稀土种类和加入量对AZ系镁合金组织的影响-毕业论文.doc

内蒙古工业大学本科毕业论文 学校代码: 10128学 号: 201120402033 本科毕业论文(题 目:稀土种类和加入量对AZ系镁合金组织的影响学生姓名:王自武学 院:材料科学与工程系 别:材料与冶金工程专 业:金属材料工程班 级:金属11-1指导教师:郭锋 教授二 一 五 年 五 月摘要AZ系镁合金由于具有诸多良好的性能，成为了近年来的研究热点。镁合金作为目前最轻质的铸造合金，具有低密度、高比强度、良好的电磁屏蔽性，在航空航天、电子、汽车等诸多领域得到了应用。目前普遍研究发现，在镁合金中加入稀土元素，能够改善合金组织，提升合金力学性能。但是对于具体加入多少，研究结果不尽相同，说法也不一致。为了更好地研究和发现稀土对镁合金的影响，我们设计制作了不同Ce含量的稀土-镁合金，通过其硬度、抗拉强度、延伸率、XRD、金相组织等测试分析不同稀土含量对其组织和性能的影响。课题以常见的AZ91D镁合金为研究主要对象，加入含量分别为0%、0.3%、0.6%、0.9%的稀土Ce，构成了加入单一稀土、不同稀土含量的AZ91D-Ce系列合金。通过压铸成型获得所需要的试件，使用蔡司光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、SHT-4605型微机控制电液伺服万能试验机等分析手段对合金的微观组织和力学性能进行了观察分析。结果显示：(1) 由于稀土Ce的加入，使得合金晶粒细化，除了合金中原有的-Mg和共晶体的基本组织组成以外，生产了新相Al4Ce；(2) 随着稀土Ce加入量的增多，镁合金的硬度、抗拉强度、延伸率都增大，其力学性能得到改善。并且在Ce含量为0.9%时，其综合力学性能最好。关键词:稀土，AZ系镁合金，加入量，合金组织AbstractAZ based alloys because of the many good performance, has become a hot topic in recent years. Magnesium alloys as the most lightweight cast alloy, low density, high strength, good electromagnetic shielding, aerospace. Electronics, automotive and other fields has been applied. Now generally it found that adding rare earth elements in the magnesium alloy, it is possible to improve the alloy to enhance the mechanical properties of the alloy. But for how much concrete was added, the results are not the same, saying inconsistent. In order to better study and found that the impact of rare earth magnesium alloys, we designed a different contents of Ce rare earth - magnesium alloy, by measuring its hardness, tensile strength, tensile elongation, XED microstructure analysis to test and influence of different rare earth content on its properties.Subject to common AZ91D magnesium alloy as the research main object, join contents were 0%, 0.3%, 0.6%, 0.9% rare earth elements Ce, constitute the added single rare earth, rare