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摘要：制备含不同量稀土元素钇（Y）的Al-5Mg合金，采用金相显微镜观察合金的微观组织，研究了稀土（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对组织性能的影响，采用万能电子拉伸机测试合金的拉伸力学性能，研究了稀土（Y）对Al-5Mg合金的力学性能的影响。
关键字：稀土元素钇（Y）；Al-5Mg；组织性能；力学性能
铸锭组织的纯净化、细晶化和均质化是提高合金综合性能的基础。稀土在这些方面的作用尤为显著。稀土在铝合金中的存在形式和细化机理一直是稀土铝合金的一个主要研究范畴。以往的研究表明，稀土元素能有效减少铝合金的枝晶间距，但能起细化作用的稀土却很少。本文的原料为纯度大于99.9%的铝锭和镁锭，在SG-3-10型3KW井式电阻炉内进行合金熔炼，获得Al-5Mg合金，其化学成分（质量分数，%）为：5Mg，余量为Al。合金的凝固区间为590～635℃[1]。通过加入不同的Y含量，分别制备试验合金，采用金相显微镜观察合金的微观组织，研究了稀土（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对组织性能的影响，采用万能电子拉伸机测试合金的拉伸力学性能，研究了稀土（Y）对Al-5Mg合金的力学性能的影响。
1.稀土钇（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对组织性能的影响
Al-5Mg合金的晶粒（枝晶网胞）很粗大，在枝晶间分布着一些化合物；Al-5Mg+0.1%Y合金晶粒尺寸变化不大，但枝晶间距有所减少；Al-5Mg+0.5%Y合金晶粒明显细化，但还存在一些枝晶；而与Al-5Mg合金相比，Al-5Mg+0.8%Y合金的晶粒细化了10倍以上，且其枝晶组织也已基本消除[2]。由此可见，Y的加入可不同程度地细化铸态晶粒，当Y的添加量低于0.5%时，细化效果不明显；当Y含量为0.5%及以上时，Al-5Mg合金得到比较明显的细化。
由于Al-5Mg+0.5%Y合金冷轧前的原始晶粒比Al-5Mg合金细小一些，所以Al-5Mg+0.5%Y合金的冷轧态纤维状组织也更为细密[3]。结合Y对合金铸态及热轧态显微组织的影响，可以进一步推断：随Y含量升高，合金冷轧态纤维组织越细密，因此其冷变形储能越高，在随后的退火过程中也就更容易发生再结晶，这从另一方面说明了随Y含量升高，其抑制合金再结晶能力减弱的原因。
2.稀土钇（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对力学性能的影响
不同稀土Y含量对Al-5Mg合金室温及高温（260℃）拉伸力学性能的影响如表1所示。
从表1可以看出，随着Y含量从0%增加到0.5%，合金室温性能提高，但继续增加为0.8%时，合金室温性能则下降。加入0.5%Y时，合金的室温抗拉强度为298MPa，比不加Y的抗拉强度提高了38MPa，提高幅度超过14.6%；合金的室温硬度从HB60.1增加为HB70.2，提高幅度达16.8%；合金的延伸率则从10.2%提高到13.3%，提高幅度超过30.4%，对合金性能的提高效果最佳[4]。同样，稀土Y的加入也提高了Al-5Mg合金的高温（260℃）力学性能，其对合金高温抗拉强度和延伸率的影响与室温时大致相同。当加入0.5%Y时，合金的高温抗拉强度为168.6Mpa，比Al-5Mg合金的高温抗拉强度89.5MPa 提高了79.1MPa，提高幅度达88.4%；合金的延伸率则从7.2%增加为9.6%，增加幅度达33.3%[5]。
