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镁合金以其资源、性能与环境等方面的优势,被誉为“21世纪的绿色工程材料”,在汽车等领域具有十分广泛的应用前景。开发适合汽车动力系统用成本低廉、性能优良的耐热镁合金已成为急需解决的重要课题。Mg-Al-稀土/碱土系耐热镁合金是一类非常有发展前途的低成本抗蠕变镁合金。本文紧紧围绕推动我国优势资源镁、稀土和碱土的深层次高附加值应用,针对现有Mg-Al-Nd/Sr镁合金体系研究没有形成较为完整的系统,析出相的种类及其强化和抗蠕变机制都不完全明确的情况,将系统研究稀土Nd和碱土Sr单一及复合添加对Mg-6Al合金组织结构和力学性能的影响,阐明这两种元素单一或复合添加在Mg-6Al合金中的存在形式、合金组织形成机制以及强化和抗蠕变机理,揭示各析出相在合金拉伸和蠕变过程中的作用。研究的目的在于设计一种稀土Nd和碱土Sr复合强化的新型耐热镁合金,为汽车动力系统用低成本耐热镁合金的开发提供必要的理论指导和实践依据。研究结果表明：
Nd/Sr单一添加到Mg-6Al合金中,由于与Al之间存在强烈的化合物形成能力以及合金实际凝固过程中溶质元素的偏析,形成了Al2Nd和Al11Nd3、Al4Sr相。Nd和Sr复合添加到Mg-6Al合金中,除了析出这三相外,还析出了部分Nd取代Sr形成的复合相Al4(Sr,Nd)和部分Sr取代Nd形成的复合相Al11(Nd,Sr)3。Al11Nd3、Al4Sr及其复合相析出于固液界面前沿,有效限制了合金基体晶粒的生长,发挥了细化枝晶和晶粒的作用。由于Al11Nd3相析出温度高于Al4Sr相,而与α-Mg析出温度非常接近,其细化效果相对更佳。当两种元素复合添加时,Al11Nd3相不仅发挥了细化作用,还提高了包括Al4Sr相在内的所有析出相的分布密度；而单一添加Sr元素时,即使含量很高,也不能实现这一效果。
Nd添加到Mg-6Al合金中,其室温、高温拉伸性能均得到不同程度的提高。室温和175℃下Mg-6Al-xNd(x=0,2,4,6)合金的屈服强度和抗拉强度均随Nd含量的增加而增加,在Nd含量6wt.％和4wt.％时分别达到最大值。Nd对合金的强化主要通过析出Al11Nd3相引起的细晶强化和它本身的第二相强化来实现。合金变形过程应力应变的宏观模型分析和变形过程中析出相作用机理的微观分析认为,Al11Nd3相一定的塑性变形能力有利于同时提高合金的屈服强度和抗拉强度。Al11Nd3第二相强化的微观机制主要包括弥散强化、载荷传递以及与基体之间的热错配和形状错配引起的位错密度升高等。Nd可有效改善基体合金的蠕变性能,当Nd添加量为6wt.％时,合金100h总蠕变量和稳态蠕变速率分别下降到基体合金的1/3和1/10左右。合金的蠕变机制为位错运动控制,Al11Nd3相在蠕变过程中有效抑制了晶界滑动,并通过传递载荷、阻滞位错运动等方式提高了蠕变应力指数和蠕变激活能。适量Sr添加到Mg-6Al合金中,也可提高合金的室温、高温拉伸性能和蠕变性能。合金的强化和抗蠕变机理与Mg-Al-Nd合金类似,Al4Sr相主要通过弥散强化、传递载荷以及阻滞位错运动等方式发挥强化作用,但由于该相与Al11Nd3相本身的性能、尺寸、形态和分布存在差异,其强化效果有所不同。Al4Sr相比Al11Nd3,提高合金的室温或高温屈服强度和蠕变性能更为显著,但含量过多将引起合金室温抗拉强度和延伸率较大幅度下降。
Sr和Nd复合添加到Mg-6Al合金中,综合利用了这两种元素各自的强化优势。Al11Nd3高的析出温度,既细化了合金晶粒,又提高了所有析出相的分布密度,进一步挖掘了Al4Sr的强化潜力。在Mg-6Al-2Sr合金基础上添加适量Nd,既消耗了过饱和的Al,抑制了蠕变过程中软化相Mg17Al12的析出,又避免了继续添加Sr而造成合金室温抗拉强度的大幅度下降；并通过析出Sr和Nd相互取代的Al4(Sr,Nd)和Al11(Nd,Sr)3复合相,提高了Al11Nd3的热稳定性,进一步提高了合金的蠕变性能。
为了揭示各析出相在蠕变过程中的热稳定性与其结构的关系,采用固体经验电子理论研究了Nd和Sr单一及复合添加Mg-6Al合金中的各析出相的价电子结构,认为价电子分布的不均衡性是Al11Nd3相热稳定性较差的主要原因。Al2Nd3相价电子分布集中在由晶胞中四面体顶点位置Nd原子和相邻三个面中心Nd原子形成的共价键上,整个晶胞形成向内收缩的结构,导致其高的热稳定性和难变形性。Al4(Sr,Nd)复合相的价电子结构与Al4Sr相近,具有较好的热稳定性；部分sr溶入Al11Nd3形成Al11(Nd,Sr)3复合相提高了价电子分布的均衡性,是导致Nd和Sr复合添加提高合金蠕变性能的重要原因之一。
通过上述Nd/Sr单一及复合添加在Mg-6Al合金中的存在形式以及对应合金的强化和抗蠕变机理研究,可以发现,复合添加Nd和Sr含量分别为2wt.％时,Mg-6Al合金具有比较优异的拉伸和蠕变性能,可选择该含量作为合金成分设计的依据。