earth content of different AZ91D-Ce alloys. Specimens obtained by die casting needs, using Zeiss optical microscopy, X-ray diffractometer, microhardness, SHT-4605 microcomputer controlled electro-hydraulic servo universal testing machine analytical tools, etc. on the microstructure and mechanical properties were observation and analysis. The results showed that: (1) With the increase of the added amount of Ce, hardness, tensile strength, elongation of the magnesium alloy increases, its mechanical properties are improved. And Ce content is 0.9%, its best mechanical properties. (2) Due to the addition of Ce, making the alloy grain refinement, in addition to any original -Mg alloy and the basic organization of the eutectic composition, producing a new phase Al4Ce.keyword: rare earth； AZ magnesium alloy；Adding amount； The microstructure of the alloy目录引言1第一章 绪论21.1镁和镁合金简述21.1.1镁的简述21.1.2镁合金特点21.1.3镁合金分类31.2稀土镁合金中稀土的应用意义31.3稀土元素在AZ系镁合金中的应用现状41.3.1 稀土Nd对AZ91镁合金组织和性能的影响41.3.2稀土Er对AZ91镁合金组织与性能的影响51.3.3 稀土Pr对AZ91D镁合金组织和性能的影响51.3.4 稀土Y对AZ91镁合金组织和性能的影响61.3.5稀土Ce对AZ91D镁合金固溶时效组织的影响71.3.6稀土La对AZ91D镁合金耐蚀性的影响71.3.7稀土Gd对AZ80镁合金组织和性能的影响81.4稀土在AZ镁合金的作用91.4.1熔体净化作用91.4.2固溶强化作用101.4.3细晶强化作用101.4.4提高合金耐蚀性101.4.5改善合金的力学性能111.4.6稀土的阻燃作用111.5 稀土对镁合金组织的影响111.6稀土镁合金的应用前景12第二章实验方法和过程142.1实验流程142.2实验合金成分设计152.3实验材料制备152.3.1稀土镁合金熔炼152.3.2压铸成型162.3.3取样162.3.4制取试棒17第三章 实验数据分析183.1 Ce对合金微观组织的影响183.2 Ce加入量对组织组成的影响193.3 Ce对稀土镁合金硬的影响(Hv)213.4 Ce对镁合金力学性能的影响21第四章 结论24参考文献25谢辞28引言近年来，各种材料推陈出新，镁合金作为目前最为质轻的构造材料，受到人们一致的青睐。镁合金由于性能良好，已经很好地被应用在各个领域，而在镁合金中加入稀土，能使镁合金性能进一步提升，这已经成为了人们普遍的做法。镁合金被应用在各个领域。在汽车制造领域，镁合金目前主要应用在汽车座椅支架、方向盘制造、变速箱外壳等；在航空航天领域，主要应用于飞机的螺旋桨、发动机的曲柄、油箱隔板等；在电子领域，应用在电脑、手机等常见产品上。镁合金作为最为轻质的结构材料之一，其使用范围已经有超过钢铁等常见结构材料的趋势。把稀土元素加入在镁合金中，以达到改善镁合金性能的目的，有助于扩展其应用途径。目前，镁合金中稀土元素的加入量较小，不超过11%，如何使稀土发挥更大的作用，还需要人们更深入的研究。稀土作为一种稀有资源，在改善合金性能方面有着重要作用。