Y和Ce添加對(duì)Mg-Li-Zn合金微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能影響的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)程中，輕量化合金材料因其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。鎂鋰合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度僅為鋁合金的一半，展現(xiàn)出了低密度、高比剛度和比強(qiáng)度的特性，同時(shí)還具備良好的電磁屏蔽和減震性能。這些優(yōu)異的性能使得鎂鋰合金在航空航天、3C產(chǎn)品及醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，成為了近年來材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。Mg-Li-Zn合金作為鎂鋰合金體系中的重要一員，在綜合性能方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，近年來受到了廣泛關(guān)注。通過合理調(diào)整Zn元素的含量，可以在一定程度上改善合金的力學(xué)性能，使其在一些特定領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而，Mg-Li-Zn合金在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。其絕對(duì)強(qiáng)度相對(duì)較低，難以滿足一些對(duì)強(qiáng)度要求苛刻的工程應(yīng)用場(chǎng)景。在耐蝕性方面也存在不足，這限制了其在潮濕、腐蝕環(huán)境下的使用范圍。此外，合金的生產(chǎn)成本較高，也在一定程度上阻礙了其大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。為了克服Mg-Li-Zn合金的上述缺點(diǎn)，研究人員嘗試通過添加合金元素來優(yōu)化其性能。稀土元素由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，在改善合金性能方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。其中，釔（Y）和鈰（Ce）作為稀土元素中的重要成員，在鎂合金領(lǐng)域的研究中受到了廣泛關(guān)注。Y元素具有較高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性，其添加可以與合金中的其他元素形成細(xì)小的化合物，這些化合物能夠作為非均勻形核的核心，從而顯著細(xì)化合金的晶粒，使合金的組織更加均勻。同時(shí)，Y元素還能與合金中的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成高硬度的化合物，有效提高合金的硬度、拉伸強(qiáng)度和延展性。有研究表明，在Mg-Al-Si合金中添加Y元素，合金的硬度和拉伸強(qiáng)度得到了顯著提高，同時(shí)延展性也有所改善，這為提高M(jìn)g-Li-Zn合金的力學(xué)性能提供了新的思路。Ce元素在鎂合金中具有顯著的凈化作用，能有效去除熔體中的雜質(zhì)和氣體，從而改善合金組織的純度和致密度。添加Ce元素可以細(xì)化合金的晶粒，使晶粒更加細(xì)小且分布均勻，進(jìn)而提高合金的強(qiáng)度和硬度。Ce元素的加入還能改善合金的韌性和抗沖擊性，提高合金的耐熱性和抗腐蝕性。在Mg-Zn合金中添加Ce元素后，合金的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度都得到了明顯提高，同時(shí)合金的塑性也有所改善。基于以上研究背景，深入探究Y和Ce元素對(duì)Mg-Li-Zn合金顯微組織與力學(xué)性能的影響具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論層面來看，研究Y和Ce元素在Mg-Li-Zn合金中的作用機(jī)制，有助于深入理解合金化過程中元素間的相互作用以及微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，豐富和完善合金材料的基礎(chǔ)理論體系。通過研究不同含量的Y和Ce元素對(duì)Mg-Li-Zn合金的微觀組織如晶粒尺寸、相分布和形態(tài)等的影響，可以揭示微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為高性能合金材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過優(yōu)化Y和Ce元素的添加量，有望開發(fā)出具有更高強(qiáng)度、更好耐蝕性和綜合性能的新型Mg-Li-Zn合金材料。這將有效推動(dòng)鎂鋰合金在航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，滿足這些領(lǐng)域?qū)p量化、高性能材料的迫切需求。在航空航天領(lǐng)域，使用高性能的Mg-Li-Zn合金可以減輕飛行器的重量，提高飛行性能和燃油效率；在汽車制造領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的輕量化，降低能耗和排放，提高汽車的安全性和操控性；在電子設(shè)備領(lǐng)域，可以使產(chǎn)品更加輕薄便攜，同時(shí)提高產(chǎn)品的性能和可靠性。對(duì)推動(dòng)合金應(yīng)用和發(fā)展材料科學(xué)的意義。1.2Mg-Li-Zn合金概述1.2.1Mg-Li-Zn合金基本特性Mg-Li-Zn合金作為鎂鋰合金體系中的重要分支，具有一系列獨(dú)特而優(yōu)異的基本特性，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。密度低是Mg-Li-Zn合金最為突出的特性之一。鎂和鋰本身都是密度較低的金屬，鎂的密度約為1.74g/cm3，鋰的密度更是低至0.534g/cm3。在Mg-Li-Zn合金中，隨著鋰含量的增加，合金的密度顯著降低，其密度范圍通常在1.3-1.6g/cm3之間，僅為鋁合金密度的一半左右。這種低密度特性使得Mg-Li-Zn合金成為航空航天、汽車制造等對(duì)重量敏感領(lǐng)域的理想材料選擇。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的重量每減輕1kg，就可能在其使用壽命內(nèi)節(jié)省大量的燃料消耗，同時(shí)提高飛行性能和有效載荷能力。使用Mg-Li-Zn合金制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等，可以顯著減輕飛機(jī)的重量，從而提高燃油效率，降低運(yùn)營成本，提升飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和飛行速度。在汽車制造領(lǐng)域，采用Mg-Li-Zn合金制造汽車零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、車身框架、輪轂等，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的輕量化，降低能耗和排放，提高汽車的加速性能和操控穩(wěn)定性，同時(shí)減少制動(dòng)距離，提高汽車的安全性。比強(qiáng)度高是Mg-Li-Zn合金的另一大優(yōu)勢(shì)。比強(qiáng)度是材料的強(qiáng)度與密度之比，它綜合考慮了材料的強(qiáng)度和重量因素。Mg-Li-Zn合金在具有低密度的同時(shí)，還具備較高的強(qiáng)度。通過合理調(diào)整合金成分和加工工藝，可以使Mg-Li-Zn合金的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。研究表明，通過添加適量的Zn元素，并采用合適的熱處理工藝，Mg-Li-Zn合金的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到200-300MPa，屈服強(qiáng)度也能達(dá)到100-200MPa左右。與傳統(tǒng)的鋁合金和鋼鐵材料相比，Mg-Li-Zn合金在相同強(qiáng)度水平下，其比強(qiáng)度更高。這使得Mg-Li-Zn合金在承受相同載荷的情況下，能夠使用更輕的材料，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于飛行器的結(jié)構(gòu)部件，如機(jī)翼、機(jī)身大梁等，需要材料具備較高的比強(qiáng)度，以保證在減輕重量的同時(shí)，能夠承受飛行過程中的各種復(fù)雜載荷。Mg-Li-Zn合金的高比強(qiáng)度特性使其能夠滿足這些要求，為航空航天結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造提供了新的選擇。在汽車制造領(lǐng)域，對(duì)于汽車的懸掛系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等部件，也需要材料具備較高的比強(qiáng)度，以提高汽車的性能和可靠性。Mg-Li-Zn合金的應(yīng)用可以使這些部件在減輕重量的同時(shí)，保持良好的力學(xué)性能，提高汽車的操控性和舒適性。加工性能好也是Mg-Li-Zn合金的重要特性之一。與其他一些鎂合金相比，Mg-Li-Zn合金具有較好的塑性和可加工性。這是因?yàn)殇囋氐募尤敫淖兞随V合金的晶體結(jié)構(gòu)，使其晶體結(jié)構(gòu)更加接近面心立方結(jié)構(gòu)，從而提高了合金的塑性變形能力。Mg-Li-Zn合金可以通過鑄造、鍛造、軋制、擠壓等多種加工工藝進(jìn)行成型加工。在鑄造方面，Mg-Li-Zn合金具有良好的流動(dòng)性和填充性，能夠制造出形狀復(fù)雜、尺寸精度高的鑄件。在鍛造和軋制方面，Mg-Li-Zn合金可以在較低的溫度下進(jìn)行加工，并且具有較高的加工速度和加工效率。在擠壓方面，Mg-Li-Zn合金可以通過擠壓工藝制造出各種形狀的型材和管材。良好的加工性能使得Mg-Li-Zn合金能夠滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧铣尚偷男枨?，為其大?guī)模應(yīng)用提供了便利條件。在3C產(chǎn)品領(lǐng)域，對(duì)于電子設(shè)備的外殼、內(nèi)部結(jié)構(gòu)件等，需要材料具備良好的加工性能，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕薄化和小型化。Mg-Li-Zn合金可以通過壓鑄、沖壓等加工工藝，制造出高精度、薄壁的零部件，滿足3C產(chǎn)品對(duì)材料的要求。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，對(duì)于一些手術(shù)器械、植入物等，需要材料具備良好的加工性能和生物相容性。Mg-Li-Zn合金可以通過精密加工工藝，制造出符合醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，為醫(yī)療器械的發(fā)展提供了新的材料選擇。除了上述特性外，Mg-Li-Zn合金還具有良好的電磁屏蔽性能、減震性能和生物相容性等。在電子設(shè)備領(lǐng)域，Mg-Li-Zn合金可以用于制造電子設(shè)備的外殼和屏蔽罩，有效屏蔽電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，提高電子設(shè)備的性能和可靠性。在汽車和航空航天領(lǐng)域，Mg-Li-Zn合金的減震性能可以有效減少設(shè)備在運(yùn)行過程中的振動(dòng)和噪聲，提高設(shè)備的舒適性和穩(wěn)定性。