钐（Sm）微合金化调控Mg-8Al-0.3Zn合金微观结构的机理及其对力学性能的协同增强作用

本研究系统揭示了钐（Sm）添加对Mg-8Al-0.3Zn（AZ80）合金α-Mg晶粒与β-Mg17Al12相的双重细化机制：0.2 wt.% Sm因诱发Al-Fe-C-O向Al-Fe-Sm-C-O相转变反而导致晶粒粗化；而1.0 wt.% Sm通过原位形成Al2Sm（α-Mg异质形核核心）和Al20Sm4（促进β-Mg17Al12异质形核）实现协同细化，使合金抗拉强度（UTS）达～220 MPa、断裂延伸率（EF）～11%，为高铝镁合金强韧化设计提供新策略。

　　

Highlight

通过添加1.0 wt.% Sm，成功实现Mg-8Al-0.3Zn（AZ80）合金中α-Mg晶粒和β-Mg₁₇Al₁₂相的同步细化，晶粒尺寸从～192 μm降至～105 μm，连续网状β-Mg₁₇Al₁₂相转变为不连续棒状/球状形态，合金获得～220 MPa极限抗拉强度（UTS）和～11%断裂延伸率（EF）的优异力学性能。

As-cast microstructures

图1a-f展示了不同Sm含量（x=0, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 wt.%）AZ80合金的铸态金相组织。未添加Sm时组织呈现粗大枝晶（图1a），Sm含量≥0.2 wt.%时逐渐转变为细小等轴晶（图1c-f）。AZ80基体合金晶粒尺寸为～192 μm（图1a），添加0.2 wt.% Sm后异常粗化至～327 μm（图1b）。Sm含量增至0.5 wt.%时晶粒尺寸回降至～200 μm（图1c），而1.0 wt.% Sm添加后出现显著细化（～105 μm）。进一步增加Sm含量至2.0 wt.%和3.0 wt.%时，晶粒尺寸略微增大至～120 μm和～135 μm（图1e,f）。

Mechanism of grain coarsening with 0.2 wt.% Sm addition

晶粒尺寸受两大因素主导：①能快速引起成分过冷的溶质元素；②具有高形核能力的异质形核基底。因此晶粒尺寸（d）可表述为：d = a + b/Q（其中斜率b与形核基底能力正相关，b值越大表明形核潜力越高）。添加0.2 wt.% Sm后，Al-Fe-C-O相转变为Al-Fe-Sm-C-O相，后者因晶格错配度增大导致形核能力减弱，同时Sm溶质产生的生长限制效应（Q值）变化不大，最终导致晶粒粗化。

Conclusion

通过分析不同Sm含量（0.2-3.0 wt.%）下AZ80合金初生相与共晶相的微观结构演变，阐明了1.0 wt.% Sm实现α-Mg与β-Mg₁₇Al₁₂相协同细化的机制。主要结论如下：

(1) Sm含量增加使α-Mg晶粒尺寸先增后减。0.2 wt.% Sm添加因Al-Fe-Sm-C-O相形核能力弱于原Al-Fe-C-O相导致晶粒粗化；

(2) 1.0 wt.% Sm添加后，原位形成的Al₂Sm相作为α-Mg高效形核核心，Al₂₀Sm₄相促进β-Mg₁₇Al₁₂异质形核，实现双相协同细化；

(3) 当Sm含量增至2.0-3.0 wt.%时，Al₂Sm相粗化导致塑性下降。