稀土元素因其独特而优异性能特点，越来越被人们用于研发和使用。稀土镁合金正在揭开其神秘的面纱，相信随着时间推移，稀土镁合金将会有更大的应用领域，更加良好的性能。本论文研究的主要内容为：稀土Ce加入AZ91D镁合金中，对AZ91D镁合金组织和性能的影响。在实验过程中，我们设计了合理的稀土加入量， 利用XRD、金相显微镜、力学性能试验仪来测得和获取数据。第一章 绪论当今社会，在追求主义市场经济的快速发展的同时，也倡导资源的可持续发展，这就要求我们节约资源、减少环境污染，提高资源可利用率等。实现可持续发展的条件是自然资源的可持续利用。而镁合金因具有比强度高、密度低、切削加工性能良好、减震性好成为了继铝合金之后的另一种重要的现代工业材料。在目前来说，镁合金是一种最轻的结构材料，由于其自身的优势，在传统的制造领域被广泛使用，引起了人们对其在其它领域应用的极大关注，在汽车工业领域，人们期待着用轻质的镁合金代替原有的钢铁，以此减轻汽车自身的重量，减少汽车使用时的油耗量及汽车尾气的排放量，进而减轻对环境的污染，达到保护环境的目的，让汽车变成一种现代环保便捷的交通工具。对于航空航天制造领域来说，材质的重量要求是第一位的，镁合金的在航天领域的应用，减轻了飞机自身的重量，有利于飞机的快速起飞，为航空航天领域的发展创造了优势。镁合金构件也被用于运输机、航天器、导弹等。镁合金因其自身特有的优势，已经发展成了当今社会所研究的重要结构材料，也被利用在越来越多的领域。1.1镁和镁合金简述1.1.1镁的简述镁是一种轻质的碱土金属，颜色为银白色，即拥有很好的延展性，又拥有良好的散热性。在自然界中，镁元素分布极为广泛，在地壳中，其含量为2.35%，使用总量超过100亿吨，在地壳元素中排在第七位，宇宙元素中排在第八位。镁元素在地壳中多以菱镁矿(碳酸镁)MgCO3、白云石(碳酸镁钙)CaMg(CO3)2、光卤石(水合氯化镁钾)KClMgCl2H2O三种形式存在。在元素周期表中，镁元素位于IIA(第二主族)族，是一种碱土金属元素，其化学元素符号为Mg，相对原子质量为12，其密度是1.738g/cm3，其熔沸点分别是651、1107。其化学性质活泼，极易氧化，在空气中中因氧化而失去原有银白色变黑。对纯镁而言，由于纯镁的晶体结构为密排六方，其强度较低、塑性较差，不能直接作为结构材料使用，所以目前一般使用的都是镁合金1。1.1.2镁合金特点镁合金是目前最为质轻的结构材料，由于其具有较低的密度、较高的弹性模量、高的比强度、优良的散热性、好的电磁屏蔽性和切削加工性能优良等诸多优点，成为了航空航天、电子、通讯等领域不可缺少的结构材料。与被人们熟知的钢铁、铝合金、铜合金相等材料比较而言，具有以下特点：首先，其拥有较低的密度、高的比强度和高的比刚度。由于其密度低，因此用镁合金制作的构件，合金构建的质量远远低于铝合金和钢，这对于航空航天、电子等领域有重大意义；其次，镁合金不但具有良好的减震性，而且有较高的抗振性，可以降低噪声，从而能够延长产品使用寿命。另外，镁合金也具有优良的切削加工性，切削效果较好，切削力不大，而且易于回收，是一种可再生利用金属。当然，有优点也就有缺点，镁合金也有一定的缺点。首先，由于镁的化学性质比较活泼，使得镁合金较为容易被氧化，所以造成其耐腐蚀性能较差。其次，由于镁合金晶体结构为密排六方，其滑移系数小，因此温室塑性比较差。1.1.3镁合金分类按照化学成分的组成种类，镁合金可以分为二元、三元或多元合金系。在镁合金中，大多数都含两种以上的其他金属元素，因此为了更好给镁合金分类，使其种类分辨方便简单，选取镁合金中最主要的金属元素，构成二元系镁合金。二元合金系镁合金主要由Mg与另一个主要的金属元素组成。主要有以下几种，Mg-Mn、Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Ag和Mg-Li系。1.2稀土镁合金中稀土的应用意义据现有研究表明：将少量的稀土元素添加在镁合金中，即能够提高合金的硬度和强度，又提升合金的耐磨性、塑性、韧性、耐腐蚀性、可铸造性及力学性能等特性，具有很好的冶炼、合金化作用。研究数据显示，稀土元素使用广泛，在稀土元素总使用量中，约20%-30%的和金属等合金有关。深入研究稀土元素，理清稀土的作用机制，能更好的提升镁合金的性能，扩展镁合金的应用范围和途径。