Nd掺入对Mg–9Al–1Zn–0.9Y合金微观组织演变与力学响应的影响

《Materials Today Communications》：Influence of Nd Incorporation on Microstructural Evolution and Mechanical Response of Mg–9Al–1Zn–0.9Y Alloy

　　

在Mg–9Al–1Zn–0.9Y合金中，Nd与Y的共同添加促进了热稳定性Al2RE金属间化合物的原位形成。分布在基体中的原位Al2RE相在拉伸变形过程中阻碍了位错运动，提供了第二相强化。含0.9 wt.% Nd的合金分别达到了109.6 MPa的屈服强度（yield strength, YS）、214.3 MPa的抗拉强度（ultimate tensile strength, UTS）和11.2%的断裂延伸率（fracture elongation）。

论文解读文章

研究背景与目的

镁（Mg）合金因其高比强度、低密度、优异的电磁屏蔽性能和良好的阻尼能力，在国防、航空航天、智能装备及轨道交通等领域被视为轻量化结构件的理想候选材料。然而，铸造Mg–Al基合金通常具有粗大的枝晶组织和明显的成分偏析，其铸态微观组织主要由α-Mg基体和沿枝晶间及晶界呈连续或半连续分布的粗大β-Mg₁₇Al₁₂相组成。这种微观结构特征削弱了合金的力学性能，限制了其更广泛的工业应用。

稀土（RE）合金化被广泛研究用于调控Mg–Al合金的凝固行为。其作用不仅限于引入附加的第二相，更重要的是，RE元素在凝固过程中会与Al竞争，形成热稳定的Al–RE金属间化合物，从而消耗部分Al溶质，影响β-Mg₁₇Al₁₂相的形成和分布，使其变得更细小和不连续。在众多RE元素中，钇（Y）在Mg–Al–Zn合金中表现出显著的改性效果，其形成的原位Al₂Y颗粒被认为是α-Mg形核的有效基底，有助于晶粒细化。研究表明，添加0.9 wt.% Y的Mg–9Al–1Zn合金室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到87 MPa、154 MPa和4.0%。

Y和钕（Nd）的复合添加为调控Mg–Al–Zn合金的凝固组织和改善力学性能提供了一种可能的途径。在该合金体系中，Y有望促进α-Mg晶粒细化并改变Mg₁₇Al₁₂的形貌，而Nd则可进一步促进Al₂RE相的形成并贡献第二相强化。然而，Nd掺入对Y改性Mg–9Al–1Zn合金凝固微观组织、原位Al₂RE相形成及室温拉伸性能的影响尚未完全阐明。因此，本研究制备了不同Nd含量的铸态Mg–9Al–1Zn–0.9Y–xNd合金，系统研究了其微观组织演变、相组成、拉伸性能和断裂行为，旨在为开发具有优异强塑性平衡的Y–Nd共改性铸造Mg–Al–Zn合金提供实验依据。

主要研究方法

研究人员采用光学显微镜（optical microscopy, OM）、场发射扫描电子显微镜（field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM）配备能谱仪（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS）、电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）进行三维取向重构、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、电子探针显微分析（electron probe microanalysis, EPMA）以及透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM）对合金的微观结构和相组成进行了表征。利用万能试验机以0.5 mm/min的位移速率进行室温拉伸测试，并通过SEM观察断口形貌以评估断裂机制。

研究结果

3.1. 微观组织表征

通过OM观察发现，所有合金均呈现含枝晶的凝固组织，随着Nd含量增加，枝晶特征逐渐减弱。当Nd含量增至0.9 wt.%时，粗大枝晶特征进一步减少，整体微观组织更加均匀。平均晶粒尺寸从0.3Nd合金的168.2 μm降至0.9Nd合金的124.7 μm，晶粒细化效率约为25.9%。三维IPF重构进一步证实了这一趋势。XRD结果显示，所有合金的主相均为α-Mg，此外还检测到β-Mg₁₇Al₁₂和Al₂RE相的衍射峰，且随Nd含量增加，Al₂RE相的特征峰变得更加明显。SEM和EDS分析表明，灰色相为β-Mg₁₇Al₁₂，白色颗粒状相富集Al、Nd和Y，被认定为Al₂RE相（RE代表Nd和Y）。EPMA和TEM分析进一步确认了Al₂RE相的元素组成及其与α-Mg基体间清晰、平滑的界面。

3.2. 拉伸性能

工程应力-应变曲线显示，随着Nd含量增加，合金的抗拉强度（UTS）和断裂延伸率显著提高。0.3Nd合金的屈服强度（YS）为93 MPa，UTS为151.5 MPa，延伸率为4.4%。当Nd含量增至0.9 wt.%时，YS、UTS和延伸率分别达到109.6 MPa、214.3 MPa和11.2%。与已报道的Mg–9Al–1Zn–0.9Y合金相比，0.9Nd合金的YS、UTS和延伸率分别提高了26.0%、39.2%和180.0%。性能提升主要归因于Al₂RE辅助的晶粒细化和第二相强化。细化的α-Mg晶粒增加了晶界密度，有助于减少应变局部化，而Al₂RE颗粒则阻碍位错运动，提高了抵抗裂纹扩展的能力。

3.3. 断口形貌

断口SEM观察表明，0.3Nd合金的断口表面相对粗糙，呈现清晰的河流花样、解理台阶和二次裂纹，表明裂纹在局部区域快速扩展，同时观察到撕裂脊，表明发生了局部塑性变形。随着Nd含量增加到0.9 wt.%，断口表面变得更加曲折和破碎，出现细小的韧窝状凹陷、撕裂脊和二次裂纹，显示出更明显的塑性撕裂特征。总体而言，这些合金的断裂行为表现为准解理开裂和局部韧性撕裂的混合断裂模式。

讨论与结论

本研究系统探讨了Nd掺入对Mg–9Al–1Zn–0.9Y–xNd合金凝固微观组织、相组成、力学响应和断裂机制的影响。研究结论如下：

(1) Nd添加细化了Mg–9Al–1Zn–0.9Y合金的铸态组织。当Nd含量从0.3 wt.%增加到0.9 wt.%时，平均晶粒尺寸从168.2 μm减小至124.7 μm，晶粒尺寸减小约25.9%。

(2) Nd的掺入促进了Al₂RE金属间化合物相的原位形成，其中RE代表Nd和Y。所得铸态合金的微观组织主要由α-Mg基体、Mg₁₇Al₁₂和Al₂RE相组成。

(3) 拉伸性能随Nd含量的增加而提高。在所研究的合金中，含0.9 wt.% Nd的合金展现出最优的力学性能组合，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到109.6 MPa、214.3 MPa和11.2%。这一改进主要与Al₂RE辅助的晶粒细化和第二相强化有关。细化的α-Mg晶粒增加了晶界密度，有助于减少应变局部化，而Al₂RE颗粒则阻碍位错运动，提高了抵抗裂纹扩展的能力。