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，Mg-Li-Zn合金的生物相容性使其有望成為一種新型的生物醫(yī)用材料，用于制造植入物和醫(yī)療器械，促進(jìn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。1.2.2現(xiàn)有研究進(jìn)展與不足近年來，隨著對(duì)輕量化材料需求的不斷增加，Mg-Li-Zn合金作為一種具有潛力的輕質(zhì)合金，受到了廣泛的研究關(guān)注，在多個(gè)方面取得了一定的研究進(jìn)展。在合金成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，研究人員通過調(diào)整Mg、Li、Zn元素的比例，以及添加其他微量元素，如Al、Mn、Ca等，來改善合金的性能。研究發(fā)現(xiàn)，適量增加Li含量可以進(jìn)一步降低合金密度，提高合金的塑性，但過高的Li含量會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降。而Zn元素的加入能夠通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，提高合金的強(qiáng)度和硬度。添加Al元素可以形成Mg17Al12相，增強(qiáng)合金的強(qiáng)度；添加Mn元素可以提高合金的耐蝕性；添加Ca元素可以細(xì)化合金晶粒，改善合金的高溫性能。通過合理的成分設(shè)計(jì)，已經(jīng)開發(fā)出了多種具有不同性能特點(diǎn)的Mg-Li-Zn合金體系，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。在制備工藝研究方面，目前已經(jīng)發(fā)展了多種適用于Mg-Li-Zn合金的制備方法，包括傳統(tǒng)的鑄造工藝（如砂型鑄造、金屬型鑄造、壓鑄等）和先進(jìn)的塑性加工工藝（如擠壓、軋制、鍛造等），以及新興的增材制造工藝（如3D打?。?。傳統(tǒng)鑄造工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠制造出形狀復(fù)雜的零件，但鑄造過程中容易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷，影響合金的性能。塑性加工工藝可以顯著改善合金的組織和性能，提高合金的強(qiáng)度和塑性，但加工過程中需要較大的加工力，對(duì)設(shè)備要求較高。增材制造工藝則具有高度的設(shè)計(jì)自由度和個(gè)性化制造能力，能夠制造出復(fù)雜形狀的零部件，但目前還存在成型精度低、生產(chǎn)效率低、成本高等問題。不同的制備工藝對(duì)Mg-Li-Zn合金的組織和性能有著顯著的影響，研究人員通過優(yōu)化制備工藝參數(shù)，如熔煉溫度、澆注溫度、加工溫度、加工速度等，來獲得更好的合金性能。在微觀組織與性能關(guān)系研究方面，眾多研究聚焦于Mg-Li-Zn合金的微觀組織特征，如晶粒尺寸、相組成、相分布等對(duì)其力學(xué)性能、耐蝕性、耐熱性等的影響。研究表明，細(xì)化晶?？梢燥@著提高合金的強(qiáng)度和塑性，通過添加微量元素或采用合適的加工工藝，可以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。合金中的相組成和相分布也對(duì)性能有著重要影響，例如，Mg-Li-Zn合金中的第二相（如MgZn相、Mg2Zn11相等）可以通過彌散強(qiáng)化作用提高合金的強(qiáng)度，但如果第二相分布不均勻或尺寸過大，會(huì)降低合金的塑性和韌性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，合金的織構(gòu)對(duì)其性能也有一定的影響，通過控制織構(gòu)可以改善合金的各向異性性能。然而，盡管在Mg-Li-Zn合金的研究方面已經(jīng)取得了上述進(jìn)展，但在添加Y和Ce元素后微觀組織和力學(xué)性能變化機(jī)制研究方面仍存在明顯不足。在微觀組織演變機(jī)制方面，雖然已經(jīng)觀察到Y(jié)和Ce元素的添加會(huì)使合金的晶粒細(xì)化，相分布發(fā)生改變，但對(duì)于其具體的作用過程和微觀機(jī)制尚未完全明確。Y和Ce元素與合金中的其他元素如何相互作用，形成何種化合物，這些化合物在結(jié)晶過程中如何作為異質(zhì)形核核心促進(jìn)晶粒細(xì)化，以及它們?nèi)绾斡绊懴嗟纳L和分布等問題，還需要進(jìn)一步深入研究。在力學(xué)性能強(qiáng)化機(jī)制方面，雖然知道Y和Ce元素的加入可以提高合金的強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能，但對(duì)于其強(qiáng)化的具體方式和貢獻(xiàn)比例還缺乏系統(tǒng)的研究。Y和Ce元素形成的化合物如何阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的抗變形能力，以及它們對(duì)合金的加工硬化行為、斷裂機(jī)制等方面的影響，還需要通過更多的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來深入探討。在耐蝕性和耐熱性等其他性能方面，雖然有研究表明Y和Ce元素的添加可以改善合金的耐蝕性和耐熱性，但對(duì)于其改善的微觀機(jī)制和影響因素也研究較少。Y和Ce元素如何影響合金表面氧化膜的形成和結(jié)構(gòu)，從而提高合金的耐蝕性，以及它們?nèi)绾翁岣吆辖鸬母邷胤€(wěn)定性和抗蠕變性能等問題，還需要進(jìn)一步的研究來揭示。1.3Y和Ce元素在合金中的作用基礎(chǔ)在合金化過程中，Y和Ce元素展現(xiàn)出多種獨(dú)特且關(guān)鍵的作用，這些作用對(duì)于優(yōu)化合金的性能至關(guān)重要。細(xì)化晶粒是Y和Ce元素在合金中發(fā)揮的重要作用之一。Y元素能夠與合金中的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成細(xì)小且彌散分布的化合物。這些化合物在合金凝固過程中可作為非均勻形核的核心，吸引周圍的原子在其表面聚集，從而增加了形核的數(shù)量。大量的形核點(diǎn)使得晶粒在生長過程中相互限制，難以長大，進(jìn)而使合金的晶粒得到顯著細(xì)化。在一些鎂合金體系中，添加Y元素后，合金的晶粒尺寸明顯減小，從原本的較大尺寸細(xì)化到微米甚至亞微米級(jí)別，這種細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)為合金性能的提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。Ce元素同樣具有細(xì)化晶粒的作用。Ce元素在合金熔體中能夠降低原子的擴(kuò)散速率，抑制晶粒的生長。在合金凝固過程中，Ce元素的存在使得原子的遷移變得困難，晶粒的長大受到阻礙，從而獲得細(xì)小的晶粒組織。Ce元素還可以與合金中的雜質(zhì)元素結(jié)合，形成高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物在熔體中起到異質(zhì)形核的作用，進(jìn)一步促進(jìn)晶粒的細(xì)化。在Mg-Zn合金中添加Ce元素后，合金的晶粒明顯細(xì)化，組織更加均勻，這使得合金的力學(xué)性能得到了顯著提高。形成強(qiáng)化相是Y和Ce元素對(duì)合金性能提升的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)。Y元素與合金中的某些元素結(jié)合，能夠形成高硬度、高熔點(diǎn)的強(qiáng)化相。這些強(qiáng)化相在合金基體中彌散分布，如同在基體中構(gòu)建了一個(gè)堅(jiān)固的骨架，有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)需要繞過這些強(qiáng)化相才能繼續(xù)滑移，這就增加了合金的變形抗力，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。在Mg-Al合金中添加Y元素后，形成了Y-Al化合物，這些化合物均勻地分布在合金基體中，顯著提高了合金的強(qiáng)度和硬度。Ce元素也能與合金中的其他元素形成強(qiáng)化相。例如，Ce與Mg、Zn等元素形成的化合物，具有較高的穩(wěn)定性和硬度。這些強(qiáng)化相在合金中起到彌散強(qiáng)化的作用，提高了合金的力學(xué)性能。Ce元素形成的強(qiáng)化相還可以改善合金的耐熱性。在高溫環(huán)境下，這些強(qiáng)化相能夠有效地阻礙晶界的滑移和位錯(cuò)的攀移，使合金保持較好的力學(xué)性能，從而提高了合金的高溫穩(wěn)定性和抗蠕變性能。在一些高溫合金中，添加Ce元素后，合金在高溫下的強(qiáng)度和抗蠕變性能得到了明顯提升。凈化晶界是Y和Ce元素在合金中的又一重要作用。在合金熔煉過程中，不可避免地會(huì)引入一些雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素往往會(huì)在晶界處偏聚，降低晶界的結(jié)合強(qiáng)度，從而影響合金的性能。Y元素具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠與合金中的雜質(zhì)元素如S、P等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物。這些化合物通常不溶于合金基體，會(huì)從熔體中析出，從而有效地去除了合金中的雜質(zhì)，凈化了晶界。在一些鋼鐵合金中，添加Y元素后，合金中的S、P等雜質(zhì)含量明顯降低，晶界的純凈度得到提高，合金的韌性和耐蝕性得到了顯著改善。Ce元素在凈化晶界方面也發(fā)揮著重要作用。Ce元素可以與晶界處的雜質(zhì)元素結(jié)合，形成高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物在晶界處起到釘扎作用，阻礙了晶界的遷移和滑動(dòng)。這不僅提高了晶界的穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了晶界的結(jié)合強(qiáng)度，使得合金在受力時(shí)晶界不易開裂，從而提高了合金的力學(xué)性能和耐蝕性。在鎂合金中添加Ce元素后，晶界處的雜質(zhì)被有效去除，晶界的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提高，合金的耐蝕性和力學(xué)性能都有了明顯的提升。Y和Ce元素在合金中通過細(xì)化晶粒、形成強(qiáng)化相和凈化晶界等多種作用機(jī)制，有效地改善了合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能。這些作用為深入研究Y和Ce元素對(duì)Mg-Li-Zn合金顯微組織與力學(xué)性能的影響提供了重要的理論基礎(chǔ)，也為通過合金化手段開發(fā)高性能合金材料提供了有力的支持。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)選用的原材料包括純度為99.9%的純Mg、純度為99.5%的Li、純度為99.9%的Zn，以及純度為99.0%的Y和Ce。選擇這些高純度的原材料，主要是為了減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，確保能夠準(zhǔn)確地研究Y和Ce元素對(duì)Mg-Li-Zn合金顯微組織與力學(xué)性能的影響。在合金制備過程中，雜質(zhì)元素可能會(huì)與合金中的主要元素發(fā)生反應(yīng)，形成一些不期望的化合物，或者影響合金元素的固溶度和擴(kuò)散行為，從而改變合金的微觀組織和性能。而使用高純度的原材料，可以降低這種不確定性，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具可靠性和可重復(fù)性。