稀土Y之所以能使合金力学性能提高的主要原因有三点：首先，Y对合金中α-Mg基体相良好的细化作用，如上节所分析，即Y对合金起到细晶强化的作用；其次，由于Y在镁中的溶解度较大，溶后的间隙式固溶原子造成大量非球形对称畸变，产生比加入其他稀土元素更强的固溶强化效果， 即Y对合金起到固溶强化的作用；第三，化合物硬化相的生成，对合金基体起到了第二相强化作用。因此使得合金的力学性能有所改善。由于以上三种强化机制共同作用，使合金的室温和高温力学性能都得到显著提高，当稀土Y的加入量低于0.5%时，随稀土含量的增大，力学性能逐渐提高[6]。但是，当Y含量继续增加为0.8%时，由于在Y含量较多的镁合金中，在凝固的初期就已经形成铝和稀土的化合物，其在液相中的生长阻力会更小，在数量较多的情况下更容易结合，聚集成团，凝固速度越慢的地方，这些颗粒越容易长大，组织也越不均匀，拉伸过程中在Al2Y3相周围产生应力的集中，促进显微空洞的萌生和扩展，并且这些尺寸较大的颗粒会提高合金熔液的黏度，从而造成合金熔液流动性下降，也在一定程度上降低了合金的力学性能[7]。粗大的铝和稀土的化合物颗粒在晶界处和枝晶间分布，可以加速裂纹的扩展，恶化力学性能，导致室温及高温力学性能的下降。
3.结论
在Al-5Mg合金中加入稀土元素钇（Y）可以有效地细化晶粒，减少枝晶间距，当Y含量达0.8%时，枝晶结构消除，完全成为等轴晶。Y对Al-5Mg合金具有明显的强化作用。加入0.5%Y可使Al-5Mg合金在室温和高温的抗拉强度分别提高38MPa和79.1MPa，但添加0.8%Y时，强度没有继续提高，而塑性明显下降。稀土元素Y的加入，可以达到细晶强化和弥散强化的双重效果，使铸态的硬度得到显著提高。
参考文献
[1] 刘静安，温育智.稀土在有色金属工业中的开发与应用[J].四川有色金属，2002，（4）：7-12.
[2] 吴玉娟，丁文江，彭立明，等.高性能稀土镁合金的研究进展[J].中国材料进展，2011，30（2）：1-9.
[3] 张诗昌，魏伯康，林汉同.钇对Mg-9Al1Zn合金铸态组织及时效特性的影响.材料热处理学报，2003，24（3）：23-26.
[4] 杨军军，付静波.稀土在铝合金中的作用及研究进展[J]，北京工业大学学报，2002，28（4）：500-505.
[5] 周晓霞，张仁元，刘银峁.稀土元素在铝合金中的作用和应用[J].材料与表面处理，2003，（4）：43-45.
[6] 王慧源，刘生发，韩辉，等.镁合金晶粒细化及机理研究展望[J].铸造技术，2008，（12）.
[7] 余琨，黎文献，李松瑞.含稀土镁合金的研究与开发.特种铸造及有色合金，2002，（SⅠ）：314.
关键字：稀土元素钇（Y）；Al-5Mg；组织性能；力学性能
铸锭组织的纯净化、细晶化和均质化是提高合金综合性能的基础。稀土在这些方面的作用尤为显著。稀土在铝合金中的存在形式和细化机理一直是稀土铝合金的一个主要研究范畴。以往的研究表明，稀土元素能有效减少铝合金的枝晶间距，但能起细化作用的稀土却很少。本文的原料为纯度大于99.9%的铝锭和镁锭，在SG-3-10型3KW井式电阻炉内进行合金熔炼，获得Al-5Mg合金，其化学成分（质量分数，%）为：5Mg，余量为Al。合金的凝固区间为590～635℃[1]。通过加入不同的Y含量，分别制备试验合金，采用金相显微镜观察合金的微观组织，研究了稀土（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对组织性能的影响，采用万能电子拉伸机测试合金的拉伸力学性能，研究了稀土（Y）对Al-5Mg合金的力学性能的影响。
1.稀土钇（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对组织性能的影响
Al-5Mg合金的晶粒（枝晶网胞）很粗大，在枝晶间分布着一些化合物；Al-5Mg+0.1%Y合金晶粒尺寸变化不大，但枝晶间距有所减少；Al-5Mg+0.5%Y合金晶粒明显细化，但还存在一些枝晶；而与Al-5Mg合金相比，Al-5Mg+0.8%Y合金的晶粒细化了10倍以上，且其枝晶组织也已基本消除[2]。由此可见，Y的加入可不同程度地细化铸态晶粒，当Y的添加量低于0.5%时，细化效果不明显；当Y含量为0.5%及以上时，Al-5Mg合金得到比较明显的细化。
