响 L Gao, RS Chen, EH Han 摘要： 本研究探讨了 My-Gd-Y 三元合金和 Mg-Gd、 Mg-Y 二元合金的固溶强化作用。研究发现固溶体中的屈服强度取决于 Gd、 Y 元素的浓度，简化分析后得出在Mg-Gd-Y 三元相图中可以准确预测出三元的固溶强度。相比于 Al 与 Zn 元素，在固溶处理中 Gd、 Y 元素可以对提高强
2、度有更大的作用。此外，原子原始尺寸、模型缺陷系数以及空位效应都可以提高强度。 简介 由于镁合金是结构合金中最轻的，它应用有巨大的潜力。然而相对于铝合金，镁合金的延伸率的限制，它的强度还是相对较低。为了改善其机械性能，镁稀土合金得到了极大的关注，因为镁稀土合金无论室温还是更高的温度都有较高的强度 及其杰出的抗蠕变能力。在所有镁稀土合金中， Mg-Gd-Y 合金是最有希望的新型镁基时效强化合金的候选。通常在镁合金中加入稀土元素提高强度主要依据于两种强化机制，分别是析出硬化和固溶强化。在 Mg-Gd-Y 合金中结构、沉淀阶段的心态，沉淀顺序都相对容
3、易得到，然而其固溶强化机理到现在还没有解释清楚。前人的工作指明 Y 元素的加入明显提高了固溶强度相比于 Zn、 Al 元素。本研究意在探索 Mg Gd,、 Mg Y 二元固溶合金及 Mg Gd Y 三元固溶合金的强度，并且分别研究 Gd、 Y 元素的固溶强度作用，继而预测三元合金的强度，同时 也对条件变化对强度的影响进行探索。 实验介绍：本研究对于 Mg Gd、 Mg Y 二元合金及 Mg Gd Y 三元合金进行探索，前期准备了高纯度的 Mg(99.97%)、 Mg 25Gd (wt.%),、 Mg 25Y (wt.%) ，主要元素通过加入到 780 C 的电阻炉中在抗氧化气体的保
4、护下熔炼。熔体被浇筑到事先加热到 200 300 C 的直径 100mm 的钢磨具中，其中的化学成分通过 电感耦合等离子体发射光谱仪进行分析。对合金进行温度在 535 540 C 时间为1.5 9 h 的固溶处理，随后放入温度为 70 C 的温水中淬火 。实验根据 Mg Gd、Mg Y 二元相图及 Mg Gd Y 三元相图计算出第二相最大限度的溶解在镁合金中，从而选出最好的固溶处理条件。 拉伸测试于室温下、晶粒度 1.0 103s1 的情况下拉伸。平面拉伸，使用长度为 25mm、横截面为 3 6mm2 的试样，三个试样都进行以上测试，确保所得数据的再现性。
5、 硬度测试使用布氏硬度载重 500g，持续时间 15s，每个试样测试不少于 10次。硬度测试与拉伸测试在淬火后数小时内进行。 试样在进行机械抛光前，先用 5%的硝酸腐蚀，随后进行电镜观察。通过直线截距法，（方程式 d=1.74l）测量平均晶粒大小， l 通过电镜观察得出。对于每一种合金含有不同的 Gd 含量电镜观察时镜头内都需包含至少 300 个晶界。 研究结果：对于 Mg Y 二元合金的研究已经发表在之前的论文中，总结如下。对于 Mg Y 单相屈服强度依赖于浓度， c 代表了溶质原子的浓度， n=12 或 23。然而，实验发现 Y 元素可以极大的提高固溶强度
6、相比于 Zn 和 Al 元素，实验基于同样的原子大小和相同的磨具。为了更好的理解这个现象，本实验设计研究 Gd元素在镁合金中对固溶强度的影响。 Mg Gd 二元合金的化学成分的分子比和质量比展现于图表 1 中。这些 特殊的合金都被表示为稀释的合金，也就是，在 200 C 时低于 Gd 在 Mg 中的最大固溶度大约为 0.61 at.%。进行过饱和的固溶处理，浓度接近相图所表示的最大值4.53 at.%。 Mg 2.49 at.% Gd 合金铸态及固溶处理后的数据表示在表格 1 中。选用最佳的固溶温度及时间可以使得间隙化合物在铸态合金中充分溶解于矩阵中。这些与 Mg Gd
