原标题：Y和Nd对Mg-Zn-Gd合金的组织、变形及力学性能影响

当汽车减重10%就能降低6%-8%的油耗，当无人机续航提升30%需要机身材料减重一半——镁合金作为目前最轻的金属结构材料，正成为轻量化革命的核心。但这个"轻量化冠军"却长期面临"强度不足、塑性差"的致命短板。包头稀土研究院郭贺团队最新发表的研究揭示了一个突破性发现：通过精准添加稀土元素Y和Nd，能让Mg-Zn-Gd合金的强度和韧性同时提升40%以上。这项发表在《特种铸造及有色合金》的研究，不仅解开了稀土元素强化镁合金的微观机制，更为新能源汽车、航空航天等领域的轻量化材料提供了全新解决方案。

1 研究背景

镁合金的密度仅为1.74 g/cm³，比铝合金轻36%，比钢轻77%，被誉为"21世纪绿色工程材料"。在全球碳中和浪潮下，这种轻质材料的市场需求正以每年15%的速度增长——每辆新能源汽车使用50公斤镁合金就能减少10%的能耗，每架无人机采用镁合金构件可增加25%的续航时间。但传统镁合金的力学性能却难以满足工业需求：纯镁的抗拉强度仅为160 MPa，延伸率不足10%，在冲击载荷下极易断裂。

为解决这一矛盾，材料学家尝试添加各种合金元素。锌（Zn）能提升强度但会导致脆性增加，钆（Gd）可形成强化相但价格昂贵（约3000元/公斤）。稀土元素的加入带来了新希望：钇（Y）和钕（Nd）不仅能细化晶粒，还能形成稳定的金属间化合物。然而实际应用中仍面临三大挑战：稀土元素添加量超过3%会导致"重稀土脆化"现象，不同稀土元素的协同作用机制不明确，且析出相的分布难以控制。这些问题使得高性能稀土镁合金的制备成本居高不下，市场应用率不足5%。

图为500倍放大下的镁合金显微组织对比：左侧为未添加稀土的Mg-Zn-Gd合金，可见粗大的不规则块状组织；右侧为添加Y和Nd后的合金，组织明显细化且硼化物相均匀分布（红色箭头所示），这种微观结构的改善是材料性能提升的关键。

2 内容来源

该研究由包头稀土研究院郭贺等完成，论文《Y和Nd对Mg-Zn-Gd合金的组织、变形及力学性能影响》发表于《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第8期。研究通过系统设计不同Y和Nd含量的合金成分（Y: 0.5%-2.0%，Nd: 0.3%-1.5%），结合光学显微镜、扫描电镜和拉伸试验等手段，揭示了稀土元素对Mg-Zn-Gd合金微观组织演变的调控规律，阐明了"固溶强化-析出强化-细晶强化"的协同作用机制，为高性能镁合金的成分设计和工艺优化提供了理论依据。

3 研究亮点

这项研究最引人注目的发现是稀土元素Y和Nd的"协同强化效应"：当Y和Nd的添加比例为1.2:0.8时，合金的抗拉强度达到320 MPa，屈服强度280 MPa，延伸率15.6%，较未添加稀土的合金分别提升42%、56%和45%。团队通过高分辨电镜观察发现，Y优先与Zn形成Mg₃Y₂Zn₃长周期有序相，而Nd则倾向于在晶界处形成纳米级Mg₁₂Nd析出相，两种强化相的协同作用有效阻碍了位错运动。更重要的是，研究提出了"稀土元素梯度分布"理论——通过控制冷却速度（5-20℃/min），可使稀土强化相从晶内到晶界呈梯度分布，这种结构既保证了强度又改善了塑性，成功解决了传统镁合金"强而脆"的难题。

4 研究方法

研究团队采用"成分设计-制备工艺-性能表征"的全链条研究框架：首先通过Thermo-Calc软件计算不同稀土含量下的相图，预测最佳成分区间；随后采用真空感应熔炼制备合金铸锭，在430℃下进行24小时均匀化处理；通过热挤压工艺（挤压比10:1，温度380℃）获得型材样品。为揭示微观机制，研究使用X射线衍射（XRD）分析相组成，通过扫描电子显微镜（SEM）观察组织形貌，利用透射电子显微镜（TEM）表征析出相结构，并结合室温拉伸试验（拉伸速度2 mm/min）评估力学性能。特别设计了对比实验：制备了Y单添加、Nd单添加及Y-Nd复合添加的系列样品，系统分析不同稀土组合对合金性能的影响规律。

图1　铸态MZGZC-xY-yNd合金的DSC曲线

图2　拉伸后EBSD测试示意图

5 内容解读

论文首先综述了镁合金强化的研究现状，指出当前存在的"强度-塑性-成本"三角矛盾：添加Gd虽能获得高强度但经济性差，添加Zn会导致塑性下降，而单一稀土元素的强化效果有限。在合金成分设计章节，研究通过12组正交实验发现，当Y含量1.2%、Nd含量0.8%、Zn含量5%时，合金综合性能最佳——此时形成的强化相体积分数达到18%，且均匀分布于基体中。热处理工艺部分重点探讨了时效温度对析出相的影响：200℃时效6小时可获得尺寸约50 nm的球状析出相，这种结构比传统时效工艺的强化效果提升25%。在变形机制章节，研究通过EBSD分析发现，稀土元素的添加使合金的孪生变形比例从35%降至12%，滑移系数量增加，这是塑性改善的关键原因。

图3　铸态MZGKX-xY-yNd合金的XRD图谱

图4　铸态MZGZC-xY-yNd合金的显微组织

图5　T4-8态MZGZC-xY-yNd合金的显微组织

图6　T4-16态MZGZC-xY-yNd合金的显微组织

图7　不同状态下MZGZC-xY-yNd合金的晶粒尺寸

图8　铸态MZGZC-xY-yNd合金的SEM图像

图9　T4-8态MZGZC-xY-yNd合金的SEM图像

图10　T4-16态MZGZC-xY-yNd合金的SEM图像

图11　合金4的SEM显微照片

图12　合金4和合金5的TEM 图像

图13　MZGZC-xY-yNd 系列合金力学性能

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图14　合金不同位置的IPF图和晶粒尺寸分布图

图15　不同位置的 T4-8合金4 的晶界图和取向差分布图

图16　合金4（0001）极图及有利变形模式统计

图17　合金5（0001）极图及有利变形模式统计

图18　MZGZC-xY-yNd合金的SEM显微照片及固溶体原子含量

6 主要结论

研究得出三个关键发现：第一，Y和Nd的复合添加能产生协同强化效应，最佳添加比例为1.2:0.8，此时合金的强塑积（强度×延伸率）达到4992 MPa·%，较单一稀土添加提高38%；第二，稀土元素主要通过三种机制强化镁合金：细化晶粒（平均晶粒尺寸从50 μm降至8 μm）、形成LPSO相（长周期堆垛有序结构）和纳米析出相（Mg₁₂Nd相）；第三，通过控制冷却速度可实现稀土相的梯度分布，这种微观结构使合金在承受载荷时产生"渐进式变形"，从而兼具高强度和高韧性。这些发现为高性能稀土镁合金的工业化生产提供了明确指导：在保证性能的前提下，可减少30%的稀土用量，显著降低生产成本。

7 中英文引用格式

中文：郭贺，胡文鑫，何伟，等. Y和Nd对Mg-Zn-Gd合金的组织、变形及力学性能影响［J］

本文转载自：《特种铸造及有色合金》