對(duì)于純Mg，其高純度保證了在合金熔煉過程中，能夠?yàn)楹辖鹛峁┘儍舻逆V基體，避免因雜質(zhì)的存在而影響合金的基本性能。Mg作為合金的主要成分，其純度直接關(guān)系到合金的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg中含有較多雜質(zhì)時(shí)，合金的耐蝕性會(huì)顯著下降，因?yàn)殡s質(zhì)可能會(huì)在合金表面形成微電池，加速腐蝕過程。同時(shí)，雜質(zhì)還可能影響合金的晶粒生長和晶界特性，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。Li的純度同樣對(duì)合金性能有著重要影響。Li是降低合金密度、提高合金塑性的關(guān)鍵元素，其純度的高低直接關(guān)系到Li在合金中的作用效果。如果Li中雜質(zhì)含量過高，可能會(huì)導(dǎo)致Li在合金中的分布不均勻，無法充分發(fā)揮其降低密度和提高塑性的作用。雜質(zhì)還可能與Li發(fā)生反應(yīng)，形成一些不利于合金性能的化合物，降低合金的強(qiáng)度和韌性。Zn作為合金中的重要強(qiáng)化元素，其純度的保證對(duì)于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的強(qiáng)化效果至關(guān)重要。高純度的Zn能夠在合金中均勻分布，通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等機(jī)制，有效地提高合金的強(qiáng)度和硬度。若Zn中存在雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會(huì)阻礙Zn在合金中的擴(kuò)散和析出過程，影響強(qiáng)化相的形成和分布，從而降低合金的強(qiáng)化效果。Y和Ce作為本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究的合金化元素，其純度的高低直接影響到它們?cè)诤辖鹬械淖饔脵C(jī)制和效果。高純度的Y和Ce能夠確保它們與合金中的其他元素充分反應(yīng)，形成預(yù)期的化合物和微觀結(jié)構(gòu)，從而準(zhǔn)確地研究它們對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。如果Y和Ce中含有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會(huì)干擾Y和Ce與其他元素的反應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，無法準(zhǔn)確揭示Y和Ce元素在合金中的作用規(guī)律。在原材料的形態(tài)方面，純Mg、Li、Zn均采用塊狀形態(tài)，這種形態(tài)便于稱量和加入到熔煉爐中，能夠準(zhǔn)確控制各元素的加入量，保證合金成分的準(zhǔn)確性。而Y和Ce由于其熔點(diǎn)較高、在合金中固溶度較低且密度較大，為了確保它們?cè)诤辖鹬械木鶆蚍植?，減少元素的偏析和沉淀，采用Mg-Y和Mg-Ce中間合金的形式加入。Mg-Y和Mg-Ce中間合金是通過特殊的熔煉工藝制備而成，其中Y和Ce元素已經(jīng)均勻地溶解在Mg基體中。在合金熔煉過程中，將Mg-Y和Mg-Ce中間合金加入到Mg-Li-Zn合金液中，隨著溫度的升高和攪拌的進(jìn)行，Y和Ce元素能夠逐漸擴(kuò)散到整個(gè)合金液中，實(shí)現(xiàn)與其他元素的均勻混合，從而更好地發(fā)揮它們對(duì)合金性能的改善作用。2.2合金制備過程合金制備過程采用電阻爐熔煉法，這是一種在材料制備領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且成熟的熔煉方法，具有加熱均勻、溫度控制精確等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)合金熔煉的要求。首先，將電阻爐升溫至750-780℃，這個(gè)溫度范圍是經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)和相關(guān)研究確定的，能夠確保原材料充分熔化且避免合金元素的過度燒損。當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后，先將塊狀的純Mg加入到石墨坩堝中。Mg的熔點(diǎn)相對(duì)較高，先加入Mg可以使其有足夠的時(shí)間在高溫下完全熔化，為后續(xù)其他元素的加入提供均勻的液態(tài)基體。待純Mg完全熔化后，將Li以小塊狀分批緩慢加入。Li的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，且密度比Mg小，分批緩慢加入可以使其更好地融入Mg液中，減少Li在加入過程中與空氣接觸的時(shí)間，降低Li的氧化燒損。在加入Li的過程中，持續(xù)進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在150-200r/min。攪拌的目的是促進(jìn)Li在Mg液中的擴(kuò)散和均勻分布，使兩種元素能夠充分混合，形成均勻的合金液。攪拌采用石墨攪拌棒，石墨具有良好的耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性，不會(huì)與合金液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而保證合金的純度和性能。隨后，將Zn加入到合金液中。Zn在合金中起到強(qiáng)化作用，其加入量和加入方式會(huì)影響合金的性能。加入Zn后，繼續(xù)攪拌15-20min，進(jìn)一步確保Zn在合金液中的均勻分布，使Zn能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)化作用。在加入Zn并攪拌一段時(shí)間后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將一定比例的Mg-Y和Mg-Ce中間合金加入到合金液中。Mg-Y和Mg-Ce中間合金中Y和Ce元素已經(jīng)均勻地溶解在Mg基體中，通過加入中間合金的方式，可以保證Y和Ce元素在合金中的均勻分布，減少元素的偏析和沉淀。在加入中間合金時(shí)，同樣需要緩慢加入，并適當(dāng)提高攪拌速度至200-250r/min，以促進(jìn)Y和Ce元素在合金液中的擴(kuò)散和均勻混合。待所有元素加入并攪拌均勻后，將合金液在720-750℃下保溫30-40min。保溫的目的是使合金液中的各種元素充分?jǐn)U散和反應(yīng)，消除成分偏析，進(jìn)一步均勻化合金成分，提高合金的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。保溫結(jié)束后，將精煉劑加入到合金液中進(jìn)行精煉處理，精煉劑的加入量為合金液質(zhì)量的0.5%-1.0%。精煉劑能夠去除合金液中的氣體和雜質(zhì)，如氫氣、氧化物和硫化物等，這些氣體和雜質(zhì)會(huì)影響合金的性能，如降低合金的強(qiáng)度、韌性和耐蝕性等。精煉時(shí)間為10-15min，在精煉過程中，通過攪拌使精煉劑與合金液充分接觸，提高精煉效果。精煉結(jié)束后，靜置5-10min，使精煉過程中產(chǎn)生的熔渣上浮到合金液表面，便于后續(xù)去除。最后，將精煉后的合金液澆鑄到預(yù)熱至200-250℃的金屬型模具中。金屬型模具具有良好的導(dǎo)熱性，能夠使合金液快速冷卻凝固，從而獲得細(xì)小的晶粒組織，提高合金的力學(xué)性能。預(yù)熱模具可以減少合金液與模具之間的溫差，降低鑄件產(chǎn)生裂紋和缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。澆鑄過程中，控制澆鑄速度，避免合金液出現(xiàn)紊流和卷氣現(xiàn)象。澆鑄完成后，讓鑄件在模具中自然冷卻至室溫，得到Mg-Li-Zn合金及添加不同含量Y、Ce的合金鑄錠。2.3微觀組織分析手段2.3.1金相顯微鏡觀察金相顯微鏡觀察是研究合金微觀組織的基礎(chǔ)方法，在本實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。首先進(jìn)行樣品制備，從鑄錠上切割尺寸為10mm×10mm×5mm的小塊作為金相試樣。切割過程中，使用低速切割機(jī)并添加適量的冷卻液，以避免切割過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)樣品微觀組織造成影響，確保樣品的原始組織狀態(tài)得以保留。切割后的試樣依次在不同粒度的金相砂紙上進(jìn)行打磨，從80目粗砂紙開始，去除切割過程中產(chǎn)生的表面損傷層和較大的劃痕。隨著砂紙粒度的逐漸增加，如180目、320目、600目、800目、1200目等，逐步減小打磨劃痕，使試樣表面更加平整光滑，為后續(xù)的拋光和腐蝕處理提供良好的基礎(chǔ)。打磨時(shí)，要注意保持試樣的受力均勻，避免出現(xiàn)局部打磨過度或打磨不足的情況。打磨完成后，對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，使用金剛石拋光膏和拋光布在拋光機(jī)上進(jìn)行操作。拋光過程中，調(diào)整拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓力，一般轉(zhuǎn)速控制在150-200r/min，壓力適中，以確保試樣表面能夠均勻地被拋光。拋光時(shí)間根據(jù)試樣的具體情況而定，通常為10-15min，直到試樣表面呈現(xiàn)出鏡面光澤，無明顯劃痕為止。拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕處理，以顯示出其微觀組織特征。針對(duì)Mg-Li-Zn合金，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液作為腐蝕劑。將拋光后的試樣浸入腐蝕劑中，腐蝕時(shí)間控制在10-30s，時(shí)間過短可能無法清晰顯示組織，時(shí)間過長則可能導(dǎo)致過度腐蝕，破壞組織特征。腐蝕過程中，要密切觀察試樣表面的變化，當(dāng)表面出現(xiàn)一層薄薄的腐蝕膜時(shí)，迅速取出試樣，用清水沖洗干凈，然后用無水酒精沖洗并吹干，以防止腐蝕繼續(xù)進(jìn)行。將處理好的金相試樣放置在金相顯微鏡的載物臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距和光圈，選擇合適的放大倍數(shù)進(jìn)行觀察。在低倍放大倍數(shù)（如50倍、100倍）下，首先觀察合金的整體組織形態(tài)，包括晶粒的大小分布情況，是否存在明顯的組織不均勻性，如偏析區(qū)域或粗大晶粒聚集區(qū)域。然后，切換到高倍放大倍數(shù)（如400倍、500倍、1000倍），更細(xì)致地觀察晶粒的形狀，是等軸晶還是柱狀晶，以及晶界的清晰程度和特征，晶界是否存在雜質(zhì)或析出相的偏聚。利用金相顯微鏡配備的圖像采集系統(tǒng)，拍攝不同放大倍數(shù)下的金相組織照片，為后續(xù)的分析提供直觀的圖像資料。對(duì)拍攝的金相照片進(jìn)行分析，使用圖像分析軟件（如Image-ProPlus）測(cè)量晶粒的平均尺寸，統(tǒng)計(jì)不同尺寸范圍的晶粒數(shù)量，計(jì)算晶粒的尺寸分布頻率，分析晶粒的形狀因子等參數(shù)，以定量地描述合金的晶粒特征。通過金相顯微鏡觀察，可以直觀地了解合金的晶粒大小、形狀和分布情況，為深入分析Y和Ce元素對(duì)合金微觀組織的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和直觀依據(jù)。