7、 二元合金相图相吻合，即 Gd 在温度为 535 C 时的固溶度为4.2 at.%。 Mg Gd 二元合金的平均晶粒度大小表示在表格 1 中。从表格中可以看出不同含量的合金有在晶粒度大小上有 着小小的不同。 Gd 浓度在 Mg Gd 固溶体中的变化而引起的硬度的变化展示在图表 2 中。从中可以看出硬度的增大与Gd 浓度的增大成正比。这里得出一个硬度和 Gd 浓度组成的公式： Hv0.5 (kg mm2) 37+ 14 Gd (at.%)。 （ 1）
8、;表格 2和等式（ 1）表示出一个近似线性的硬度和固溶度的关系 ( dHv/dc 14 kg mm2/at.% Gd)，这个与之前已经得出 Mg Y 合金的公式相似 (dHv/dc 13 kg mm2/at.% Y)。 表格 3a 表示每一个合金 在室温下的应力应变曲线。尽管弹性极限和极限抗拉强度随着 Gd 元素的含量的增长而增长，但是延伸率却随之降低。加工硬化出现在所以被研究过的合金中。每个合金的拉伸性能被总结为固溶 Gd 的作用在表格 3b 中。从表格 2.3 中可以发现 Mg-Gd 单相合金的强度提升是由固溶原子的增加引起的。同时也解释了固溶强度及晶界
9、强度增强的原因。因为根据 Mg-Gd 二元相图，没有出现沉淀强化。晶粒大小的作用可以根据 Hall Petch 公式计算出。 在镁基合金中有一点小小的争议，就是 Hall Petch 中的参数 k 的大小，它是一个范围： 135 MPa m1/2 到 1250 MPa m1/2，很少的研究关注公式中的 k 的与公式的关系。因此需要做一些额外的实验， Mg 0.49 at.% Gd 的合金的融化物浇筑到三个不同的磨的具中，获得不同的冷却速率，试样的晶粒大小从 63 m到 164 m 不等。通过在室温下测试不同晶粒大小的试样得到的应力应变曲线表示于表格 5 中。
10、最小晶粒度的试样得到了最大的屈服强度，随着晶粒度的增大导致屈服强度的降低。 Mg 0.49 at.% Gd 合金的屈服强度依赖于晶粒的大小，表示于表格 5b 中。在最近的研究中，通过实验得出屈服强度与 Hall Petch 公式的关系：屈服强度等于 46.5 + 188d1/2，其中 0 和 K 分别为 46.5 MPa 和 188 MPa m1/2。，以上被研究的合金都是固溶处理的 Mg 0.49 at.% Gd 合金。纯铝的 Hall-Petch 公式中的参数 k 在拉伸测试中得出 k=220 MPa m1/2，而对于 Mg 10Gd 2Y 0.5Zr (wt.%)合金在浇筑 T6及挤压
11、T5的条件下 k=135MPa m1/2、k=164MPa m1/2，因此对于 Mg 0.49 at.% Gd 合金而言通过拉伸测试可用得出较为准确的 Hall Petch 公式和其参数，得到的有实验价值的 k=188 MPa m1/2，并用于以下所有分析。 将固溶强化的作用搁置一边，从表 3b 中得到的屈服强度已经被纠正过，根据晶粒变化的公式 (2),这种方法是有 Caceres and Blake 提出的。 Mg 0.93 at.% Gd 合金的晶粒尺寸是从图表 1 中得出的，相关的晶粒尺寸及相应强度从表格 3b中得到。剩下的合金极限强度不论增加还是减少都是与 Mg
12、 0.93 at.% Gd 合金做比较，纠正过的强度划分在表格 6 中。 Fleischer 和 Labusch 共同认为金属材料中的强度与固溶原子的浓度是有关系的，他们也同时认同以下等式： 0.2 = y0+ ZFG 3/2Fc1/2 或者 0.2 = y0+ ZLG 4/3Fc2/3。 y0 是纯镁的屈服应力， G 是剪切模量， F 和 L 是结合原子尺寸及非常规的剪切模量得到的参数， c 是固溶原子的浓度。两个等式都表达着同一个简单的关系 c 的 n 次。对于现在的 Mg Gd 合金存在着这个关系，来自于纠正过的极限强度和固溶原子的浓度的二分之一以及二