由于镁合金的快速发展，特别是在结构材料领域的发展，加强稀土镁合金的研究与创新，推广其应用范围，能极大的促进稀土在不同领域的利用和发展，同时也能够很好地提升镁合金产品附加值，这对作为资源大国的中国，能够很好地实现资源的综合利用，使我国巨大的资源优势转化为经济优势，同时经济带动资源发展，加快我国经济全面快速的发展2。当前，更高含量、更高纯度的稀土的应用发展极为迅速，在镁合金中加入高含量、高纯度的稀土也成为了研究热点。最近几年来，稀土在镁合金中的使用连年增加的越来越快。可以想象，随着人们对稀土元素的研究深入和稀土镁合金应用的研究深入，加之人们不断提升的认知水平和技术水平，稀土在合金中的应用将更加广泛，其作用机制也将越来越完善，更加多元的新型稀土镁合金也将被发现和应用，这将在很大程度上推进新材料领域的发展和变革。1.3稀土元素在AZ系镁合金中的应用现状1.3.1 稀土Nd对AZ91镁合金组织和性能的影响研究普遍发现，在镁合金中加入少量的稀土元素，能够很好地细化合金的铸态组织，镁合金中主要元素为镁、铝、锌。由于稀土元素的加入，稀土元素与基体中铝元素化合形成铝-稀土化合物相，其形状一般为杆状或块状。因为铝-稀土相熔点高，所以当熔融镁合金冷却凝固过程中，会率先结晶析出铝-稀土相。而随着温度的逐渐下降，弥散析出的铝-稀土相一部分又可以作为基体相的形核中心，一部分则被推到结晶前沿，有效阻碍了枝晶的长大，使合金基体组织得到细化，起到了很好的细化晶粒的作用。 研究中，在AZ91镁合金加入稀土Nd，能够有效地提高合金的高温力学性能，由于稀土Nd和合金中的铝元素化合形成新的铝-稀土相，新生的Al-Nd相能够对合金基体起到较好的弥散强化作用，加之稀土Nd能够对基体也能起到一定的固溶强化作用，细化了合金组织。并且Nd与A1形成新的铝-稀土相使得基体中的Mg17Al12相的数量减少，这是由于新相Al-Nd的生成，消耗了基体中的一部分A1元素。同时，由于新生的Al3Nd、A12Nd等铝-稀土相大多在晶界上弥散分布， 其热稳定性比较高，极大地影响了晶界的移动和位错的运动，对附近晶粒的移动起到“钉扎”作用，减少了位错数量。此外，稀土Nd能有效减弱合金晶界处和相界处的渗透性，减慢了其他相在相界处的凝聚，并且第二相始终影响了位错运动，也能够使位错数量减少；另一方面，稀土Nd能够改善合金表面的缺陷，使合金抗氧化性和耐蚀性大大提升。当稀土Nd在合金中的含量较高时，会生成大量的Al-Nd团聚物和 Mg-Nd相，其分布较为弥散不均。新生的Al-Nd团聚物和 Mg-Nd相，由于较为弥散，影响了Nd颗粒相的分布，降低了其弥散强化的作用，影响了合金成分，使合金成分分布变的不均匀，这就会引起应力集中现象的发生，使得合金性能大大的降低 3。 由于稀土Nd的加入，能够使AZ91镁合金的铸态组织明显细化，晶粒尺寸明显变小，并且由于Al3Nd、A12Nd等铝-稀土相的形成，使得(Mg17Al12)相的数量减少。Nd与Al形成的新相Al3Nd、A12Nd等铝-稀土相，其分布不均，较为弥散，能够对合金基体起到很好的弥散强化的作用，同时，稀土Nd也能够对合金起到一定固溶强化作用，在两种作用共同作用下，使AZ91镁合金的综合力学性能大大提高，其硬度和强度大大提高。由于稀土Nd含量渐渐增大，在室温、150和250时，AZ91镁合金的强度都呈现先增后减的趋势，在稀土Nd含量为1，150时，AZ91镁合金的强度出现了最大值，其强度为 203Mpa；随着Nd含量的增大， AZ91镁合金的延伸率也呈现先增后减，当在AZ91镁合金中加入2稀土Nd时，AZ91镁合金的延伸率最大，其延伸率为10.5，此时，AZ91镁合金不但具有较好的塑性，同时还具有较高的强度，其强度为196MPa。从研究中发现，当稀土Nd的加入量在12之间时， AZ91镁合金的高温性能提升最为明显。结果显示，在AZ91镁合金中加入稀土Nd，细化了合金组织，改善了其机械性能，使得AZ91镁合金应用范围扩大，不仅用在了汽车的发动机上，也应用在飞机螺旋桨、电脑外壳等上。由于稀土 Nd的使用会增加制造成本，因此，在满足构件性能要求的情况下，应该尽可能降低稀土 Nd的含量，减少成本，同时也能够节约资源。