重庆机电职业技术大学  400000①感谢重庆市教委科学研究项目对本文的资助 KJQN202203704面向成分波动的低速重载齿轮热处理协同控制及可靠性基础②感谢重庆市教委科学研究项目对本文的资助KJQN202403704 重载齿轮感应淬火替代渗碳工艺的关键研究

摘要 ：Mg-Y-Nd系合金的时效析出强化效果优异且析出序列及析出相在含稀土镁合金中具有一定的代表性。总结了国内外Mg-Y-Nd系合金时效析出的研究进展，对Mg-Y-Nd系合金的时效析出序列、转变动力学机制、沉淀强化行为做了较为详尽的综述，指出了Mg-Y-Nd系合金沉淀析出行为研究中的不足，展望了今后的发展前景及研究方向。

关键词：Mg-Y-Nd系合金   析出序列   沉淀强化    析出相

0引言

目前开发的镁合金按照强度由高到低的顺序依次为Mg-Gd（Y）-Ag > Mg-Gd（Y）-Zn > Mg-Gd-Y/Sm/Nd > Mg-Y-Nd > ZK61 > Mg-Nd > AZ91 > Mg-Sn【1】。当前约90%的镁合金产品采用铸造工艺，而铸造镁合金的强度主要取决于化学成分、铸造工艺、热处理工艺，铸造工艺对力学性能的影响程度一般能够预测，因此大量的研究工作仍然聚焦于成分设计的优化以及热处理工艺的改进上。由于铸造镁合金在T6状态下的屈服强度约60%由沉淀强化产生【2】，析出相的尺寸、形状、物理性能及析出相与基体间的界面性质决定了强化效果，近年来由于对高强度及成本更低的镁合金仍有大量需求，再次激发起对高强铸造镁合金强化机理的研究兴趣。

Mg-Y-Nd系铸造镁合金因其优异的时效析出强化效果而备受关注。镁合金作为一类轻质高强度的金属材料，在汽车、航空航天、电子等领域具有广泛的应用前景。随着科技的进步和产业的发展，对镁合金的性能要求也日益提高，特别是在强度、韧性、耐腐蚀性和耐热性等方面。Mg-Y-Nd系合金由于添加了稀土元素Y和Nd，其析出相的结构和成分对合金的性能有着显著的影响。因此，深入研究Mg-Y-Nd系铸造镁合金的沉淀析出行为，对于优化合金成分、改进热处理工艺、提高合金性能具有重要意义。

1、Mg-Y-Nd系合金沉淀析出序列

目前关于Mg-Y-Nd系合金析出相与母相之间的界面关系已形成统一认识，但对析出相的结构、成分仍未达成共识【3】。按照合金成分一般认为析出相可以分为Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Y-Nd三种类型，对这三种类型的最终脱溶相目前仍存在争议【4】，但多数研究认为这三种相在不同时效析出阶段的结构不同。Mg-Y合金没有GP区，整个时效过程就是过饱和固溶体的分解过程，最终的平衡相为体心立方结构的Mg24Y5相，晶格常数a=1.1185～1.1283nm；Mg-Nd合金有GP区，时效析出序列为：过饱和固溶体→GP区→β"→β′→β，平衡相β为底心正方结构的Mg41Nd5相，晶格常数a=1.031～1.034nm，c=0.593～0.598nm；Mg-Y-Nd三元合金的脱溶过程比较复杂，有文献报道三元合金过饱和固溶体在时效析出过程中的脱溶顺序为：α0→α1+GP 区→α2+β"→α3+β′→α平衡→β，其中β相为面心立方晶格的Mg14Nd2Y三元相，a=2.223nm。

对Mg-Y-Nd三元及多元合金的沉淀析出序列已有较多文献做过报道，并研究了第二相的转变过程、晶体结构及形貌等【5】。

C.Antion【6】等对Mg-Y-Nd系合金的时效析出序列做了代表性的研究工作，最初的研究报道关于时效析出序列为S.S.S.S→β"→β′→β，随着对时效析出研究的不断深入，Nie【7】在250℃的高温时效析出反应中发现β1相，且发现β1相与β相具有相同的晶体结构，其晶格常数只有β相的三分之一。目前对Mg-Y-Nd系合金的析出序列基本达成共识，在时效阶段过饱和的固溶体按如下序列转变：S.S.S.S→β"（DO19）→β′（cbco） →β1（fcc） →β（fcc），有研究认为首先析出的亚稳相β"相是由 Mg 基体hcp结构中的Mg原子被稀土元素原子局部有序化置换取代发展而来，因此开始阶段析出的β"相与基体为共格结构。随着时效进行，时效中期或者中温时效阶段将会析出与基体呈半共格关系的β′相，合金时效析出反应到此时一般达到峰时效阶段，因为β′相与α-Mg基体在{110}方向的位向错配度最小，在三个方向呈120度角在{110}棱柱面上以较快的速度形成细小、弥散分布及较高体积分数的片状或圆盘状的第二相，随着时效过程的继续进行，β′相开始粗化并在其局部形核析出β1相，目前关于β1相的转变机制仍存在分歧，有关分歧将在下一小节叙述。β1相作为亚稳相在高温和长时间的时效过程中不会稳定存在，在高温时效或长时间时效过程中会继续在原位转变为稳定的β相。在Mg-Y-Nd系合金中，普遍认为β"和β′这两种亚稳相是该合金序列中主要的强化相。