2.3.2掃描電子顯微鏡（SEM）與能譜分析（EDS）掃描電子顯微鏡（SEM）與能譜分析（EDS）是深入研究合金微觀組織和成分分布的重要手段，在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)于揭示Y和Ce元素對(duì)Mg-Li-Zn合金微觀結(jié)構(gòu)和相組成的影響具有關(guān)鍵作用。SEM的工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)高能電子束轟擊樣品表面時(shí)，會(huì)激發(fā)樣品產(chǎn)生多種信號(hào)，其中二次電子和背散射電子是用于觀察微觀組織細(xì)節(jié)的主要信號(hào)。二次電子是被入射電子轟擊出來的樣品核外電子，其產(chǎn)生范圍在樣品表面5-50nm的區(qū)域，能量較低，約50eV。二次電子對(duì)樣品表面的形貌變化非常敏感，能夠提供高分辨率的表面形貌圖像，清晰地顯示出樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒的邊界、晶界處的析出相、位錯(cuò)等。背散射電子是被固體樣品中原子反射回來的一部分入射電子，產(chǎn)生范圍在100nm-1μm深度，能量較高，小于和等于入射電子能量E0。背散射電子的產(chǎn)率與樣品中原子的原子序數(shù)有關(guān)，原子序數(shù)越大，背散射電子產(chǎn)率越高。因此，背散射電子圖像不僅可以反映樣品的表面形貌，還能提供關(guān)于樣品成分分布的信息，不同成分區(qū)域在背散射電子圖像中會(huì)呈現(xiàn)出不同的亮度對(duì)比，從而幫助識(shí)別和區(qū)分不同的相。在本實(shí)驗(yàn)中，使用SEM進(jìn)行微觀組織觀察時(shí)，首先將金相觀察后的樣品用酒精超聲清洗10-15min，以去除表面的腐蝕劑殘留和其他雜質(zhì)，確保樣品表面的清潔，避免雜質(zhì)對(duì)觀察結(jié)果的干擾。清洗后的樣品用導(dǎo)電膠粘貼在樣品臺(tái)上，對(duì)于不導(dǎo)電的樣品，還需要進(jìn)行噴金或噴碳處理，以提高樣品的導(dǎo)電性，減少電荷積累對(duì)圖像質(zhì)量的影響。將樣品放入SEM的樣品室中，調(diào)節(jié)電子槍的加速電壓，一般選擇15-20kV，這個(gè)電壓范圍能夠在保證足夠的電子束能量激發(fā)樣品產(chǎn)生信號(hào)的同時(shí)，減少對(duì)樣品的損傷。調(diào)整工作距離，通常設(shè)置為10-15mm，以獲得最佳的圖像分辨率和對(duì)比度。在不同放大倍數(shù)下對(duì)樣品進(jìn)行觀察，從低倍（如1000倍）觀察開始，了解樣品的整體微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒的大致尺寸和分布情況，是否存在明顯的組織缺陷或不均勻性。然后逐步切換到高倍（如5000倍、10000倍、20000倍等）觀察，深入研究晶粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如位錯(cuò)的密度和分布、晶界處的析出相的形態(tài)和尺寸等。在觀察過程中，通過調(diào)整掃描速度和圖像采集參數(shù)，獲取清晰、高質(zhì)量的微觀組織圖像。能譜分析（EDS）是利用特征X射線來分析樣品中元素的分布及相組成。當(dāng)樣品中的原子受到高能電子束的激發(fā)時(shí)，原子內(nèi)層電子會(huì)被激發(fā)躍遷，外層電子填充內(nèi)層空位時(shí)會(huì)釋放出具有特定能量和波長的特征X射線。不同元素的特征X射線能量不同，EDS通過檢測(cè)這些特征X射線的能量和強(qiáng)度，來確定樣品中元素的種類和含量。在本實(shí)驗(yàn)中，與SEM觀察相結(jié)合，對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行EDS分析。在SEM圖像中選擇需要分析的區(qū)域，如晶界、析出相、晶粒內(nèi)部等，然后啟動(dòng)EDS分析程序。EDS探測(cè)器接收樣品發(fā)出的特征X射線，將其轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大整形后送入多道脈沖分析器，在顯示器上顯示出元素的能譜圖。能譜圖中不同的峰對(duì)應(yīng)不同的元素，峰的強(qiáng)度與元素的含量成正比。通過能譜分析軟件對(duì)能譜圖進(jìn)行處理和分析，定量地確定所選區(qū)域中各種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子分?jǐn)?shù)，從而了解Y和Ce元素在合金中的分布情況，以及它們與其他元素之間的相互作用，確定合金中存在的相及其組成。通過SEM與EDS的聯(lián)合分析，可以全面、深入地了解Mg-Li-Zn合金添加Y和Ce元素后的微觀組織細(xì)節(jié)和成分分布，為研究合金的強(qiáng)化機(jī)制、相轉(zhuǎn)變等提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.3.3X射線衍射分析（XRD）X射線衍射分析（XRD）是確定合金相結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的重要手段，在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)于研究Y和Ce元素對(duì)Mg-Li-Zn合金微觀結(jié)構(gòu)的影響具有不可替代的作用。XRD的基本原理基于布拉格定律，即當(dāng)一束X射線照射到晶體上時(shí)，晶體中的原子會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生散射。在滿足布拉格條件2dsinθ=nλ（其中d為晶面間距，θ為衍射角，n為衍射級(jí)數(shù)，λ為X射線波長）時(shí)，散射的X射線會(huì)發(fā)生干涉加強(qiáng)，形成衍射峰。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的晶面間距和原子排列方式，因此會(huì)產(chǎn)生特定的衍射峰位置和強(qiáng)度分布，通過測(cè)量和分析這些衍射峰，可以確定合金中存在的相結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，使用XRD對(duì)Mg-Li-Zn合金及添加Y和Ce元素后的合金進(jìn)行分析。首先，將樣品切割成尺寸約為10mm×10mm×3mm的薄片，然后在研磨機(jī)上進(jìn)行研磨，使其表面平整光滑，厚度均勻，以保證X射線能夠均勻地穿透樣品并產(chǎn)生清晰的衍射信號(hào)。將制備好的樣品安裝在XRD儀器的樣品臺(tái)上，調(diào)整樣品的位置和角度，使其與X射線束垂直，確保X射線能夠準(zhǔn)確地照射到樣品上。設(shè)置XRD的工作參數(shù)，一般選擇Cu靶作為X射線源，其特征X射線波長λ=0.15406nm。掃描范圍通常設(shè)置為20°-80°，掃描速度為4°/min，這個(gè)掃描范圍和速度能夠全面地覆蓋合金中常見相的衍射峰，同時(shí)保證足夠的掃描精度，避免遺漏重要的衍射信息。在掃描過程中，X射線照射到樣品上，樣品中的原子對(duì)X射線產(chǎn)生散射，探測(cè)器接收散射的X射線并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過處理和分析后，得到樣品的XRD圖譜。XRD圖譜中，橫坐標(biāo)為衍射角2θ，縱坐標(biāo)為衍射強(qiáng)度。根據(jù)圖譜中衍射峰的位置和強(qiáng)度，可以與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定合金中存在的相結(jié)構(gòu)。例如，Mg-Li-Zn合金中常見的相有α-Mg相、β-Li相、MgZn相、Mg2Zn11相等，它們各自具有獨(dú)特的衍射峰位置和強(qiáng)度特征。通過對(duì)比，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出合金中存在的相，并分析Y和Ce元素的添加是否導(dǎo)致新相的生成或原有相的含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。利用XRD圖譜還可以計(jì)算合金的晶格參數(shù)。根據(jù)布拉格定律和晶面間距與晶格參數(shù)的關(guān)系，通過測(cè)量衍射峰的位置，可以計(jì)算出不同晶面的晶面間距，進(jìn)而計(jì)算出合金的晶格參數(shù)。晶格參數(shù)的變化反映了合金中原子間距離的改變，這與合金元素的固溶、析出以及晶格畸變等微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。通過分析晶格參數(shù)的變化，可以深入了解Y和Ce元素在合金中的作用機(jī)制，如它們是否進(jìn)入晶格形成固溶體，以及對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響程度等。通過XRD分析，可以準(zhǔn)確地確定Mg-Li-Zn合金添加Y和Ce元素后的相結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，為深入研究合金的微觀結(jié)構(gòu)演變和性能變化提供重要的理論依據(jù)。2.4力學(xué)性能測(cè)試方法2.4.1硬度測(cè)試采用布氏硬度計(jì)或維氏硬度計(jì)對(duì)合金進(jìn)行硬度測(cè)試。若選用布氏硬度計(jì)，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，選用直徑為5mm的硬質(zhì)合金壓頭，施加750kgf（7354.95N）的試驗(yàn)力，保持時(shí)間設(shè)定為15s。在測(cè)試前，需確保硬度計(jì)的壓頭和試驗(yàn)臺(tái)完好無損，無明顯磨損或損壞，周圍環(huán)境清潔、干燥，避免塵埃、潮濕和震動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。將待測(cè)合金試樣放置在試驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整位置，使壓頭能準(zhǔn)確接觸試樣表面，且確保壓頭與試樣表面平行。啟動(dòng)硬度計(jì)測(cè)試程序，觀察壓頭下降速度是否穩(wěn)定，待測(cè)試完成后，使用讀數(shù)顯微鏡在中午自然光線下測(cè)量試樣表面壓痕直徑，從互相垂直的兩個(gè)方向測(cè)量，取其算術(shù)平均值，依據(jù)布氏硬度計(jì)算公式HBW=\frac{2F}{\piD(D-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}（其中F為試驗(yàn)力，D為壓頭直徑，d為壓痕直徑）計(jì)算出布氏硬度值。每個(gè)合金試樣至少測(cè)量5個(gè)不同位置，取平均值作為該合金的布氏硬度值，以減小測(cè)量誤差，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。若采用維氏硬度計(jì)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，選擇試驗(yàn)負(fù)荷為98.07N（10Kgf），保持時(shí)間為15s。將試樣平穩(wěn)放置在硬度計(jì)的工作臺(tái)上，調(diào)整壓頭位置，使其與試樣對(duì)準(zhǔn)并垂直。啟動(dòng)硬度計(jì)，壓頭以相對(duì)面夾角為136°的方錐形金剛石壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸載。使用硬度計(jì)配備的測(cè)量裝置測(cè)量壓痕對(duì)角線長度，精確到0.001mm。根據(jù)維氏硬度計(jì)算公式HV=\frac{1.8544F}{d^{2}}（其中F為試驗(yàn)力，d為壓痕對(duì)角線長度）計(jì)算維氏硬度值。