由于Al-5Mg+0.5%Y合金冷轧前的原始晶粒比Al-5Mg合金细小一些，所以Al-5Mg+0.5%Y合金的冷轧态纤维状组织也更为细密[3]。结合Y对合金铸态及热轧态显微组织的影响，可以进一步推断：随Y含量升高，合金冷轧态纤维组织越细密，因此其冷变形储能越高，在随后的退火过程中也就更容易发生再结晶，这从另一方面说明了随Y含量升高，其抑制合金再结晶能力减弱的原因。
2.稀土钇（Y）对Al-5Mg合金锻造工艺对力学性能的影响
不同稀土Y含量对Al-5Mg合金室温及高温（260℃）拉伸力学性能的影响如表1所示。
从表1可以看出，随着Y含量从0%增加到0.5%，合金室温性能提高，但继续增加为0.8%时，合金室温性能则下降。加入0.5%Y时，合金的室温抗拉强度为298MPa，比不加Y的抗拉强度提高了38MPa，提高幅度超过14.6%；合金的室温硬度从HB60.1增加为HB70.2，提高幅度达16.8%；合金的延伸率则从10.2%提高到13.3%，提高幅度超过30.4%，对合金性能的提高效果最佳[4]。同样，稀土Y的加入也提高了Al-5Mg合金的高温（260℃）力学性能，其对合金高温抗拉强度和延伸率的影响与室温时大致相同。当加入0.5%Y时，合金的高温抗拉强度为168.6Mpa，比Al-5Mg合金的高温抗拉强度89.5MPa 提高了79.1MPa，提高幅度达88.4%；合金的延伸率则从7.2%增加为9.6%，增加幅度达33.3%[5]。
稀土Y之所以能使合金力学性能提高的主要原因有三点：首先，Y对合金中α-Mg基体相良好的细化作用，如上节所分析，即Y对合金起到细晶强化的作用；其次，由于Y在镁中的溶解度较大，溶后的间隙式固溶原子造成大量非球形对称畸变，产生比加入其他稀土元素更强的固溶强化效果， 即Y对合金起到固溶强化的作用；第三，化合物硬化相的生成，对合金基体起到了第二相强化作用。因此使得合金的力学性能有所改善。由于以上三种强化机制共同作用，使合金的室温和高温力学性能都得到显著提高，当稀土Y的加入量低于0.5%时，随稀土含量的增大，力学性能逐渐提高[6]。但是，当Y含量继续增加为0.8%时，由于在Y含量较多的镁合金中，在凝固的初期就已经形成铝和稀土的化合物，其在液相中的生长阻力会更小，在数量较多的情况下更容易结合，聚集成团，凝固速度越慢的地方，这些颗粒越容易长大，组织也越不均匀，拉伸过程中在Al2Y3相周围产生应力的集中，促进显微空洞的萌生和扩展，并且这些尺寸较大的颗粒会提高合金熔液的黏度，从而造成合金熔液流动性下降，也在一定程度上降低了合金的力学性能[7]。粗大的铝和稀土的化合物颗粒在晶界处和枝晶间分布，可以加速裂纹的扩展，恶化力学性能，导致室温及高温力学性能的下降。
3.结论
在Al-5Mg合金中加入稀土元素钇（Y）可以有效地细化晶粒，减少枝晶间距，当Y含量达0.8%时，枝晶结构消除，完全成为等轴晶。Y对Al-5Mg合金具有明显的强化作用。加入0.5%Y可使Al-5Mg合金在室温和高温的抗拉强度分别提高38MPa和79.1MPa，但添加0.8%Y时，强度没有继续提高，而塑性明显下降。稀土元素Y的加入，可以达到细晶强化和弥散强化的双重效果，使铸态的硬度得到显著提高。
参考文献
[1] 刘静安，温育智.稀土在有色金属工业中的开发与应用[J].四川有色金属，2002，（4）：7-12.
[2] 吴玉娟，丁文江，彭立明，等.高性能稀土镁合金的研究进展[J].中国材料进展，2011，30（2）：1-9.
[3] 张诗昌，魏伯康，林汉同.钇对Mg-9Al1Zn合金铸态组织及时效特性的影响.材料热处理学报，2003，24（3）：23-26.
[4] 杨军军，付静波.稀土在铝合金中的作用及研究进展[J]，北京工业大学学报，2002，28（4）：500-505.
[5] 周晓霞，张仁元，刘银峁.稀土元素在铝合金中的作用和应用[J].材料与表面处理，2003，（4）：43-45.
[6] 王慧源，刘生发，韩辉，等.镁合金晶粒细化及机理研究展望[J].铸造技术，2008，（12）.
[7] 余琨，黎文献，李松瑞.含稀土镁合金的研究与开发.特种铸造及有色合金，2002，（SⅠ）：314.