1.3.2稀土Er对AZ91镁合金组织与性能的影响向AZ91镁合金中添加一定含量的Er，可以对合金基体中粗大的Mg17Al12相，起到很好的细化作用，使基体中Mg17Al12相颗粒数量增多。稀土Er的加入，使合金基体中的Mg17Al12相的几何尺寸变得更小，其分布也变得更为均匀。同时，把稀土Er加入到AZ91镁合金，可以明显细化AZ91镁合金的铸态显微组织，有效提高AZ91镁合金的屈服强度和力学性能；并且，稀土元素Er和镁合金基体中Al元素化合形成新的Al3Er相，新相的形成消耗了基体中的一部分Al，使得合金中Mg17Al12相的数量大大减少，使Mg17Al12相变的弥散分布，弥散分布的Mg17Al12相减弱了对基体的割裂作用；除此之外，新形成的稀土Al3Er相由于分布较为弥散，能够对合金基体起到很好的弥散强化作用。在这些原因的综合作用下， 很好的改善了AZ91镁合金的强度。除此之外，在合金冷却和凝固的过程中，新生成的Al3Er相有一部分会聚集在固/液界面周围，影响了其他原子的移动，有效阻碍了晶粒的长大，在合金凝固后，新生成的Al3Er相会存在于晶界上，打断了晶粒彼此之间的相互连接，使得合金在进行拉伸试验时，由于晶粒之间的连接被打断，容易在基体处诱发裂纹，导致合金产生缺陷，使合金的塑性大大降低，并且合金的延伸率也减小。研究显示，当稀土Er的加入量在0.98-1.92之间时，使得AZ91镁合金的铸态组织得到显著的细化。并且，在Al3Er相的对合金基体的细晶强化及稀土Er对合金基体的弥散强化的共同作用下，合金的室温拉伸性能得到明显提高4。1.3.3 稀土Pr对AZ91D镁合金组织和性能的影响据现有研究表明，在AZ91D镁合金加入少量稀土元素Pr，能够细化合金细微组织，并且提高其力学性能，能够很好的细化AZ91D-Pr镁合金的铸态组织，并且在基体中形成了A1-Pr新相，其形状一般为针状或杆状；当Pr加入量为0.8时，能够明显细化AZ91D-Pr镁合金晶粒，并且其细化效果较为显著，而且其室温屈服强度、克拉强度等力学性能明显改善4。加入稀土元素Pr后，AZ91D镁合金的显微组织组成为块状的-Mg基体相和弥散分布的-Mgl7All2相，其中-Mg基体相又分为初生-Mg相和共晶-Mg相；-Mgl7All2相分为共晶-Mgl7All2相和二次析出相。初生-Mg相的尺寸比较大；最先生成块状的初生-Mg相，后产生的共晶产生的-Mg相与共晶形成的-Mgl7All2相会围绕在初生-Mg相的周围，其中共晶生成的-Mg相形状为为连续网状，分布在共晶的-Mgl7All2相四周；与之不同，共晶产生的-Mgl7All2相则呈现出一块一块的的骨骼状，几何尺寸较大，其分布也不同，一块一块，弥散分布在-Mg相的晶界上；对于二次析出相，其分布范围比较广泛，广泛分布在共晶析出-Mgl7All2相周围。研究显示，伴随Pr含量的渐渐增加，AZ91D-Pr镁合金的强度也渐渐增大且塑性逐步提高，在Pr含量为0.8时，AZ91D-Pr镁合金强度和塑性均为最好，随着Pr含量的继续增加，强度和塑性反而有所下降。这是因为，当Pr含量为0.4时，合金晶粒大小基本不会改变，没有明显的细晶强化效果，并且也不会生成稀土金属间化合物，也就不会存在析出强化作用；而当Pr含量为0.8时，合金晶粒得到明显细化，在晶界处形产生了更为细小的A1Pr金属间化合物，对合金产生细晶强化作用，由于有新相A1Pr生成，合金会发生析出强化作用，所以合金强度有很大提高；当合金中Pr含量为1.2时，新相AlPr尺寸增大，发生粗化，析出强化作用明显降低，使合金的强度有所下降。合金晶粒尺寸的大小基本决定着合金的塑性的好坏。当Pr含量为0.8时，AZ91D-Pr合金的细微组织得到了细化，所以合金伸长率的最大；而当合金中Pr含量变为1.2时，由于新相AlPr尺寸变大，发生粗化现象，使得AZ91D-Pr合金的延伸率在一定程度上降低5。1.3.4 稀土Y对AZ91镁合金组织和性能的影响把不同含量稀土元素Y分别加入在铸造镁合金中，然后让其在430下进行固溶，最后使其在不同温度和时间内时效，根据现象来分析AZ91镁合金的显微组织、金相结构，以此来测定其显微硬度的变化，以及研究不同的热处理方式对AZ91镁合金的金相结构、显微组织和室温力学性能的影响。