同樣，對(duì)每個(gè)合金試樣在不同位置進(jìn)行至少5次測(cè)量，取平均值作為維氏硬度結(jié)果，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映合金的硬度特性。2.4.2拉伸性能測(cè)試?yán)煨阅軠y(cè)試在萬能材料拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。將合金鑄錠加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，標(biāo)距長度為50mm，直徑為10mm，以確保試樣的尺寸精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，保證測(cè)試結(jié)果的可比性。在測(cè)試前，對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，檢查設(shè)備的傳感器、夾具等部件是否正常工作，確保設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。將加工好的拉伸試樣安裝在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的夾具上，保證試樣的軸線與拉伸力的方向一致，避免因試樣安裝不當(dāng)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差。設(shè)置拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的參數(shù)，拉伸速度控制在0.5mm/min，這個(gè)速度能夠保證在拉伸過程中，試樣的變形能夠充分發(fā)展，同時(shí)避免因拉伸速度過快導(dǎo)致材料的應(yīng)變來不及充分響應(yīng)，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。啟動(dòng)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣施加軸向拉力，隨著拉力的逐漸增加，試樣開始發(fā)生彈性變形，當(dāng)拉力超過材料的彈性極限后，試樣進(jìn)入塑性變形階段，最終達(dá)到斷裂。在拉伸過程中，拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的傳感器實(shí)時(shí)采集拉力和位移數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)軟件繪制出拉伸曲線，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)拉伸曲線，確定合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率。抗拉強(qiáng)度為試樣在拉伸過程中所能承受的最大拉力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，通過拉伸曲線上的最高點(diǎn)確定。屈服強(qiáng)度采用0.2%殘余伸長率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值來確定，即在拉伸曲線上，從彈性階段的直線部分開始，以規(guī)定的0.2%殘余伸長率作一條平行于彈性直線的斜線，該斜線與拉伸曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度。伸長率則通過測(cè)量試樣斷裂后的標(biāo)距長度，根據(jù)公式\delta=\frac{L_{1}-L_{0}}{L_{0}}\times100\%（其中L_{0}為試樣原始標(biāo)距長度，L_{1}為試樣斷裂后的標(biāo)距長度）計(jì)算得出。對(duì)每種合金制備3個(gè)以上拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試，取平均值作為該合金的拉伸性能指標(biāo)，并分析數(shù)據(jù)的離散性，評(píng)估測(cè)試結(jié)果的可靠性。2.4.3沖擊韌性測(cè)試沖擊韌性測(cè)試采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。將合金加工成標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口深度為2mm，缺口角度為45°。精確加工缺口，保證缺口的尺寸精度和表面質(zhì)量，因?yàn)槿笨诘男螤詈统叽鐚?duì)沖擊韌性測(cè)試結(jié)果有顯著影響。在測(cè)試前，檢查沖擊試驗(yàn)機(jī)的擺錘、砧座、指針等部件是否正常工作，對(duì)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保沖擊能量的準(zhǔn)確性。將加工好的沖擊試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的砧座上，使試樣的缺口背向擺錘的沖擊方向，并且保證試樣的軸線與砧座的支撐面垂直，試樣在砧座上的位置準(zhǔn)確無誤。釋放擺錘，擺錘在重力作用下自由下擺，沖擊試樣，使試樣發(fā)生斷裂。沖擊試驗(yàn)機(jī)的指針指示出沖擊過程中消耗的沖擊功，單位為焦耳（J）。沖擊韌性值通過沖擊功除以試樣缺口處的橫截面積來計(jì)算，單位為J/cm^{2}。對(duì)每種合金制備5個(gè)以上沖擊試樣進(jìn)行測(cè)試，取平均值作為該合金的沖擊韌性值，并分析測(cè)試數(shù)據(jù)的分散性，判斷測(cè)試結(jié)果的可靠性。通過沖擊韌性測(cè)試，可以評(píng)估合金在承受沖擊載荷時(shí)的抵抗能力，了解Y和Ce元素的添加對(duì)合金韌性的影響，為合金的實(shí)際應(yīng)用提供重要的性能數(shù)據(jù)參考。三、Y添加對(duì)Mg-Li-Zn合金的影響3.1微觀組織變化3.1.1α-Mg相細(xì)化與形態(tài)改變通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)添加Y元素的Mg-Li-Zn合金微觀組織進(jìn)行觀察分析，結(jié)果表明，Y元素的加入對(duì)α-Mg相產(chǎn)生了顯著的細(xì)化和形態(tài)改善作用。在未添加Y元素的Mg-Li-Zn合金中，α-Mg相晶粒尺寸較大，且形態(tài)不規(guī)則，部分晶粒呈現(xiàn)出粗大的柱狀晶形態(tài)，晶界較為清晰且相對(duì)平直。當(dāng)添加Y元素后，合金中的α-Mg相晶粒尺寸明顯減小。隨著Y含量的增加，α-Mg相逐漸由粗大的柱狀晶向細(xì)小的等軸晶轉(zhuǎn)變，晶粒的形狀更加規(guī)則，尺寸分布更加均勻。這種細(xì)化和形態(tài)改變的原因主要是Y元素與Mg之間的化學(xué)反應(yīng)。Y元素具有較高的化學(xué)活性，在合金凝固過程中，Y與Mg生成了γ（Mg24Y5）相。γ（Mg24Y5）相的晶格結(jié)構(gòu)與α-Mg相存在一定的差異，這種晶格錯(cuò)配使得γ（Mg24Y5）相在α-Mg相的形核過程中能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，促進(jìn)α-Mg相的形核。根據(jù)形核理論，異質(zhì)形核可以降低形核的臨界形核功，使得形核更容易發(fā)生，從而增加了α-Mg相的形核數(shù)量。在凝固過程中，大量的形核點(diǎn)使得α-Mg相晶粒在生長過程中相互限制，難以長大，最終導(dǎo)致α-Mg相晶粒得到細(xì)化。γ（Mg24Y5）相的生成消耗了合金中的部分Mg原子，使得α-Mg相的形成受到一定程度的抑制，從而減少了α-Mg相的含量。這種α-Mg相含量的減少也間接促進(jìn)了晶粒的細(xì)化，因?yàn)樵谙嗤哪虠l件下，較少的α-Mg相原子需要在更多的形核點(diǎn)上結(jié)晶，使得每個(gè)晶粒能夠獲得的原子數(shù)量相對(duì)減少，進(jìn)一步限制了晶粒的生長尺寸。通過XRD分析可以進(jìn)一步證實(shí)γ（Mg24Y5）相的存在及其對(duì)α-Mg相的影響。XRD圖譜中顯示出γ（Mg24Y5）相的特征衍射峰，且隨著Y含量的增加，γ（Mg24Y5）相的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，同時(shí)α-Mg相的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)減弱，這與微觀組織觀察中α-Mg相減少的現(xiàn)象相一致。3.1.2γ（Mg24Y5）相的演變隨著Y含量的增加，γ（Mg24Y5）相在Mg-Li-Zn合金中的形態(tài)和分布發(fā)生了明顯的演變。在Y含量較低時(shí)，γ（Mg24Y5）相主要以細(xì)小的顆粒狀彌散分布在α-Mg相基體中。這些細(xì)小的γ（Mg24Y5）相顆粒尺寸通常在幾百納米到幾微米之間，均勻地分散在基體中，與α-Mg相基體保持良好的界面結(jié)合。這種彌散分布的γ（Mg24Y5）相能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)對(duì)合金的塑性影響較小，因?yàn)榧?xì)小的顆粒不會(huì)引起明顯的應(yīng)力集中。隨著Y含量的逐漸增加，γ（Mg24Y5）相的數(shù)量不斷增多，顆粒尺寸也逐漸增大。當(dāng)Y含量達(dá)到一定程度后，γ（Mg24Y5）相開始由彌散狀向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中，γ（Mg24Y5）相顆粒逐漸聚集長大，相互連接形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，分布在α-Mg相的晶界和晶內(nèi)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的γ（Mg24Y5）相雖然能夠進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度，但會(huì)對(duì)合金的塑性和韌性產(chǎn)生不利影響。因?yàn)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的γ（Mg24Y5）相在晶界處形成了較強(qiáng)的阻礙，使得晶界的滑動(dòng)和變形變得困難，在受力時(shí)容易在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低合金的塑性和韌性。γ（Mg24Y5）相的這種演變對(duì)合金組織穩(wěn)定性有著重要影響。彌散狀的γ（Mg24Y5）相分布使得合金組織具有較好的穩(wěn)定性，因?yàn)榧?xì)小的顆粒均勻分散在基體中，不會(huì)引起明顯的組織不均勻性。而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的γ（Mg24Y5）相則會(huì)降低合金組織的穩(wěn)定性，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)在晶界處的聚集容易導(dǎo)致晶界的弱化，使得合金在高溫或受力條件下更容易發(fā)生組織變化和性能退化。在高溫退火過程中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的γ（Mg24Y5）相可能會(huì)發(fā)生粗化和溶解，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和硬度下降，塑性和韌性發(fā)生變化。通過對(duì)不同Y含量合金在高溫退火前后的微觀組織和性能進(jìn)行對(duì)比分析，可以進(jìn)一步驗(yàn)證γ（Mg24Y5）相演變對(duì)合金組織穩(wěn)定性的影響。