AZ91D镁合金 镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3镁合金左右），比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是轻的金属,镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的轻的金属,高强度、高刚性。
AZ91镁合金是目前应用广的镁合金，但是其高温性能相对较低心】，而添加稀土元素是改善镁合金高温性能的有效和直接的方法【3】。在此基础上，研究了稀土元素Nd对铸态AZ91镁合金在室温和高温下拉伸强度和延伸率等力学性能的影响，旨在为改善镁合金AZ91的力学性能和拓宽镁合金AZ91的应用领域提供依据。
加入不同的元素对镁合金的组织性能都有不同的影响。下面针对集中特殊的具有代表性的元素展开分析
在镁中添加稀土元素可显著提高合金的高温性能，并且在铸造过程中还可以显著细化合金颗粒。镁能与多种稀土元素如Ce、Nd和La等形成固溶体，并富镁区为低熔点简单共晶并在晶界处呈网状分布，抑制微孔的形成，从而铸造性能优良。在稀土元素中Nd的作用，Nd使得镁合金在高温和常温下同时获得强化。Ce和Ce的混合稀土虽然对改善耐热性能效果较好，但是常温强化作用差。La的作用效果则在两方面不如Ce。一般认为镁合金具有较高的蠕变性能，主要归因于Mg-RE化合物的弥散强化和其在晶界上对晶界滑移的影响。
Nd对AZ91镁合金铸态组织细化的影响
在室温和150℃下，随着稀土元素Nd的增加。镁合金AZ91的抗拉强度均先增加后降低且在Nd含量为1％时达到值，延伸率却呈现出逐渐降低的变化趋势。拉伸断口均比较平齐而光亮，断裂处几乎没有发生断面收缩，其断裂类型应为脆性断裂。加入1％Nd后，镁合金AZ91的铸态组织得到细化，力学性能得到改善，可满足高温下应用要求。
稀土Nd加入AZ91合金中可生成AI—Nd相并细化合金晶粒。Nd含量影响合金中A1-Nd相的种类、形貌、大小和分布，从而改变合金的室温拉伸力学性能。当Nd含量为1．0％时，合金中析出的AI-Nd相主要为针状的AI，。Nd。相；当Nd含量为到2．0％时，针状的AI．Nd3相已经比较少，块状的AI：Nd相为主要的AI—Nd相；当Nd含量为到2．5％时，析出的AbNd相几乎全部为块状的A12Nd相。Nd含量由1．0％增加到2．0％时，合金的伸长率、抗拉强度和屈服强度分别增加33％、14％和4％；Nd含量由1．0％增加到2．5％时，上述三者分别增加44％、18％和6％。
1Nd含量为1．0％时，合金中的稀土相主要为针状的A1nNds相；Nd含量为2．0％时，合金中的稀土相主要为块状的AlzNd相和少量针状的A1。。Nd。相；Nd
含量为2．5％时，试验合金中的稀土相主要为块状的Al：Nd相。
2Nd含量由1．0％增加到2．o％时，试验合金的伸长率、抗拉强度和屈服强度分别增加33％、14％和4％；而Nd含量由1．o％增加到2．5％时，上述三者分别增加44％、18％和6％。
Ce对AZ91镁合金铸态组织细化的影响
1在AZ91合金中加入0．2％一0．8％Ce可明显细化a晶粒，晶粒平均尺寸由未细化前的108肛m降至约32 pm．同时，卢相由网状或块状变成弥散分布的粒状．组织细化机制归结为：结晶过程中Ce富集在固／液界面的前沿引起成分过冷，增加均质形核的数量．
2Ce对显微组织的细化作用有利于提高合金的力学性能和耐腐蚀性能．
力学性能的改善可归结为如下原因：1晶粒细化作用．根据Hall-Petch公式和改进的Taylor理论可知，具有较少滑移系的六方结构金属的晶界对晶粒的滑移变形具有强烈的阻碍作用，因此，晶粒细化将显著提高AZ91合金的强度性能；2卢一M917A112相的时效强化作用．在AZ91中加入Ce后，铸态组织中的卢相由连续网状、块状变为断续网状或粒状，且分布更趋均匀，有利于热处理组织的改善．时效处理过程中，p相通常沿晶界产生不连续沉定析出和晶内连续沉定析出，Ce量的增加导致不连续沉定析出明显减少，相应地晶内析出增多，有效地强化了基体； 3A14Ce强化作用．沿晶界分布的A14Ce化合物阻碍位错的运动可强化合金，但其脆性较大，对合金的塑性不利．
