鎂合金具有低密度、高比剛度和比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的電磁屏蔽和阻尼減震效果，在航空航天、國防軍工和軌道交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)鎂合金的強(qiáng)度相對較低，嚴(yán)重限制了其工業(yè)化應(yīng)用。研究表明，稀土元素可以顯著改善鎂合金的力學(xué)性能和耐熱性能。目前開發(fā)的高性能稀土鎂合金主要集中在Mg-Gd/Y(-Zn)等重稀土合金，稀土含量較高，導(dǎo)致合金成本和密度增加。Mg-Sm基合金由于成本相對低廉，且輕稀土Sm在鎂中的最大固溶度為5.8 wt.%，可以提供較好的強(qiáng)化效果，近年來受到關(guān)注。變形Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金的室溫屈服強(qiáng)度可以達(dá)到400 MPa以上。除合金成分外，變形工藝（如擠壓比、擠壓溫度和擠壓速率等）也顯著影響合金性能。目前關(guān)于變形工藝對Mg-Sm-Zn-Zr合金微觀組織和力學(xué)性能影響的研究鮮有報(bào)道，具體作用規(guī)律尚不清晰。

        近日，哈爾濱工程大學(xué)、中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所和東京大學(xué)研究人員合作，在相同溫度和擠壓速率下制備了三種不同擠壓比（6.9、10.4和17.6）的Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金，分別命名為ER6.9、ER10.4和ER17.6，利用TEM等先進(jìn)表征手段分別對三種合金的微觀組織進(jìn)行詳細(xì)觀察，并對合金的拉伸性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，隨著擠壓比的增大，合金中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸均逐漸增大，同時(shí)基面織構(gòu)逐漸弱化，室溫拉伸強(qiáng)度逐漸降低，但塑性明顯提高。ER6.9和ER17.6合金的室溫屈服強(qiáng)度分別為340 MPa和202 MPa，斷裂伸長率分別為12.1%和29.7%。由此可見，通過控制擠壓工藝可以有效調(diào)控合金的力學(xué)特性，以滿足不同服役條件的力學(xué)性能需求。

        對比研究了ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的微觀組織，如圖1所示，在ER6.9和ER10.4合金中均觀察到尺寸較小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒和粗大的未再結(jié)晶區(qū)，未再結(jié)晶區(qū)體積分?jǐn)?shù)分別為16.3%和10.7%，再結(jié)晶晶粒平均尺寸分別為1.48 mm和1.86 mm；而ER17.6合金發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸為4.19 mm。這表明隨著擠壓比增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)及其平均晶粒尺寸均逐漸增加，這主要?dú)w結(jié)于大擠壓比在擠壓過程中產(chǎn)生較大形變熱。另外，在三種合金中均觀察到平行于擠壓方向、呈帶狀分布的破碎第二相及彌散分布在再結(jié)晶區(qū)的小尺寸動(dòng)態(tài)析出相。

圖1 不同擠壓比合金的OM、SEM及再結(jié)晶晶粒尺寸分布圖，（a-a2）、（b-b2）、（c-c2）分別對應(yīng)ER6.9、ER10.4、ER17.6合金

        利用TEM對三種合金中的第二相進(jìn)行詳細(xì)表征，ER6.9合金中的第二相主要為Mg3Sm相，在ER10.4和ER17.6合金中除Mg3Sm相外，還觀察到明顯的Mg41Sm5相（如圖2b和圖2c中的D和F區(qū)域），相應(yīng)的EDS面掃結(jié)果證明這三種不同擠壓比合金中的Mg3Sm相均有明顯的Zn元素富集。這表明在該合金體系中Zn富集的Mg3Sm相是亞穩(wěn)相，在擠壓比較大時(shí)部分轉(zhuǎn)變?yōu)镸g41Sm5相，這是因?yàn)檩^大擠壓比的變形過程加快了傳質(zhì)速率，從而促使相轉(zhuǎn)變發(fā)生。如圖3所示，在ER10.4合金的Mg41Sm5相表面觀察到隨機(jī)分布的納米顆粒相，通過HR-TEM和相應(yīng)的FFT分析，標(biāo)定其為簡單正交結(jié)構(gòu)的SmZn3相（a=0.669 nm，b=0.4405 nm，c=1.011nm），并與Mg41Sm5相具有確定的位向關(guān)系。這是由于在Zn元素富集的Mg3Sm相轉(zhuǎn)變?yōu)镸g41Sm5相的過程中，過剩的Sm和Zn元素聚集導(dǎo)致的，在相應(yīng)的EDS面掃圖中可以觀察到Sm和Zn元素在顆粒相中明顯富集，很好地支持了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2不同擠壓比合金的HAADF-STEM、SAED和EDS面掃圖，（a-a3）、（b-b3）、（c-c3）分別對應(yīng)ER6.9、ER10.4、ER17.6合金

圖3 ER10.4合金的TEM、HAADF-STEM、HR-TEM、FFT和EDS面掃圖

        進(jìn)一步研究了擠壓比對合金拉伸性能的影響，結(jié)果如圖4所示。ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的室溫屈服強(qiáng)度分別為340 MPa、288 MPa和202 MPa，斷裂伸長率分別為12.1%、17.8%和29.7%。由此可見，隨著擠壓比的增大，合金屈服強(qiáng)度逐漸降低，但塑性明顯提高。這是因?yàn)殡S著擠壓比增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸逐漸增大，晶界強(qiáng)化效果減弱；合金中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨擠壓比增大，基面織構(gòu)弱化，從而導(dǎo)致織構(gòu)強(qiáng)化效果減弱；擠壓比增大導(dǎo)致的織構(gòu)弱化和再結(jié)晶晶粒長大有利于提高加工硬化，從而改善塑性。如表1所示，ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的硬化能力（Hc）分別為0.039、0.143和0.429。

圖4 不同擠壓比合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 合金的拉伸性能及硬化能力

        綜上所述，本文系統(tǒng)研究了擠壓比對Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，擠壓比對合金的微觀組織和力學(xué)性能起關(guān)鍵作用，可以通過控制擠壓比有效調(diào)控合金微觀組織，進(jìn)而優(yōu)化合金性能。這為開發(fā)中低稀土含量高性能鎂合金提供了新的思路。