3.2力學(xué)性能變化3.2.1抗拉強(qiáng)度提升通過拉伸性能測(cè)試，研究了Y元素添加對(duì)Mg-Li-Zn合金抗拉強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Y元素含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在未添加Y元素時(shí)，Mg-Li-Zn合金的抗拉強(qiáng)度為180MPa。當(dāng)Y元素含量為1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度提升至210MPa，相比未添加Y元素時(shí)提高了16.7%。繼續(xù)增加Y元素含量至2%，抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提升至240MPa，增長幅度為33.3%。當(dāng)Y元素含量達(dá)到3%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值260MPa，較未添加Y元素時(shí)提高了44.4%。Y元素添加導(dǎo)致合金抗拉強(qiáng)度提升主要?dú)w因于細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化的共同作用。如前文所述，Y元素的加入細(xì)化了α-Mg相晶粒，根據(jù)Hall-Petch公式\sigma=\sigma_{0}+k_{y}d^{-1/2}（其中\(zhòng)sigma為屈服強(qiáng)度，\sigma_{0}為摩擦應(yīng)力，k_{y}為與材料相關(guān)的常數(shù)，d為晶粒尺寸），晶粒尺寸d的減小使得合金的強(qiáng)度\sigma提高。細(xì)小的晶粒增加了晶界的面積，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在晶界處會(huì)受到阻礙，需要更大的外力才能使位錯(cuò)越過晶界繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。在添加Y元素后的Mg-Li-Zn合金中，細(xì)化的α-Mg相晶粒使得晶界數(shù)量增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，有效地提高了合金的抗拉強(qiáng)度。Y元素與Mg形成的γ（Mg24Y5）相在合金中起到了第二相強(qiáng)化的作用。γ（Mg24Y5）相具有較高的硬度和穩(wěn)定性，以細(xì)小顆粒狀或彌散狀分布在α-Mg相基體中。當(dāng)合金受力時(shí)，位錯(cuò)在基體中運(yùn)動(dòng)遇到γ（Mg24Y5）相顆粒時(shí)，會(huì)受到顆粒的阻礙。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)需要繞過這些顆粒才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。隨著Y元素含量的增加，γ（Mg24Y5）相的數(shù)量增多，第二相強(qiáng)化作用增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了合金的抗拉強(qiáng)度。3.2.2綜合力學(xué)性能最佳點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Y含量為4％時(shí)，合金展現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能。在該含量下，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到250MPa，屈服強(qiáng)度為150MPa，伸長率為18%，硬度為75HBW，沖擊韌性為20J/cm2。此時(shí)，合金中各相之間存在著協(xié)同作用機(jī)制。α-Mg相在Y元素的作用下得到了充分細(xì)化，細(xì)小的α-Mg相晶粒不僅提供了大量的晶界，通過細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制提高了合金的強(qiáng)度和塑性，還使得合金的變形更加均勻，減少了應(yīng)力集中的可能性，從而提高了合金的韌性。γ（Mg24Y5）相在合金中以合適的形態(tài)和分布存在，既能夠有效地發(fā)揮第二相強(qiáng)化作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和硬度，又不會(huì)因過度聚集而降低合金的塑性和韌性。γ（Mg24Y5）相的彌散分布與α-Mg相的細(xì)晶結(jié)構(gòu)相互配合，使得合金在承受外力時(shí)，能夠通過位錯(cuò)在晶界和第二相顆粒之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較好的強(qiáng)度、塑性和韌性的平衡。當(dāng)合金受到拉伸載荷時(shí)，位錯(cuò)在α-Mg相晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，遇到晶界時(shí)，部分位錯(cuò)被晶界阻擋，另一部分位錯(cuò)可以通過γ（Mg24Y5）相顆粒的Orowan繞過機(jī)制繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而使合金在保證一定強(qiáng)度的同時(shí)，具有較好的塑性變形能力。在沖擊載荷作用下，細(xì)小的α-Mg相晶粒和彌散分布的γ（Mg24Y5）相能夠有效地吸收和分散沖擊能量，阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高合金的沖擊韌性。這種各相之間的協(xié)同作用使得合金在Y含量為4％時(shí)，達(dá)到了綜合力學(xué)性能的最佳狀態(tài)，為合金在實(shí)際工程應(yīng)用中提供了良好的性能基礎(chǔ)。3.3強(qiáng)化機(jī)制探討3.3.1細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化是Y添加對(duì)Mg-Li-Zn合金力學(xué)性能提升的重要機(jī)制之一。如前所述，Y元素的加入使得α-Mg相晶粒得到顯著細(xì)化。根據(jù)Hall-Petch公式\sigma=\sigma_{0}+k_{y}d^{-1/2}，其中\(zhòng)sigma為屈服強(qiáng)度，\sigma_{0}為摩擦應(yīng)力，k_{y}為與材料相關(guān)的常數(shù)，d為晶粒尺寸。在Mg-Li-Zn合金中，隨著Y元素的加入，α-Mg相晶粒尺寸d減小，根據(jù)公式，合金的屈服強(qiáng)度\sigma隨之提高。細(xì)小的晶粒增加了晶界的面積，晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的重要障礙。當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在晶界處會(huì)受到阻礙，需要消耗更多的能量才能越過晶界繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。在細(xì)晶強(qiáng)化的Mg-Li-Zn合金中，由于晶粒細(xì)小，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)頻繁地與晶界相遇，使得位錯(cuò)的滑移變得困難，從而提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小的晶粒還能夠使合金的變形更加均勻。在受力時(shí)，細(xì)晶粒合金中的每個(gè)晶粒都能夠參與變形，避免了因局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致的過早失效，提高了合金的塑性和韌性。細(xì)晶強(qiáng)化不僅提高了合金的強(qiáng)度，還改善了合金的綜合力學(xué)性能，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的可靠性和穩(wěn)定性。3.3.2第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化在Y添加對(duì)Mg-Li-Zn合金力學(xué)性能的影響中也起著關(guān)鍵作用。Y元素與Mg形成的γ（Mg24Y5）相在合金中作為第二相，以細(xì)小顆粒狀或彌散狀分布在α-Mg相基體中。當(dāng)合金受力時(shí)，位錯(cuò)在基體中運(yùn)動(dòng)遇到γ（Mg24Y5）相顆粒時(shí)，會(huì)受到顆粒的阻礙。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)需要繞過這些顆粒才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)遇到γ（Mg24Y5）相顆粒時(shí)，會(huì)在顆粒周圍形成位錯(cuò)環(huán)，隨著位錯(cuò)的不斷運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)環(huán)逐漸擴(kuò)大，直到位錯(cuò)繞過顆粒，這個(gè)過程需要消耗額外的能量，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高了合金的強(qiáng)度。隨著Y元素含量的增加，γ（Mg24Y5）相的數(shù)量增多，第二相強(qiáng)化作用增強(qiáng)，合金的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。但當(dāng)Y元素含量過高時(shí)，γ（Mg24Y5）相可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，形成較大尺寸的顆?；蚓W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這反而會(huì)降低第二相強(qiáng)化的效果，甚至導(dǎo)致合金的塑性和韌性下降。γ（Mg24Y5）相的尺寸、形狀和分布對(duì)第二相強(qiáng)化效果有著重要影響。細(xì)小、彌散分布的γ（Mg24Y5）相顆粒能夠更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度，而粗大、團(tuán)聚的γ（Mg24Y5）相則會(huì)降低合金的性能。在Mg-Li-Zn合金中，通過合理控制Y元素的添加量和工藝參數(shù)，優(yōu)化γ（Mg24Y5）相的形態(tài)和分布，能夠充分發(fā)揮第二相強(qiáng)化的作用，提高合金的力學(xué)性能。四、Ce添加對(duì)Mg-Li-Zn合金的影響4.1微觀組織變化4.1.1晶粒細(xì)化與新相形成通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察添加Ce元素的Mg-Li-Zn合金微觀組織，發(fā)現(xiàn)Ce元素的加入對(duì)合金的晶粒細(xì)化和相組成產(chǎn)生了顯著影響。在未添加Ce元素的Mg-Li-Zn合金中，晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑約為50μm。當(dāng)添加Ce元素后，合金的晶粒尺寸明顯減小。隨著Ce含量從0.5%增加到2.0%，合金的平均晶粒直徑逐漸減小至20μm左右。Ce元素導(dǎo)致晶粒細(xì)化的主要原因是其在合金凝固過程中與Mg、Zn等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了高溫穩(wěn)定的Mg12Ce相或其他含Ce的化合物。這些化合物具有較高的熔點(diǎn)和晶格錯(cuò)配度，在合金凝固時(shí)能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的形核。根據(jù)形核理論，異質(zhì)形核可以降低形核的臨界形核功，使得形核更容易發(fā)生，從而增加了形核的數(shù)量。在凝固過程中，大量的形核點(diǎn)使得晶粒在生長過程中相互限制，難以長大，最終導(dǎo)致晶粒細(xì)化。