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1、毕业设计（论文）外文资料翻译 院（系） 材料与化工学院 专 业 金属材料工程 班 级 080301 姓 名 王宸 学 号 080301138 外文出处Effects of rare-earth elements Gd and Y on the solid solution strengthening of Mg alloys 附件 1.原文；2译文 2012年 5月 6日合金及其化合物杂志标题：稀土元素Gd、Y对镁合金的固溶处理的影响摘要：本研究探讨了My-Gd-Y三元合金和Mg-Gd、Mg-Y二元合金的固溶强化作用。研究发现固溶体中的屈服强度取决于Gd、Y元素的浓度，简化分析后得出在Mg-G
2、d-Y三元相图中可以准确预测出三元的固溶强度。相比于Al与Zn元素，在固溶处理中Gd、Y元素可以对提高强度有更大的作用。此外，原子原始尺寸、模型缺陷系数以及空位效应都可以提高强度。 简介由于镁合金是结构合金中最轻的，它应用有巨大的潜力。然而相对于铝合金，镁合金的延伸率的限制，它的强度还是相对较低。为了改善其机械性能，镁稀土合金得到了极大的关注，因为镁稀土合金无论室温还是更高的温度都有较高的强度及其杰出的抗蠕变能力。在所有镁稀土合金中，Mg-Gd-Y合金是最有希望的新型镁基时效强化合金的候选。通常在镁合金中加入稀土元素提高强度主要依据于两种强化机制，分别是析出硬化和固溶强化。在Mg-Gd-Y合金
3、中结构、沉淀阶段的心态，沉淀顺序都相对容易得到，然而其固溶强化机理到现在还没有解释清楚。前人的工作指明Y元素的加入明显提高了固溶强度相比于Zn、Al元素。本研究意在探索MgGd,、MgY二元固溶合金及MgGdY 三元固溶合金的强度，并且分别研究Gd、Y元素的固溶强度作用，继而预测三元合金的强度，同时也对条件变化对强度的影响进行探索。实验介绍：本研究对于MgGd、MgY二元合金及MgGdY 三元合金进行探索，前期准备了高纯度的Mg(99.97%)、Mg25Gd (wt.%),、Mg25Y (wt.%) ，主要元素通过加入到780C的电阻炉中在抗氧化气体的保护下熔炼。熔体被浇筑到事先加热到2003
4、00C的直径100mm的钢磨具中，其中的化学成分通过电感耦合等离子体发射光谱仪进行分析。对合金进行温度在535540C 时间为1.59 h 的固溶处理，随后放入温度为70C的温水中淬火。实验根据MgGd、MgY二元相图及MgGdY 三元相图计算出第二相最大限度的溶解在镁合金中，从而选出最好的固溶处理条件。拉伸测试于室温下、晶粒度1.0 103s1的情况下拉伸。平面拉伸，使用长度为25mm、横截面为 36mm2的试样，三个试样都进行以上测试，确保所得数据的再现性。硬度测试使用布氏硬度载重500g，持续时间15s，每个试样测试不少于10次。硬度测试与拉伸测试在淬火后数小时内进行。试样在进行机械抛光
5、前，先用5%的硝酸腐蚀，随后进行电镜观察。通过直线截距法，（方程式d=1.74l）测量平均晶粒大小，l通过电镜观察得出。对于每一种合金含有不同的Gd含量电镜观察时镜头内都需包含至少300个晶界。研究结果：对于MgY二元合金的研究已经发表在之前的论文中，总结如下。对于MgY单相屈服强度依赖于浓度，c代表了溶质原子的浓度，n=12或23。然而，实验发现Y元素可以极大的提高固溶强度相比于Zn和Al元素，实验基于同样的原子大小和相同的磨具。为了更好的理解这个现象，本实验设计研究Gd元素在镁合金中对固溶强度的影响。MgGd二元合金的化学成分的分子比和质量比展现于图表1中。这些特殊的合金都被表示为稀释的合
6、金，也就是，在200C时低于Gd在Mg中的最大固溶度大约为 0.61 at.%。进行过饱和的固溶处理，浓度接近相图所表示的最大值4.53 at.%。Mg2.49 at.% Gd 合金铸态及固溶处理后的数据表示在表格1中。选用最佳的固溶温度及时间可以使得间隙化合物在铸态合金中充分溶解于矩阵中。这些与MgGd二元合金相图相吻合，即Gd在温度为535C时的固溶度为4.2 at.%。MgGd二元合金的平均晶粒度大小表示在表格1中。从表格中可以看出不同含量的合金有在晶粒度大小上有着小小的不同。Gd浓度在MgGd固溶体中的变化而引起的硬度的变化展示在图表2中。从中可以看出硬度的增大与Gd浓度的增大成正比。