13、分之三的能量，这个关系在表格 6 中。实验发现屈 服强度与固溶原子的浓度的二分之一或三分之二的能量成比例。这个发现与 Mg Al 合金的相似，同样也相似于 Mg Y 二元合金元金。对于没有固溶原子的纯金属，比如纯镁其实际的屈服强度被推测为19MP 和 27MPa 平均得到纯金属的屈服强度为 23MPa，另外的一个得到的结果 d/dcn，表示各种条件下的强度比。对于三元合金 3.2、 Mg Gd Y 三元合金的固溶强化作用 作为 Mg Gd 和 Mg Y 二元合金的固溶强化已经得到了很好的研究，现在试图寻找出三元合金的固溶强化模型。 Mg Gd Y 三元合金有三种化学成分
14、，在经过固溶处理 后得到相应的平均晶粒尺寸展示在表格 2 中。经过固溶处理后的硬度和拉伸试验结果分别表示在图 2 和 7 中。应当注意到，三元合金的硬度数据是Gd、 Y 元素在合金中的功能的总和，并且与公式（ 1）相吻合，如图 . 2。在多组分合金的情况下，一些模型已经提出确定的加强效果，由于一些合金元素的溶解。来自于物理假设和数学建模中得到的模型，这些结果有相当大的差异。主要涉及两点： 1、不同的溶质原子之间的相互作用，可以导致补充硬化或软化。 2、障碍的力量，在不同类型的溶质原子在强或弱的阻碍位错运动的结果。 对于三元合金 Gd和 Y 原子有几乎相 同的阻碍作用（类
15、似于加强利 Mg Gd 和Mg Y 二元合金的强化率）。假设如果 Gd、 Y 原子在一起没有相互作用，强化作用是由于三元合金中的多元添加合金，它可以通过 Gypen and Deruyttere 验证。他的方法被发现可以试用用预测固溶合金的屈服强度，用在对镍基合金的商业和实验的一系列验证上。 三元合金固溶处理后的强度极限如下： 0.2 = pure+ (kGd1/ncGd+ kY1/ncY)n，其中 0.2 味屈服强度， pure 是纯镁的屈服强度。如果以上方法有效，它应该可以被用来预测三元合金的固 溶强化作用，根据以前的二元合金强化
16、数据。 如图 8 为计算出的强度与实验得出的强度的对比。为了进一步验证方程 5、6 的可靠性，这些数据应该还包括先前的硬度数据和经过固溶强化后的三元合金的屈服强度。经过 (Hv 10)/0.51 纠正后的硬度才是有价值的强度数据。硬度和屈服强度之间的关系是由对二元合金 Mg-Gd 做实验后得到的。由于每个材料的加工过程不同，导致每个合金的原子尺寸不同，进而导致强度不同，它们根据等式 2 已经纠正过。对三个合金的研究细节列于表格 2 中。如图 8 和表格 2，得到了令人满意的预测结果和实验数据在误差的 范围内从最低 2.9%到最大 9.5%。这一发现与其他单晶镁的的固溶强化分析一致。
17、它们之间的现象表明我们能够成功的预测出 Mg Gd Y 三元合金的固溶强化作用。 4、讨论 学术界广泛认同，合金的固溶强化提升是由于溶质产生的应力场及位错共同产生的弹性碰撞。 Fleischer 认为由原子尺寸带来的作用 及剪切模量 结合的相互作用的参数 会对固溶强化的程度产生影响。已知 Gd 元素的原子直径是0.178nm，大于 Mg 的 0.16nm，超出 11.25%。根据公式 =2(G1 G)/(G1+G)，算出 Gd 的 G1=21.8GPa， Mg 的 G=17GPa， =0.247，与事实相符。因此根据 =(2+ 2 2)1/2， =16，算出对于 n= 2/3 的 大约为 1.78。 Y、 Gd、 Zn、 Al 的 和它们的相应的强化比率总结于图表 3。根据经典的固溶体模型，固溶强化比率