目前关于析出相的组成有以下几个方面的分歧：

（1）Nie等【7】认为β′亚稳相的组成为Mg12NdY，面心立方结构的平衡相β的组成为Mg14Nd2Y。但Roklhin【8】在对Mg-Y-Nd系合金的研究工作中提出不同于Nie的看法，其认为在Mg-Y-Nd系合金中不存在三元化合物，所谓的三元化合物只是富Y和富Nd的二元化合物中分别固溶Nd和Y，这种富Y和富Nd的二元化合物中固溶的Nd和Y并没有改变二元相的结构，但肖【9】随后在Mg-Y-Gd-Nd中部分三元体系的相关系研究中证实Mg-Y-Nd三元化合物的存在，并且确定了成分范围。

（2）Smola【10】提出不同于Roklhin的看法，Smola等认为Mg-Y-Nd系合金的时效析出过程是由亚稳相到稳定相的转变过程，在这种转变过程的某一阶段二元和三元化合物共存，并且认为β"亚稳相为具有DO19结构，并且与α-Mg具有共格关系，β′亚稳相为底心斜方晶结构（cbco）且与α-Mg呈半共格关系，而亚稳相β1与稳定相β均为面心立方结构。杨晓红【3】等对Mg-4Y-3Nd合金T6条件下XRD衍射图谱上未能标注的化合物相进行透射电镜和高分辨能谱分析，结果表明析出相含有Mg、Y、Nd三种元素，且Nd和Y的比例接近2：1，衍射花样标定结果显示为面心立方晶系，认定该三元化合物相为Mg14Nd2Y相，并且通过高分辨透射结果得出该三元相与基体呈半共格界面关系。

（4）对于β"相的结构，有研究认为为DO19结构，有的认为类似hcp结构。

（5）有研究认为时效序列中不存在β"相，但这种观点被否定，目前文献报道结果一致认为在高温时效间段β"转化为β′的速度非常快，不容易观察到。

2、Mg-Y-Nd系合金析出相的转变机制

稀土镁合金时效的强化作用主要是通过在基面和柱面析出的高体积分数的亚稳相产生强化效果，因此能够理解析出相的形成过程、形成条件与合金成分、时效温度及时间的关系，从而通过控制工艺条件达到控制析出相的体积分数和尺寸大小，最终实现提高其力学性能的目的。

Honma T等【11】对析出相的转变机制和条件作了一定的研究工作，其利用三维原子探针技术根据选区电子衍射花样对Mg-2.1Gd-0.6Y-0.2Zr进行分析得出β"相的原子结构模型，认为β"相的DO19结构与基体的hcp结构类似，β"相的形核过程就是基体hcp结构中的Mg原子被稀土原子周期性的置换取代，因而其晶体结构没有改变，因此β"相与基体完全共格，沉淀析出过程中形核功小，在时效析出序列中优先析出。还有学者应用小角X射线散射技术研究了β"相的形核长大机制，认为β"相在低温时效开始阶段即析出，时效过程中固溶原子的扩散机制为空位扩散和溶质原子扩散，李婷等【12】认为β′相中稀土原子分布在[]方向的4个原子间距与[0001]方向两个原子间距位置，认为β′相不需要单独形核，只需要减少β"相中的稀土原子数目即可形成，并且由β"转变为β′时，沉淀析出相的体积分数增大，能提高析出强化效果。

对于β′相向β1相的转变，目前仍没有统一认识，Apps【13】认为β′相和β1相在时效过程中都是在β"相上形核且一起长大，Gao【14】等通过对Mg-15Gd-0.5Zr合金的研究中发现，β1相在时效阶段形核沉淀析出的过程中没有观察到β"相，因此认为β1的转变与β"没直接关系，而β1与β′的化学成分差别较小，两者的惯习面是半共格关系，界面能较低，β1在β′相上形核无需稀土原子的长程扩散。对β1的结构，Nie【6】的研究结果认为β1的晶格中存在一个子晶格，子晶格的主轴与β1的晶格主轴平行。