7、这里得出一个硬度和Gd浓度组成的公式：Hv0.5 (kg mm2) 37+ 14 Gd (at.%)。 （1）表格2和等式（1）表示出一个近似线性的硬度和固溶度的关系( dHv/dc 14 kg mm2/at.% Gd)，这个与之前已经得出MgY合金的公式相似(dHv/dc 13 kg mm2/at.% Y)。表格3a表示每一个合金在室温下的应力应变曲线。尽管弹性极限和极限抗拉强度随着Gd元素的含量的增长而增长，但是延伸率却随之降低。加工硬化出现在所以被研究过的合金中。每个合金的拉伸性能被总结为固溶Gd的作用在表格3b中。从表格2.3中可以发现Mg-Gd单相合金的强度提升是由固溶原子的增加引起
8、的。同时也解释了固溶强度及晶界强度增强的原因。因为根据Mg-Gd二元相图，没有出现沉淀强化。晶粒大小的作用可以根据HallPetch公式计算出。在镁基合金中有一点小小的争议，就是HallPetch中的参数k的大小，它是一个范围：135 MPa m1/2到 1250 MPam1/2，很少的研究关注公式中的k的与公式的关系。因此需要做一些额外的实验，Mg0.49 at.% Gd的合金的融化物浇筑到三个不同的磨的具中，获得不同的冷却速率，试样的晶粒大小从63m到164m不等。通过在室温下测试不同晶粒大小的试样得到的应力应变曲线表示于表格5中。最小晶粒度的试样得到了最大的屈服强度，随着晶粒度的增大导致
9、屈服强度的降低。Mg0.49 at.% Gd合金的屈服强度依赖于晶粒的大小，表示于表格5b中。在最近的研究中，通过实验得出屈服强度与HallPetch公式的关系：屈服强度等于46.5 + 188d1/2，其中0和K分别为46.5 MPa和188 MPa m1/2。，以上被研究的合金都是固溶处理的Mg0.49 at.% Gd合金。纯铝的Hall-Petch公式中的参数k在拉伸测试中得出k=220 MPa m1/2，而对于Mg10Gd2Y0.5Zr (wt.%)合金在浇筑T6及挤压T5的条件下k=135MPa m1/2、k=164MPa m1/2，因此对于Mg0.49 at.% Gd合金而言通过拉
10、伸测试可用得出较为准确的HallPetch公式和其参数，得到的有实验价值的k=188 MPa m1/2，并用于以下所有分析。将固溶强化的作用搁置一边，从表3b中得到的屈服强度已经被纠正过，根据晶粒变化的公式(2),这种方法是有Caceres and Blake提出的。Mg0.93 at.% Gd合金的晶粒尺寸是从图表1中得出的，相关的晶粒尺寸及相应强度从表格3b中得到。剩下的合金极限强度不论增加还是减少都是与 Mg0.93 at.% Gd合金做比较，纠正过的强度划分在表格6中。Fleischer和 Labusch共同认为金属材料中的强度与固溶原子的浓度是有关系的，他们也同时认同以下等式：0.2
11、 = y0+ ZFG3/2Fc1/2或者0.2 = y0+ ZLG4/3Fc2/3。y0是纯镁的屈服应力，G是剪切模量，F和L是结合原子尺寸及非常规的剪切模量得到的参数，c是固溶原子的浓度。两个等式都表达着同一个简单的关系 c的n次。对于现在的MgGd合金存在着这个关系，来自于纠正过的极限强度和固溶原子的浓度的二分之一以及二分之三的能量，这个关系在表格6中。实验发现屈服强度与固溶原子的浓度的二分之一或三分之二的能量成比例。这个发现与MgAl合金的相似，同样也相似于MgY二元合金元金。对于没有固溶原子的纯金属，比如纯镁其实际的屈服强度被推测为19MP和27MPa平均得到纯金属的屈服强度为23MP
12、a，另外的一个得到的结果d/dcn，表示各种条件下的强度比。对于三元合金3.2、MgGdY三元合金的固溶强化作用作为MgGd 和MgY二元合金的固溶强化已经得到了很好的研究，现在试图寻找出三元合金的固溶强化模型。MgGdY三元合金有三种化学成分，在经过固溶处理后得到相应的平均晶粒尺寸展示在表格2中。经过固溶处理后的硬度和拉伸试验结果分别表示在图2和7中。应当注意到，三元合金的硬度数据是Gd、 Y元素在合金中的功能的总和，并且与公式（1）相吻合，如图. 2。在多组分合金的情况下，一些模型已经提出确定的加强效果，由于一些合金元素的溶解。来自于物理假设和数学建模中得到的模型，这些结果有相当大的差异。
13、主要涉及两点：1、不同的溶质原子之间的相互作用，可以导致补充硬化或软化。2、障碍的力量，在不同类型的溶质原子在强或弱的阻碍位错运动的结果。对于三元合金Gd和Y原子有几乎相同的阻碍作用（类似于加强利MgGd 和MgY二元合金的强化率）。假设如果Gd、Y原子在一起没有相互作用，强化作用是由于三元合金中的多元添加合金，它可以通过Gypen and Deruyttere验证。他的方法被发现可以试用用预测固溶合金的屈服强度，用在对镍基合金的商业和实验的一系列验证上。三元合金固溶处理后的强度极限如下：0.2 = pure+ (kGd1/ncGd+ kY1/ncY)n，其中0.2味屈服强度，pure是纯镁的