在AZ91镁合金中加入一定量的稀土元素Y，实验结果发现，AZ91镁合金的显微结构和组织形态发生了较为明显的变化，并且其力学性能也得到了极大地改善；在一开始，加入少量的稀土Y时，经过固溶和时效处理后，AZ91镁合金中，弥散分布的颗粒相数量有所增加；而当Y的含量为1左右时，AZ91镁合金经过固溶+时效处理后，镁合金的硬度不会发生明显改变。在AZ91镁合金中，Mg元素和Al元素化合生成的稳定性较的Mg17Al12相，再加入稀土元素，生成了铝-稀土化合物，都会对镁合金的力学性能产生很大影响，Mg17Al12相和铝-稀土化合物数量的多少、尺寸的大小、分布状态和稳定性，都是影响镁合金力学性能的因素6。在AZ91镁合金中，加入少量的稀土Ca，会在一定程度上提高相的稳定性，也就会提升镁合金的高温性能。由于稀土Y的加入，促进了相的析出，从而产生了稳定的相，并且使其形态、大小和分布都有所改善，同时还有生成了少量稀土相，显著提高了AZ91镁合金的硬度。在经过430固溶处理后，在加入稀土Y的试样中依旧大量基体相和析出的相，从而说明了稀土Y能够使相等析出相能够变得更加稳定，由于稀土原子尺寸较大，所以稀土Y能够对固溶后AZ91镁合金起到较强的固溶强化，但由于实验过程中，在合金中的稀土Y添加量比较低，所以其对基体整体的固溶量不大，并且固溶作用会相应减少弥散强化作用的效果，因此在固溶态时，AZ91镁合金硬度反而没有铸态的高。在AZ91镁合金中加入少量的稀土元素Y，能够细化AZ91镁合金中的颗粒相，使其含量大大增加、分布状态变得更加弥散，随着元素稀土Y的加入，合金中的颗粒相的数量增加，显微硬度明显提高 6。1.3.5稀土Ce对AZ91D镁合金固溶时效组织的影响研究发现，在AZ91D镁合金中加入一定量的稀土元素Ce，再经过固溶和时效处理，结果发现在AZ91D镁合金显微组织有所变化。在420时，对在AZ91D镁合金进行固溶处理，保温处理12个小时后，发现在不加稀土的AZ91D镁合金中，-Mgl7All2相基本已经全部分解；但是在含稀土铈的AZ91D镁合金中，-Mgl7All2相分解时间明显延长，分解不太完全，并且在420时，针状铝-铈相不会发生分解。在175下，进行时效处理发现，析出生成了-Mgl7All2相，其主要分布在晶界处，并且-Mgl7All2相和共晶析出的a-Mg相一起形成了片层状的组织；继续延长时效时间，当对AZ91D镁合金进行时效达到18小时左右时，会明显发现，合金组织基本都变成了该片层状；再继续增大时效时间，超过20个小时之后，结果发现，在合金基体组织中形成了粗大的块状-Mgl7All2相。这表明，在时效过程中，稀土铈能够明显抑制-Mgl7All2相的析出和生产。测定硬度发现，在时效18小时左右时，此时时效硬度出现最大峰值，这时合金组织基本全部都已成为片层组织。由于加入了稀土铈，使得时效峰值的出现时间大大的延缓7。1.3.6稀土La对AZ91D镁合金耐蚀性的影响加入1的量的稀土La后，发现在AZ91D镁合金中，不但新生成了许多Al11La3相，其形状呈现为条状，并且还生成了许多块状的Al8LaMn4相，而且粗大相(Mg17All2)得到了细化，并且在其周围产生许多新生的细小的层片状相，紧紧围绕着粗大相(Mg17All2)，这些细小的层片状相彼此相互连接，增加了(Mg17All2)相之间的连接，使的(Mg17All2)相变的更加网状化，进而更好更有效地阻碍了腐蚀的扩展，时AZ91D镁合金的耐蚀性进一步提高，增加了其应用范围。这些新生成的Al11La3相和Al8LaMn4相分布弥散，而且都是阴极耐蚀相。由于Al11La3相分布弥散，而且形状为条状，腐蚀面积较小，腐蚀作用不明显，对周围镁基体破坏较小；反之，Al8LaMn4相形状为块状，而且其腐蚀面积较大，极为容易和基体发生电偶腐蚀，对周围基体破坏比较明显8。对AZ91D镁合金，用5NaCl溶液对其进行腐蚀试验，结果发现，腐蚀通常是先出现在贫Al的镁基体之中，然后渐渐向四周延伸，最后出现在晶界上的相上。而由于稀土La的加入使得细小层片状的相明显多，相的分布范围也因此大大增加，由于相相互连接，在晶界周围形成了更加完整地网状，网状的相稳定性较好，进而更好更有效的阻碍了腐蚀，使AZ91D镁合金的耐蚀性大大提升。