对于β1转变为β相的过程现阶段有一定的共识，普遍认为β相由β1转变，两者具有相同的结构和取向关系且β相的晶格常数为β1的三倍。

3、Mg-Y-Nd系合金沉淀强化机制

析出强化主要是通过析出相与位错和孪晶的交互作用实现的，析出相与位错的相互作用机制为Orowan绕过和切过机制，对Mg-Y-Nd系合金来说，前面已经讲到在沉淀析出过程中，第二相粒子与基体会发生由共格向半共格转变，这种变化使得其强化机制也随之发生变化，当析出相与基体共格且粒子尺寸较细小时，位错以切过的方式与第二相粒子发生交互作用；当析出相粒子与基体呈半共格且粒子尺寸较大时位错以绕过机制与粒子发生交互作用。3.1 Mg-Y-Nd合金沉淀析出相与位错的交互作用机制

对Mg-Y-Nd系合金来说，即假设主要的析出强化相β"相和β′相均匀分布于基体中，FU等【15】在对Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.4Zr的时效析出和断裂行为的研究中发现，在200峰时效条件下，大量的β"相和少量的β′析出，β"相较细小，与α-Mg基体共格，在变形过程中交互作用产生的临界切应力能将β"切开，并且在随着基体变形过程中产生的界面能、割阶、应力场等都是其强化因素，主要为沉淀剪切机制。

下面我们论述共格粒子β"相的强化效应，这种强化效应的理论模型由Mott等【16】提出，模型思路是将粒子在基体中由于点阵错配产生的应力场与位错交互作用，粒子相作为错配球在周围基体中造成共格应变场，使基体点阵膨胀的共格粒子与位错受拉的区域相吸引，而使机体点阵压缩的共格粒子与位错受压区相吸引，这样使得位错滑移时要么切过析出相粒子，要么被析出相粒子产生的共格应变场阻碍。而与α-Mg基体呈半共格关系的β′相为沉淀绕过机制，当变形过程位错与之相遇时，位错运动受到阻碍，当外加切应力继续增大时，位错线绕过沉淀相粒子继续运动，围绕着粒子的位错线在两侧相遇时形成包围着沉淀相的位错环，形成的位错环对位错运动的阻力进一步增大，从而进一步强化合金，进一步增加对位错运动的阻碍。对β′相的强化作用机制，已有的模型一般将析出相看成难变形的硬脆相。在Mg-Y-Nd系合金中一般认为析出的三种形貌的β′相沿{10-10}和{11-20}析出，因此认为β′相垂直（0001）面，并且在（0001）面都呈三角形排列。影响析出相强化作用效果的主要因素是：析出相的有效间距、析出相的体积分数、析出相的形态参数。Nie【7】对基面和柱面不同形态析出相的强化作用进行对比，认为基面球状析出相的强化作用大于基面盘状析出相，柱面盘状相对基面滑移的阻碍作用始终大于球状析出相，并且宽厚比A越大，强化效果越显著，当宽厚比A达到105：1时，在柱面产生的位错分量将完全被阻碍，这时理论上产生的临界切应力分量将达到无限大。然而这种柱面析出相对与其不垂直的交滑移或非基面滑移来说，阻碍作用相对减弱。

3.2 Mg-Y-Nd合金沉淀析出相与孪晶的交互作用机制

析出相与孪晶间的相互作用的研究报道较少，Nie【7】用类似析出相对位错滑移的模型推算过不同形貌析出相对{10-12}α孪晶阻碍所导致的CRSS的表达式，ROBSON【17】研究了不同形貌析出相对柱面滑移和基面滑移以及对孪生的阻碍作用，认为在没有孪生的合金中基面的盘状相对位错基面和柱面滑移的阻碍作用小于平行于C轴的杆状相；而在有孪生变形的材料中，为了释放材料中存在的不协调应力，反而基面的盘状相对基面位错的滑移的阻碍作用大于平行于C轴的杆状相。总之，以上所述的文献报道结果均由理想模型推算得出，实际材料的析出强化效果为多种析出相的混合作用，所以不同析出相间以及析出相共同对位错滑移及孪生的作用还不清楚，同时还缺乏实验数据对理论模型的验证。

4、结语

目前Mg-Y-Nd系铸造镁合金作为应用较为成熟的合金，其时效析出序列、析出相的结构及成分、强化机制等都有大量的文献报道，并且在很多方面已基本达成共识，但在析出相的形核机制、不同析出相的转变机制与温度的关系等研究报道的较少，笔者认为以下方向仍是需要重点研究的方面：

（1）将第一性原理与透射电镜实验相结合，论证析出相的组成与结构，析出相的形核机制和相变机制，或许可以在很多问题上取得突破；

（2）时效析出过程中不同亚稳相的形核机制与长大过程，时效析出过程中不同亚稳相的转变机制和模型，决定析出相位向关系与形貌的因素，不同析出相的体积分数与温度、性能的关系等，这些问题的解决将有助于设计出更高性能的合金。

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作者简介

姓名：张涛     性别 ： 男     籍贯： 重庆万州

民族： 汉    出生年月：1991. 12 .17

学位： 硕士    职称：讲师

单位：   重庆机电职业技术大学

研究方向：模具设计与制造 、材料加工工程