14、屈服强度。如果以上方法有效，它应该可以被用来预测三元合金的固溶强化作用，根据以前的二元合金强化数据。如图8为计算出的强度与实验得出的强度的对比。为了进一步验证方程5、6的可靠性，这些数据应该还包括先前的硬度数据和经过固溶强化后的三元合金的屈服强度。经过(Hv 10)/0.51纠正后的硬度才是有价值的强度数据。硬度和屈服强度之间的关系是由对二元合金Mg-Gd做实验后得到的。由于每个材料的加工过程不同，导致每个合金的原子尺寸不同，进而导致强度不同，它们根据等式2已经纠正过。对三个合金的研究细节列于表格2中。如图8和表格2，得到了令人满意的预测结果和实验数据在误差的范围内从最低2.9%到最大9.5%
15、。这一发现与其他单晶镁的的固溶强化分析一致。它们之间的现象表明我们能够成功的预测出MgGdY三元合金的固溶强化作用。4、讨论学术界广泛认同，合金的固溶强化提升是由于溶质产生的应力场及位错共同产生的弹性碰撞。Fleischer认为由原子尺寸带来的作用及剪切模量结合的相互作用的参数会对固溶强化的程度产生影响。已知Gd元素的原子直径是0.178nm，大于Mg的0.16nm，超出11.25%。根据公式=2(G1 G)/(G1+G)，算出Gd的G1=21.8GPa，Mg的G=17GPa，=0.247，与事实相符。因此根据 =(2+22)1/2，=16，算出对于n= 2/3的大约为1.78。Y、Gd、Zn
16、、Al的和它们的相应的强化比率总结于图表3。根据经典的固溶体模型，固溶强化比率的顺序应该是Zn AlYGd。然而，实验结果却与之不符。尺寸与modulus misfits可以被当做控制固溶强化的参数，在镁合金中。例如：在相似的测试条件下，在表格3中表示的固溶强化率却有着不同的顺序Y Gd Zn Al.。Suzuki等其他人在550C是做蠕变实验得出Y或Gd对固溶强化有更好的促进作用。根据实验得出Mg-Y固溶合金的蠕变强度是Al、Mn对镁合金作用的三倍之多。根据Miura对Mg1.0 at.% Y单晶做的抗压测试表明加入Y产生基面滑移而产生的固溶强化要远远高于加入Zn。而各向异性引起的应变及各向
17、同性则是Zn比Y多。尽管Y和Gd的高影响力的真正原因还不知道，但是相似的现象在别的体系中也出现过。对于Ni和Ni3Al金属间化合物，Mishima等发现基于原子尺寸及modulus misfits产生的弹性碰撞不能完全解释固溶强化是有过渡金属元素引起的。Tegart和Levine等人认为，对于镁合金中的Cd，In，Ag，Sn等元素，化合价的变化在镁合金的固溶强化中起着重大的作用。因此对于固溶作用的解释不只是考虑到原子尺寸及shear modulus misfits，也要考虑到原子间的电子态。根据典型的弹性碰撞,前面量化讨论的结果用表示，在图2中。后者通过Guo等人的EET分析，分析了Mg-Y和
18、Mg-Al的价电子结构。Mg与Y的键能要总是强于Mg与Al的，因此，Y对固溶强化的作用要远大于Al的。要想深入了解，理论上应该达到第一原理和分子动力学，它们可以用来解释定量的加入稀土元素可以起到强化作用。同时Gd、Y元素在镁合金中提升固溶强化的作用也有空位效应的帮助。计算三元固溶强化，不同固溶原子的交互作用可以不做考虑。然而，这些相互作用却普遍存在固溶体中。在Nb合金中，Mo和Re原子的相互作用可以提升软化。等式6高估了实验价值，Gd、Y原子间的交互作用可以引起补充的软化。相反来自Gd、Zn固溶原子的交互作用引起的附加硬化提升在有Gd-Zn二聚体的Mg1Gd0.4Zn0.2Zr中最近也被发现。
19、通过考虑单一原子A或B和A-B的各自浓度，可以尝试性的使用定量的计算法了解固溶强化。5、 结论本论文探索了稀土元素对镁合金的机械性能的影响，根据Hv0.5 (kg mm) 37+14Gd，随着Gd含量的增加硬度也随之增加。在Mg0.49 at.% Gd中HallPetch公示表示为0.2= 46.5 + 188d-1/2。对晶粒强化作用的纠正后，Mg-Gd二元合金的屈服强度成线性增长。基于Mg-Gd、Mg-Y二元合金的固溶强化的实验结果，可以推测出Mg-Gd-Y三元合金的屈服强度0.2，根据公式：0.2= pure+(kGd1/ ncGd+ kY1/ ncY)n，其中 pure=23MPa，kGd= 683MPa (at.%)1/2或者1168 MPa (at.%)2/3以及kY=737MPa(at.%)1/2或者1249 MPa(at.%)2/3，n = 1/2 or 2/3。与Al、Zn作用的对比，发现Gd、Y有更强的固溶强化作用。除了考虑溶剂和溶质原子的晶粒尺寸和modulus misfits，还极需要考虑空位效应对Gd、Y增强固溶强化作用的影响。.