1.3.7稀土Gd对AZ80镁合金组织和性能的影响在AZ80镁合金中，添加适量的稀土元素Gd，能够细化合金的铸态组织，使得粗大晶粒的数量大大减少，甚至于消失，由于粗大晶粒的细化，也就使得晶界处形成的Mgl7A112相数量明显增多，新生的Mgl7A112相呈现为层片状，其分布也变得更加均匀，晶粒尺寸也明显变小。合金在受到挤压后，由于外力的作用，合金会发生动态再结晶过程，在结晶产生的析出相分布在结晶晶粒的晶界处。在AZ80镁合金中，加入含量为2RE(Gd，Nd)混合稀土后，能够对合金起到明显的细晶强化的作用，这是因为新生成的析出相，会对其他原子起到钉扎作用，有效阻碍了再结晶晶粒长大，使得其晶粒细化变小，同时，由于A12Gd和A12Nd相分布比较分散，能够对基体起到较强的弥散强化作用，能大大减少位错的运动数量，使合金强度和力学性能大大提高。反之，当混合稀土RE(Gd，Nd) 的含量进一步增多时，在基体中析出生成的相数量会大大地减少，而新形成的铝-稀土相几何尺寸会比较大，切断了动态再结晶效果，这样就不会起到强化晶粒的效果，使得基体应力集中，容易产生裂纹，合金强度也大大下降。研究显示，当混合稀土RE(Gd，Nd)的加入量为2时，AZ80镁合金抗拉强度出现了最大值，并且其综合力学性能良好9。在AZ80镁合金中，加入少量的混合稀土RE后，RE与基体中Al容易发生化合反应，形成熔点较高、稳定性较好的铝-稀土化合物，AZ80镁合金基体中的A1分别与Gd和Nd生成了新的A12Gd相和A12Nd相，提高了合金基体的性能，减少了合金中Mgl7A112相，使得AZ80合金基体中原本的铸态组织细化，并且生成新的层片状的稀土新相，分布在合金基体晶界处，提高了合金稳定性，另外，由于A12Gd相和A12Nd相的弥散强化作用，是力学性能提高。在合金冷却凝固的过程中，铝-稀土化合物会率先结晶析出，并且聚集在固液界面上，由于铝-稀土化合物晶粒尺寸较大，而且较为稳定，能够对其他原子移动起到钉扎的作用，能够有效的阻碍合金中其它原子的移动，细化合金基体中-Mg相及Mgl7A112相，使合金基体组织进一步细化，合金性能进一步得到改善。不仅如此，在凝固过程中，由于稀土元素能在固/液界面前沿聚集，从而引起合金组织成分发生过冷现象，使得基体过冷度增大，增加了Mgl7A112相行核几率，细化了组织。同时，由于新生的铝-稀土化合物的熔点较高，稳定性好，能够有效阻碍基体中Al原子的扩散，使得Mg17All2相的数量增多，晶粒得到细化，呈现为断续网状。当AZ80镁合金中混合稀土RE的加入量2时，其抗拉强度出现最大值，最大值为325 Mpa，和合金基体相比而言，抗拉强度提高了20 Mpa；延伸率为13.3，和合金基体相比而言，提高了53，并且在此时，AZ80镁合金综合性能较好。1.4稀土在AZ镁合金的作用1.4.1熔体净化作用稀土作为一种稀有资源，有许多的优点，在镁合金中加入少量的稀土元素，能够有效去除合金中的氢元素，极大地改善和提高了镁合金的力学性能、合金强度以及合金是我耐腐蚀性。在镁合金中加入稀土元素，能够对合金基体起到明显的固溶强化作用，由于稀土元素在合金中熔液有较大的溶解度，而且稀土元素能够和合金中杂质元素氧、硫、卤族元素等化合形成较为稳定的化合物，其比合体轻，在合金熔炼时，在保护气体的作用下，能够较为容易的去除生产的非金属残留杂质。因此加入稀土元素，能够进一步改善镁合金的物理化学性质，净化熔体，去除熔渣，由于非金属杂志发生球化、上浮等现象，从而更好的去除杂质。镁具有较活泼的化学性质，在合金熔炼时，镁与空气中的水汽极为容易发生化学反应，从而使镁合金产生较强的析氢现象。在镁合金熔液中，氢气的溶解度较大，在氢气和合金反应发生析氢的过程中，由于氢气的溢出，使得铸件容易产生缩孔及缩松等铸造缺陷。在镁合金熔炼过程中，加入稀土元素能够去除氢气的原因是，稀土元素与氢更为容易发生反应，并且生成了熔点较高、较稳定的稀土化合物，使得溶解在镁液中的水汽和氢含量大大降低，对于熔体而言，新生的稀土化合物，其比重较轻，容易上浮团聚，漂浮在熔液表面，易于清除，从而除去了合金中的氢。稀土除氢的反应式为：3H2O(g)+5RE = 3REH2 + RE2O3 ( 1-1)罗治平10等研究发现，利用热力学对( 1-1)式进行了计算和分析，结果发现，在温度T为1033 K 时，对于不同种类的稀土元素而言，其反应自由能变化在-754121 J/ mol -984571 J/ mol之间。