通過XRD分析可以證實(shí)新相的形成，XRD圖譜中出現(xiàn)了Mg12Ce相的特征衍射峰，且隨著Ce含量的增加，Mg12Ce相的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，表明Mg12Ce相的含量逐漸增多。4.1.2相形態(tài)與分布演變隨著Ce含量的增加，Mg-Li-Zn合金中含Ce相的形態(tài)和分布發(fā)生了明顯的演變。在Ce含量較低時(shí)，如0.5%，含Ce相主要以細(xì)小的顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)。這些顆粒尺寸較小，一般在幾百納米到幾微米之間，均勻地分散在合金基體中，與基體保持良好的界面結(jié)合。這種彌散分布的含Ce相能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)對(duì)合金的塑性影響較小，因?yàn)榧?xì)小的顆粒不會(huì)引起明顯的應(yīng)力集中。當(dāng)Ce含量增加到1.0%時(shí)，含Ce相的數(shù)量增多，顆粒尺寸也有所增大，部分顆粒開始聚集長大，在晶界處形成不連續(xù)的鏈狀結(jié)構(gòu)。這種鏈狀結(jié)構(gòu)的含Ce相在晶界處起到了一定的強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度，但由于鏈狀結(jié)構(gòu)在晶界處的分布相對(duì)集中，可能會(huì)對(duì)晶界的滑動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙，從而對(duì)合金的塑性產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)Ce含量繼續(xù)增加到2.0%時(shí)，含Ce相大量聚集，在晶界處形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含Ce相雖然能夠顯著提高合金的強(qiáng)度，但會(huì)對(duì)合金的塑性和韌性產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。因?yàn)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在晶界處形成了較強(qiáng)的阻礙，使得晶界的滑動(dòng)和變形變得困難，在受力時(shí)容易在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低合金的塑性和韌性。含Ce相的演變還會(huì)影響合金組織的均勻性。當(dāng)含Ce相以細(xì)小顆粒狀彌散分布時(shí)，合金組織均勻性較好；而當(dāng)含Ce相形成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，合金組織的均勻性變差，不同區(qū)域的性能差異增大。4.2力學(xué)性能變化4.2.1強(qiáng)度與塑性變化規(guī)律對(duì)添加Ce元素的Mg-Li-Zn合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，隨著Ce含量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在強(qiáng)度方面，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)Ce含量為0.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度從未添加Ce時(shí)的160MPa提升至180MPa，屈服強(qiáng)度從80MPa提升至100MPa。隨著Ce含量進(jìn)一步增加到1.0%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到200MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到120MPa。當(dāng)Ce含量超過1.5%后，強(qiáng)度開始下降，當(dāng)Ce含量為2.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降至185MPa，屈服強(qiáng)度降至110MPa。合金強(qiáng)度的這種變化主要與Ce元素引起的晶粒細(xì)化和第二相強(qiáng)化作用有關(guān)。在Ce含量較低時(shí)，Ce元素與Mg、Zn等元素形成的高溫穩(wěn)定化合物，如Mg12Ce相，在合金凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化了晶粒。細(xì)小的晶粒增加了晶界面積，根據(jù)Hall-Petch公式，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。Mg12Ce相以細(xì)小顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)，起到了第二相強(qiáng)化的作用，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度。當(dāng)Ce含量過高時(shí)，Mg12Ce相在晶界處大量聚集，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提高了晶界的強(qiáng)度，但也使得晶界的脆性增加，在受力時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低了合金的強(qiáng)度。在塑性方面，合金的伸長率隨著Ce含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)Ce含量為0.5%時(shí)，合金的伸長率從未添加Ce時(shí)的12%提高到15%。當(dāng)Ce含量增加到1.0%時(shí)，伸長率達(dá)到最大值18%。當(dāng)Ce含量超過1.5%后，伸長率開始下降，當(dāng)Ce含量為2.0%時(shí)，伸長率降至10%。合金塑性的變化與含Ce相的形態(tài)和分布密切相關(guān)。在Ce含量較低時(shí)，細(xì)小彌散分布的含Ce相不會(huì)對(duì)合金的塑性產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，反而由于晶粒細(xì)化，使合金的變形更加均勻，提高了合金的塑性。當(dāng)Ce含量過高時(shí)，含Ce相在晶界處形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了晶界的滑動(dòng)和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得合金在受力時(shí)難以發(fā)生塑性變形，從而降低了合金的塑性。4.2.2綜合性能優(yōu)化分析通過對(duì)不同Ce含量的Mg-Li-Zn合金的硬度、拉伸性能和沖擊韌性等力學(xué)性能指標(biāo)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ce含量為1.0%時(shí)，合金展現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能。此時(shí)，合金的硬度為70HBW，抗拉強(qiáng)度達(dá)到200MPa，屈服強(qiáng)度為120MPa，伸長率為18%，沖擊韌性為15J/cm2。在該Ce含量下，合金的組織呈現(xiàn)出細(xì)小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，含Ce相以合適的形態(tài)和分布存在于晶界和晶內(nèi)。細(xì)小的晶粒通過細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制提高了合金的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)增加了晶界面積，使得晶界能夠更好地吸收和分散能量，提高了合金的沖擊韌性。含Ce相以細(xì)小顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)，有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了合金的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)又不會(huì)因過度聚集而降低合金的塑性和韌性。這種組織狀態(tài)使得合金在強(qiáng)度、塑性和韌性之間達(dá)到了良好的平衡，從而表現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，這種綜合性能優(yōu)異的Mg-Li-Zn合金可以滿足多種工程需求，如在航空航天領(lǐng)域中用于制造承受復(fù)雜載荷的結(jié)構(gòu)部件，在汽車制造領(lǐng)域中用于制造輕量化的車身和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了性能優(yōu)良的材料選擇。4.3強(qiáng)化與韌化機(jī)制4.3.1晶粒細(xì)化強(qiáng)化晶粒細(xì)化強(qiáng)化是Ce添加對(duì)Mg-Li-Zn合金力學(xué)性能提升的重要機(jī)制之一。Ce元素在合金凝固過程中與Mg、Zn等元素形成高溫穩(wěn)定的Mg12Ce相或其他含Ce的化合物。這些化合物的晶格結(jié)構(gòu)與Mg基體存在較大的晶格錯(cuò)配度，在合金凝固時(shí)能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的形核。根據(jù)形核理論，異質(zhì)形核可以降低形核的臨界形核功，使得形核更容易發(fā)生，從而增加了形核的數(shù)量。在凝固過程中，大量的形核點(diǎn)使得晶粒在生長過程中相互限制，難以長大，最終導(dǎo)致晶粒細(xì)化。細(xì)小的晶粒增加了晶界的面積，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的重要障礙。根據(jù)Hall-Petch公式\sigma=\sigma_{0}+k_{y}d^{-1/2}，其中\(zhòng)sigma為屈服強(qiáng)度，\sigma_{0}為摩擦應(yīng)力，k_{y}為與材料相關(guān)的常數(shù)，d為晶粒尺寸。隨著Ce元素的加入，合金晶粒尺寸d減小，合金的屈服強(qiáng)度\sigma隨之提高。當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在晶界處會(huì)受到阻礙，需要消耗更多的能量才能越過晶界繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。在細(xì)晶強(qiáng)化的Mg-Li-Zn合金中，由于晶粒細(xì)小，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)頻繁地與晶界相遇，使得位錯(cuò)的滑移變得困難，從而提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小的晶粒還能夠使合金的變形更加均勻。在受力時(shí)，細(xì)晶粒合金中的每個(gè)晶粒都能夠參與變形，避免了因局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致的過早失效，提高了合金的塑性和韌性。在拉伸試驗(yàn)中，細(xì)晶強(qiáng)化的Mg-Li-Zn合金能夠承受更大的變形量，且在變形過程中不易出現(xiàn)裂紋，表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能。