Ce加入改善合金的腐蚀性能与显微组织的变化密切相关[14,15J：1a—Mg晶粒的细化作用．研究表明，AZ91合金的腐蚀一般先发生在O／一Mg晶粒内部，而晶界处较耐腐蚀．造成a-Mg晶粒内部和边界腐蚀差异的原因与Al元素在a-Mg晶粒内部的偏析程度有关， A1含量越高的区域其耐蚀性越好，而且A1浓度的差异越大，o—Mg晶粒的耐腐蚀性越差． Ce加入减小Q晶粒的尺寸，有利于减少A1元素从。晶内到晶界处的正偏析程度，从而改善合金的腐蚀性能．此外，在含Ce的合金中，Ce与Al易形成针状或杆状的A14Ce化合物，消耗了部分Al元素，在同样的铸造条件下，合金中Al元素的正偏析程度将降低与AZ91基体合金相比，亦有利于改善耐蚀性能． 2卢相的阻碍作用． p相是Az中的强化相，在合金的腐蚀行为中， 卢相同样起到相当重要的作用，尤其是卢相的含量和分布对合金的腐蚀行为有重要影响．如果a相的晶粒尺寸较大， 卢相呈块状不均匀分布， 卢一相对腐蚀的阻碍作用会降低甚至失去．反之，如果a相的晶粒尺寸细小， p相弥散均匀分布， p相和腐蚀产物及A14Ce化合物一起构成合金腐蚀的屏障，降低合金腐蚀的速率
Nd和Ce对AZ91镁合金组织和力学性能的影响
RE元素具有活泼的化学性质，在AZ91镁合金中加入RE元素，有可能形成A1一RE化合物、Mg—RE化合物或Mg—AI—RE化合物。形成化合物的难易程度，可由其电负性差值来判断【9]。对于本课题所研究的合金而言，加入的RE元素除一部分固溶于a-Mg之外，其余部分将优先与Al结合生成AI—RE化合物。至于生成何种具体类型的Al—RE化合物，这与每一种RE的性质密切相关Ll…。在本试验合金成分和制备方法下，Nd更容易形成块状的A1：Nd，而Ce则更容易形成针状的Alll Ce。相。对AZ91～1．ONd-1．5Ce合金试样进行微区能谱EDS分析。需要说明的是，受到EDS电子束斑直径和A1一RE相大小的局限，两种稀土相中均检测出有少量的Mg、Zn元素存在，并且所检测出的两种稀土相的原子比并不是完全等于两种相的化学计量比。由EDS分析可知，当Nd和Ce混合加入时，Al。RE中的Nd含量高于Ce含量；而AI。。RE。中的Ce含量高于Nd含量；在同一结构的稀土相中。两种RE元素存在部分置换。Sang等人的研究表明u1|，在Mg—A1一Zn—Nd系合金中，A1一。Nd。相是由口一Mg和AI：Nd之间发生如下的包晶反应生成的：A12Nd+L—AlIl Nd3 1试验中由于金属型的冷却速度快，包晶反应来不及进行，所以析出了Al。Nd相。而对于Ce，由Al—Ce二元相图Ll幻可以看出，当凝固过程中固／液界面前沿液相中的Ce和Al富集到～定程度，Al¨Ce。相能够直接从液相中形成。试验中还发现，当Nd和Ce混合加人时，A1。Nd中的Nd部分被Ce置换，Al，。Ce。中的Ce部分被Nd置换。总体上，当合金中Nd含量高于Ce含量时，Al：Nd相的量多于A1，。Ce。相的量，反之A1。。Ce。相的量多于A1。Nd相的量。更为合理的理解是，形成A1。Nd相还是Al¨Ce。相与凝固过程中微区Nd或Ce的浓度起伏或二者相对含量有关，即微区Nd含量相对Ce含量高，应该更倾向于形成Al。Nd，微区Ce含量相对Nd含量高，应该更倾向于形成Al。Ce。。
Nd与Ce对AZ91镁合金力学性能的影响
含RE合金的力学性能均明显优于AZ91镁合金
其原因可能有以下几个方面：
首先，无论是A1。Nd还是AI。。Ce。都会消耗基体中部分Al，减少Mg，，A1，：的含量，有助于合金塑性及韧性的改善，这种情况类似于Al含量比AZ91镁合金少的AM60、AM50镁合金。其次，RE元素的细晶强韧化作用。Nd和Ce都可以细化镁合金晶粒，晶粒细化不仅对甥性有利，对提高合金强度也是有利的。另外，当RE元素混合加入合金时，由于RE元素问的相互作用，降低了彼此在合金中的固溶度【1引。所以，由于Nd和Ce的混合加入，使得在非平衡凝固过程中，较多的RE原子被排挤到固／液界面前沿，形成较大的成分过冷抑制了晶粒的长大，而且使晶体的分枝形成细的缩颈，易于熔断脱落，从而使晶粒得以细化u 4|。第三，RE元素的弥散强化作用。由于Nd和Ce加入AZ91镁合金中形成的稀土相A1：Nd、A1。。Ce。均是高熔点硬质相。当合金中存在硬度高的第二相粒子时，第二相粒子在基体中会阻碍位错运动，导致材料强度提高[1 5|。当位错滑移到A1。Nd、Al¨Ce。相周围时，由于第二相颗粒不易变形，位错并不能切过硬质第二相，只能以Frank—Read源的形式绕过第二相，并留下位错环套在第二相粒子周围，强化合金。合金中第二相质点越多、分布越弥散、强化效果越好。所以。在AZ91镁合金中加入Nd和Ce均能使材料的强度得到改善。第四，Nd和Ce的作用存在差别。AZ9l一2．5Nd合金中形成的块状稀土相A1zNd边长为2～4肚m，尺寸小，不容易引起应力集中；AZ91+2．5Ce合金中形成的针状稀土相Al¨Ce。长度为20～30弘m，宽度只有l～2
“m，长径比较大，容易割裂基体，产生