该数据说明，稀土与氢之间拥非常强的反应原力，所以镁合金熔炼制造过程中，加入一定含量的稀土元素，能够有效的起到除氢、除氧的作用。1.4.2固溶强化作用固溶强化的原理是向溶体加入原子尺寸较大的溶质，迫使固溶体晶格发生异变，极大增加了合金基体中位错运动阻力，能够明显减少了位错运动的数量，极大地提高了合金固溶体的强度和硬度。在合金中加入稀土元素，由于稀土原子质量及尺寸较大，对于镁合金基体而言，能够阻碍合金原子移动，很好的阻止位错的运动，对合金起到固溶强化的作用，从而改善了镁合金的力学性能和塑性。高霞11等人研究发现，将适量的稀土元素Y加入AZ91镁合金中，由于稀土元素的加入，能够有效抑制了基体中-Mg17Al12相的分解，能够很好地细化层状组织，极大地提高镁合金性力学性能。研究表明，当添加量为1.2%Y时，AZ91D镁合金力学性能和硬度、强度等均为最好。1.4.3细晶强化作用细晶强化主要目的是通过细化晶粒，从而改善组织性能，提高合金的强度、增大合金硬度。这是因为晶粒在外力的作用下，会发生塑性变形，由于晶粒细化，塑性变形会在更多的晶粒内进行，塑性变形手里较为均匀，不会出现明显的应力集中；除此之外，如果使得晶粒越细小，则晶界长度就会大大增长，晶界形状也会变得更加曲折复杂，所以就会越不利于裂纹的发生和扩展，能更好地增强合金的各种性能。在镁合金中加入稀土元素，能有效地细化Mg17Al12相，明显增加Mg17Al12相在基体中的数量，提高合金基体稳定性，由于Mg17Al12相数量增多，其分布也就更加广泛，更为均匀。同时，当加入两种或两种以上的稀土元时素，在镁合金中，稀土元素相互之间会发生作用，或者稀土与基体元素发生作用，降低了其各自在镁合金中的固溶度，并且对沉淀相的体积分数造成一定的影响，使得结晶前沿过冷度变大，二次结晶形成晶粒的数量增多，从而细化了合金组织。康云12等人研究表明，在镁合金中加入适量的稀土Ce，能够有效地细化镁合金的显微组织，细化晶粒，使得镁合金中基体的铸态组织细化。黎文献13等人研究发现，把一定量的稀土元素Ce加入 Mg-Al-Zn系在AZ31合金中后，发现，稀土Ce能够明显细化镁合金的晶粒。1.4.4提高合金耐蚀性在AZ系镁合金中加入一定量稀土元素，发现，由于稀土被氧化，在合金表面能够一层生成稀土氧化物，由于稀土氧化物比较致密，而且稳定性好，对合金基体起到了保护作用，增强了基体的耐蚀性。由于稀土的加入，对合金中杂质起到净化作用，合金中的的夹杂物会明显减少，增强了合金表面的耐蚀性。另外，由于稀土元素的加入，生成新的铝-稀土化合物相，使得合金基体中的-Mg相和Mg17Al12相会明显的细化，这是由于铝-稀土化合物相对基体中原子移动起到钉扎作用，影响了-Mg相和Mg17Al12相晶粒的长大，并且，稀土能够使Mg17Al12相数量大大增加，由于Mg17Al12相比较稳定，阻碍了-Mg相的腐蚀作用，极大地改善了合金的耐腐蚀性能。王瑞婓14等人研究发现，将制作好的含量特定的稀土镁合金Mg-10%Gd或Dy-3%Nd-Zr，用盐溶液做电解液，结果发现，镁合金在Gd和Dy稀土的作用下，在表面产生了一层性质稳定的保护膜，极大地提高了合金的耐腐蚀性。1.4.5改善合金的力学性能目前，为了能够很好地提高镁合金的力学性能，改善及其塑性，在镁合金中加入稀土已经成为了人们常用的做法。对于稀土元素而言，其原子半径比较大，而且在镁合金中的扩散系数较小，所以在镁合金中加入适量稀土元素后，能够使合金再结晶过程减慢，细化合金晶粒，极大的增强了合金的时效效果，提高合金的力学性能，改善了合金组织。1.4.6稀土的阻燃作用镁是一种比较活泼的化学元素，若在空气中，镁极为容易和氧发生化学反应，因此在镁合金熔炼和浇注镁过程中，由于镁和氧化合，在合金表面形成一层性质比较稳定、致密度不太大的MgO膜，并且会释放出大量的热量。由于表面MgO 膜由于致密度系数小(mg1)，不太致密，较为疏松，并且有许多孔洞，氧气容易穿透该氧化膜，无法阻隔氧气，从而无法阻止镁继续氧化；另外，由于生成MgO的导热系数较小，不能使热量快速消散，在热量的积累下，更加促进了镁的氧化和燃烧。而在镁合金中加入适量的稀土元素，由于稀土元素燃点较高，能够有效提高镁合金的燃点。此外，还由于稀土元素RE和氧结合力较强，大于Mg和O的结合力