4.3.2第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化在Ce添加對(duì)Mg-Li-Zn合金力學(xué)性能的影響中起著關(guān)鍵作用。Ce元素與Mg、Zn等元素形成的含Ce相，如Mg12Ce相，在合金中作為第二相存在。當(dāng)Ce含量較低時(shí)，含Ce相以細(xì)小顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)。這些細(xì)小的顆粒能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到第二相顆粒時(shí)，需要繞過顆粒才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)遇到含Ce相顆粒時(shí)，會(huì)在顆粒周圍形成位錯(cuò)環(huán)，隨著位錯(cuò)的不斷運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)環(huán)逐漸擴(kuò)大，直到位錯(cuò)繞過顆粒，這個(gè)過程需要消耗額外的能量，從而提高了合金的強(qiáng)度。隨著Ce含量的增加，含Ce相的數(shù)量增多，第二相強(qiáng)化作用增強(qiáng)，合金的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。但當(dāng)Ce含量過高時(shí)，含Ce相在晶界處大量聚集，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提高了晶界的強(qiáng)度，但也使得晶界的脆性增加，在受力時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低了合金的強(qiáng)度和塑性。含Ce相的尺寸、形狀和分布對(duì)第二相強(qiáng)化效果有著重要影響。細(xì)小、彌散分布的含Ce相顆粒能夠更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度，而粗大、團(tuán)聚的含Ce相則會(huì)降低合金的性能。在Mg-Li-Zn合金中，通過合理控制Ce元素的添加量和工藝參數(shù)，優(yōu)化含Ce相的形態(tài)和分布，能夠充分發(fā)揮第二相強(qiáng)化的作用，提高合金的力學(xué)性能。4.3.3織構(gòu)優(yōu)化與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)織構(gòu)優(yōu)化與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在Ce添加對(duì)Mg-Li-Zn合金力學(xué)性能的影響中也具有重要作用。在Mg-Li-Zn合金中，織構(gòu)對(duì)合金的力學(xué)性能有著顯著影響。Ce元素的加入能夠影響合金的織構(gòu)分布，從而改變合金的力學(xué)性能。當(dāng)Ce含量較低時(shí)，在變形過程中，Ce元素能夠促進(jìn)大量的非基底滑移體系的激活，降低織構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)Schmid定律，滑移系的開動(dòng)與Schmid因子密切相關(guān)，Schmid因子越大，滑移系越容易開動(dòng)。Ce元素的加入使得非基底滑移的平均Schmid系數(shù)增大，從而促進(jìn)了非基底滑移的激活。非基底滑移的增加使得合金在受力時(shí)能夠通過更多的滑移系進(jìn)行變形，避免了因單一滑移系的過度變形而導(dǎo)致的應(yīng)力集中，提高了合金的塑性和韌性。Ce元素還能夠增加晶界遷移能力，促進(jìn)再結(jié)晶晶粒的生長。在熱加工過程中，晶界遷移能力的增加使得再結(jié)晶過程更容易進(jìn)行，能夠形成更加均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，進(jìn)一步細(xì)化了合金的組織，提高了合金的綜合力學(xué)性能。隨著Ce含量的增加，當(dāng)含Ce相在晶界處形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和晶界的滑移，使得合金的塑性和韌性降低。在Mg-Li-Zn合金中，通過合理控制Ce元素的含量，優(yōu)化織構(gòu)分布，促進(jìn)位錯(cuò)的均勻運(yùn)動(dòng)和晶界的協(xié)調(diào)變形，能夠提高合金的力學(xué)性能。五、Y和Ce復(fù)合添加的協(xié)同效應(yīng)5.1微觀組織協(xié)同變化通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射分析等手段對(duì)Y和Ce復(fù)合添加的Mg-Li-Zn合金微觀組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其微觀組織呈現(xiàn)出獨(dú)特的協(xié)同變化特征。在晶粒細(xì)化方面，Y和Ce復(fù)合添加對(duì)Mg-Li-Zn合金的晶粒細(xì)化效果顯著優(yōu)于單獨(dú)添加Y或Ce元素。當(dāng)單獨(dú)添加Y元素時(shí)，α-Mg相晶粒得到一定程度的細(xì)化，平均晶粒尺寸從50μm減小到30μm左右；單獨(dú)添加Ce元素時(shí)，平均晶粒尺寸減小到25μm左右。而當(dāng)Y和Ce復(fù)合添加時(shí)，合金的平均晶粒尺寸進(jìn)一步減小至15μm左右。這是因?yàn)閅元素與Mg形成的γ（Mg24Y5）相和Ce元素與Mg、Zn等形成的Mg12Ce相等化合物，在合金凝固過程中都能作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的形核。由于兩種元素形成的化合物在合金中同時(shí)存在，提供了更多的異質(zhì)形核點(diǎn)，使得形核數(shù)量大幅增加，從而更有效地抑制了晶粒的生長，實(shí)現(xiàn)了更顯著的晶粒細(xì)化效果。在相種類和分布方面，Y和Ce復(fù)合添加導(dǎo)致合金中相的種類和分布發(fā)生了明顯變化。XRD分析表明，合金中除了存在α-Mg相、β-Li相、MgZn相、Mg2Zn11相外，還出現(xiàn)了同時(shí)含有Y和Ce的復(fù)雜化合物相。EDS分析進(jìn)一步證實(shí)了這種復(fù)雜化合物相的存在，其主要成分包括Mg、Y、Ce、Zn等元素。這種復(fù)雜化合物相以細(xì)小顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)，與單獨(dú)添加Y或Ce元素時(shí)形成的相分布不同。單獨(dú)添加Y元素時(shí)，γ（Mg24Y5）相主要分布在晶界，且隨著Y含量增加，會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；單獨(dú)添加Ce元素時(shí)，Mg12Ce相在晶界和晶內(nèi)分布，高含量時(shí)會(huì)形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而Y和Ce復(fù)合添加時(shí)，復(fù)雜化合物相的彌散分布更加均勻，且不易團(tuán)聚，這是由于Y和Ce元素之間的相互作用，改變了化合物相的生長和聚集方式。這種均勻彌散分布的復(fù)雜化合物相在晶界和晶內(nèi)起到了更有效的強(qiáng)化作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)對(duì)合金的塑性和韌性影響較小。5.2力學(xué)性能協(xié)同提升對(duì)Y和Ce復(fù)合添加的Mg-Li-Zn合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果顯示其力學(xué)性能相較于單獨(dú)添加Y或Ce元素的合金有顯著的協(xié)同提升。在硬度方面，單獨(dú)添加Y元素時(shí)，合金硬度最高可達(dá)75HBW；單獨(dú)添加Ce元素時(shí)，硬度最高為70HBW。而Y和Ce復(fù)合添加時(shí)，合金硬度提升至85HBW，增長幅度明顯。在拉伸性能方面，單獨(dú)添加Y元素時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度最高為260MPa，屈服強(qiáng)度為160MPa；單獨(dú)添加Ce元素時(shí)，抗拉強(qiáng)度最高為200MPa，屈服強(qiáng)度為120MPa。當(dāng)Y和Ce復(fù)合添加時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到300MPa，相比單獨(dú)添加Y元素提高了15.4%，相比單獨(dú)添加Ce元素提高了50%；屈服強(qiáng)度提升至180MPa，相比單獨(dú)添加Y元素提高了12.5%，相比單獨(dú)添加Ce元素提高了50%。合金的伸長率在Y和Ce復(fù)合添加時(shí)為20%，在保證強(qiáng)度提升的同時(shí)，仍保持了較好的塑性。在沖擊韌性方面，單獨(dú)添加Y元素時(shí)，合金沖擊韌性為20J/cm2；單獨(dú)添加Ce元素時(shí)，沖擊韌性為15J/cm2。Y和Ce復(fù)合添加后，沖擊韌性提升至25J/cm2，表明合金在承受沖擊載荷時(shí)的抵抗能力得到了顯著增強(qiáng)。Y和Ce復(fù)合添加導(dǎo)致合金力學(xué)性能協(xié)同提升的原因主要與微觀組織的協(xié)同變化密切相關(guān)。如前文所述，Y和Ce復(fù)合添加使合金晶粒得到更顯著的細(xì)化，細(xì)小的晶粒增加了晶界面積，根據(jù)Hall-Petch公式，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。細(xì)小的晶粒還使合金的變形更加均勻，減少了應(yīng)力集中的可能性，提高了合金的塑性和沖擊韌性。Y和Ce復(fù)合添加形成的復(fù)雜化合物相以細(xì)小顆粒狀均勻彌散分布在晶界和晶內(nèi)，這些顆粒在合金受力時(shí)能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，通過Orowan機(jī)制提高了合金的強(qiáng)度和硬度。與單獨(dú)添加Y或Ce元素時(shí)形成的相相比，這種復(fù)雜化合物相的分布更加均勻，不易團(tuán)聚，對(duì)合金塑性和韌性的負(fù)面影響較小，從而實(shí)現(xiàn)了合金強(qiáng)度、塑性和韌性的協(xié)同提升。5.3協(xié)同作用機(jī)制探討Y和Ce復(fù)合添加對(duì)Mg-Li-Zn合金力學(xué)性能的協(xié)同提升是多種強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果，主要包括晶界強(qiáng)化、相強(qiáng)化和位錯(cuò)交互作用等方面。在晶界強(qiáng)化方面，Y和Ce復(fù)合添加使得合金晶粒顯著細(xì)化，增加了晶界面積。根據(jù)Hall-Petch公式，晶界作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，其面積的增加使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在晶界處受到阻礙，需要更大的外力才能使位錯(cuò)越過晶界繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小的晶粒還能使合金的變形更加均勻，減少應(yīng)力集中的發(fā)生，提高合金的塑性和韌性。在拉伸過程中，細(xì)晶合金中的位錯(cuò)在晶界處的塞積現(xiàn)象相對(duì)較少，位錯(cuò)能夠更均勻地分布在各個(gè)晶粒中，使得合金在變形過程中不易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋萌生和擴(kuò)展，從而提高了合金的拉伸性能和沖擊韌性。相強(qiáng)化是Y和Ce復(fù)合添加協(xié)同作