挤压Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr合金的微观结构演变及力学性能：该合金具有较低的拉伸-压缩不对称性

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure evolution and mechanical properties of extruded Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr alloy with low eliminated tension-compression asymmetry

镁合金微观结构演变与力学性能研究：Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr合金经铸造、均匀化及挤压处理后，发现挤压过程中形成大量剪切带和动态再结晶晶粒，导致基面取向与稀土取向并存的织构，并伴随Mg12(Nd,Gd)和Mg5Gd第二相的破碎与析出。拉伸-压缩测试显示低屈服不对称性，其机理与稀土元素激活非基面滑移、纳米析相强化及动态再结晶晶粒的稀土取向相关。

　　

卓莉|雷晓|标丽|陈旺|陈俊峰|王炳书

福建福州大学材料科学与工程学院，中国福建省350108

摘要

在本研究中，我们制备了Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr合金，经过铸造、均匀化处理后将其挤压成棒材，并研究了其微观结构和织构的变化以及拉伸-压缩性能。铸态合金主要由等轴α-Mg晶粒组成，这些晶粒被不连续的α-Mg + Mg₁₂(Nd, Gd)共晶、针状Mg₁₂Nd相和四方状Mg₅Gd相所包围。在515°C下均匀化处理18小时后，晶界处仍存在少量残余的Mg₁₂(Nd, Gd)相，并新发现了Zn₂Zr₃相。在初次挤压过程中观察到断裂的Zn₂Zr₃相、多个Mg₁₂Nd颗粒以及大量的剪切带。挤压后获得了与挤压方向平行的<10_10>基面织构。在剪切带内还检测到了一些非基面取向的动态再结晶（DRX）晶粒，这可能与金字塔形位错的激活有关。随着挤压过程的进行，基面织构仍然是主要织构成分，同时出现了与挤压方向平行的<2_1_11>稀土（RE）织构，这与DRX分数的增加有关。研究表明，在该区域CDRX过程主导了微观结构的发展，溶质原子的偏聚以及大量非基面位错的形成导致了DRX晶粒中RE织构的出现。最终阶段几乎所有晶粒都发生了完全的DRX，此时RE织构呈现与挤压方向平行的<2_1_11>和<2_1_14>方向。除了断裂的Zn₂Zr₃相外，晶界和基体中还观察到更多的Mg₁₂Nd和Mg₅Gd相，从而限制了晶粒的生长。该挤压合金在室温下的拉伸-压缩屈服不对称性较低。此外，拉伸曲线中出现了明显的屈服下降和屈服平台现象，这归因于溶质原子、细小的晶粒尺寸以及RE织构的影响。

引言

Mg-稀土（RE）合金因其优异的比强度[1]、高成形性[2]和高抗蠕变性[3]而受到关注，这使得镁合金在航空航天和汽车制造等领域的应用前景更加广阔。许多先前的研究关注了RE元素添加对微观结构转变行为的影响[4],[5],[6]。最近的相关文献中，雷等人[4]指出，在Mg中添加Nd可显著提高时效硬化性能，并在适当的热处理后提升拉伸屈服强度（TYS）。同时，也有研究表明Gd元素的添加会改变Mg-Nd合金中沉淀物的沉淀动力学，从而增强沉淀强化效应[7]。此外，微量添加Zn和Zr元素可以延缓过时效现象[8],[9]并减小晶粒尺寸[10]。综上所述，开发含有微量Zn和Zr的Mg-Nd-Gd基合金对镁合金的工程应用具有重要意义。

在我们之前的研究中，制备了Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr（所有浓度均为重量百分比，除非另有说明）铸造合金，其具有较好的拉伸强度和抗蠕变性，因此具有广泛的应用前景[11],[12]。然而，由于非平衡凝固过程的存在，Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr铸造合金中不可避免地会存在铸造缺陷[13]。此外，铸态镁合金在室温下的延展性较差，无法满足高性能结构部件的要求，这可能与六方密排（HCP）晶格结构在室温下滑移系较少有关[14]。幸运的是，挤压工艺被证明是提高镁合金强度和延展性并消除铸造缺陷的有效方法[15],[16]。因此，为了改善Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr铸造合金的机械性能，需要进一步进行挤压加工。

据报道，挤压后的Mg-RE合金通常会形成强度较低的RE织构[17],[18],[19],[20]。然而，挤压镁合金的机械性能取决于其微观结构和织构。近年来，人们开始关注挤压镁合金中微观结构和RE织构的形成机制，但目前尚未形成通用规律。例如，一些研究表明RE元素的添加促进了挤压过程中的非基面滑移，

从而形成了具有RE织构的动态再结晶（DRX）晶粒[21],[22]。也有研究认为DRX晶粒中出现的随机取向是由于优先生长导致的RE织构[18],[19],[23]。最近，辛等人指出挤压参数会影响Mg-RE合金的织构形成[24]。金等人和金等人也证明了Mg-RE合金的成分会对织构产生影响[25],[26]。此外，以往的研究主要集中在EBSD分析上[19],[26],[27],[28]，缺乏对微观结构和织构形成机制的详细探讨。对于新开发的Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr合金， 在广泛应用之前需要解决以下两个问题：（i）挤压过程中织构和次生相是如何演变的？（ii）挤压合金的拉伸-压缩机械性能如何？这些发现将有助于优化挤压工艺参数，从而设计出具有更好成形性和延展性的高性能Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zr合金。

因此，在本研究中，我们对Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr合金进行了铸造、均匀化处理并挤压成棒材，系统研究了整个过程中的微观结构和织构变化，并分析了其拉伸-压缩机械性能。

材料制备

实验合金的名义组成为Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr，由纯Mg、纯Zn、Mg-33Nd、Mg-28Gd和Mg-33Zr母合金制备。这些材料在保护性气氛（CO₂+0.1%SF₆）下用电阻炉熔化。经过C₂Cl₆精炼并在780°C下保温20分钟后，将熔体倒入预先加热至200°C的钢模中。铸坯（Φ130 mm×160 mm）的化学成分如下：

铸态合金的微观结构表征

图1(a)显示了铸态合金的OM微观结构，主要由等轴α-Mg晶粒组成，这些晶粒被不连续的共晶化合物所包围。在这些共晶化合物附近还发现了一些四方相，α-Mg基体中还存在一些灰色的针状相和点状颗粒。相应的SEM图像见图1(b)，图中用箭头A、B和C标记了EDS测试的位置。此外，还提供了高倍率（×40000）的图像：

结论

本研究开发了一种拉伸-压缩屈服不对称性较低的Mg-2.5Nd-1.5Gd-0.2Zn-0.6Zr挤压合金，系统研究了其微观结构演变和机械性能。主要结论如下：

1.

铸态合金主要由等轴α-Mg晶粒组成，这些晶粒被不连续的α-Mg + Mg₁₂(Nd, Gd)共晶、针状Mg₁₂Nd相和四方状Mg₅Gd相所包围。在515°C下均匀化处理18小时后，

作者贡献声明

雷晓：软件开发、资金获取、数据分析。标丽：数据可视化、方法论设计。陈俊峰：资源协调、数据管理。卓莉：项目管理、数据分析、概念构思。王炳书：方法论设计、资金获取。陈旺：资源协调、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢福建省青年和中青年教师教育科研项目（JAT231008）、福建省自然科学基金（2024J08027）以及中国福建省自然科学基金（项目编号2024J01061）的支持。