镁合金是迄今为止最轻的商业化结构材料，它具有良好的比强度和弹性模量，其密度只有1.74 g/cm³.但由于镁的晶体结构为密排六方，因而其变形能力较差，制约了镁合金的应用^{[1, 2]}.在一系列镁合金中，Mg-Li合金属于超轻合金，而且随着Li元素的添加，镁合金的晶体结构由密排六方向体心立方转变，从而具有更多的滑移系^[3].因此，Li元素添加到镁合金中能够显著提高合金的变形能力，使其在结构材料和电气装置元件领域具有广阔的应用前景^{[4, 5]}.但是，由于Mg-Li合金的强度偏低，不能很好地满足应用领域的需求，在很大程度上制约了其发展与应用.

稀土元素Y是镁锂合金的有益添加元素，合金中加入Y元素不但可以阻燃、改善合金的铸造性能，还可以起到固溶强化、细晶强化及弥散强化等作用，显著提高铸态合金的室温强度及热稳定性^{[6, 7, 8, 9]}.本文对具有广阔应用前景的挤压态Mg-5Li-xY(x=0,1,2,3,4)合金的显微组织进行了研究，重点分析了稀土元素Y对挤压态Mg-5Li合金力学性能的影响，以期对该类合金在汽车制造、电子3C等行业的应用提供理论依据.

研究中选用的实验原料为纯镁锭(99.9%)、锂锭(99.9%)和Y质量分数为30%的Mg-Y中间合金.在电阻炉中采用表面覆盖剂及氩气保护的熔炼方法制备出直径为70 mm、长135 mm的Mg-5Li-xY(x=0,1,2,3,4)合金棒.合金在673 K的温度下固溶处理24 h，之后加工成φ60 mm、长120 mm的柱状合金棒，在532 K的温度条件下进行反向挤压变形，挤压比为25∶1，挤压速度为30 mm/s.金相试样经过砂纸打磨及抛光后使用苦味酸-乙醇溶液进行浸蚀，使用Olympus DXS600金相显微镜观察合金的显微组织.采用Ultra Plus扫描电镜及其附带的能谱仪分析合金的显微组织和微区成分.在X’Pert Pro型X射线衍射仪上分析合金的相组成.在Instron 5969型电子万能试验机上进行拉伸性能测试，拉伸速度为1 mm/min.

稀土元素Y已被研究证实具有有效细化镁合金晶粒的作用，并可通过改变滑移或孪生的作用机制，显著提高镁合金的韧性.图1是合金垂直于挤压方向的金相显微照片.由图可见，挤压态 Mg-Li二元合金的晶粒尺寸较大，并且大小不均.合金中添加稀土Y元素后，晶粒得到了明显细化，出现大量的等轴晶，并且随着Y质量分数的增加，细化效果逐渐增强，合金中的颗粒状稀土相增多，有效地抑制了合金在挤压过程中动态再结晶晶粒的长大，从而使合金的晶粒得到了明显的细化.

图 1( Figure 1)

Fig. 1

图 1 挤压态Mg-5Li-xY合金的金相显微组织(垂直于挤压方向) Fig. 1 Microstructures of as-extruded Mg-5Li-xY alloys (perpendicular to extrusion direction) (a)—x=0； (b)—x=1; (c)—x=3； (d)—x=4.

Mg-5Li-xY中以体心立方结构的β相为主，合金具有良好的塑性变形能力，挤压成形过程的三向压应力状态也有助于避免合金中裂纹等缺陷的形成.图2是合金平行于挤压方向的金相显微照片.由图可以发现，经过挤压变形后，合金中出现了明显的挤压带.合金中稀土化合物也表现出沿着挤压方向分布的特点，并且随着Y质量分数的增加而增多.晶粒尺寸随Y质量分数的增加而发生的变化与图1中垂直于挤压方向观察到的形貌相同.

图 2( Figure 2)

Fig. 2

图 2 挤压态Mg-5Li-xY合金的金相显微组织(平行于挤压方向) Fig. 2 Microstructures of as-extruded Mg-5Li-xY alloys (parallel to extrusion direction) (a)—x=0； (b)—x=1; (c)—x=3； (d)—x=4.

表征并分析Y元素在Mg-5Li-xY合金中的赋存状态，并从相组成角度分析其强韧化机理，这对明确Mg-5Li-xY合金的成分设计原则，进而实现对合金力学性能的调控具有重要意义.图3为挤压态Mg-5Li-3Y合金的X射线衍射谱.由图可见,合金中主要存在α-Mg相，β-Li相和Mg₂₄Y₅相，物相分析结果进一步说明合金中的稀土元素Y主要以稀土化合物Mg₂₄Y₅的形式存在.

图 3( Figure 3)

Fig. 3

图 3 挤压态Mg-5Li-3Y合金XRD衍射谱 Fig. 3 XRD pattern of as-extruded Mg-5Li-3Y alloy

图4为挤压态Mg-5Li-3Y合金的SEM形貌及能谱分析图.对A点位置进行能谱分析，结果如图4b所示，说明基体相主要是由Mg元素组成的，并且还检测出了Y元素的存在，表明合金中有部分Y元素固溶到了α-Mg基体中.在合 金中选取B点位置的化合物进行能谱分析，其结果如图4c所示，其Mg与Y的原子数比接近24∶5，结合XRD分析结果，可以确认为Mg₂₄Y₅相.结合对合金显微组织及物相分析的测试结果，在Mg-5Li合金中添加稀土Y元素后，合金中出现了一定量的稀土化合物Mg₂₄Y₅，部分稀土化合物在挤压过程中被挤碎成小颗粒，最终沿挤压方向呈带状分布在合金基体中.

图 4( Figure 4)

Fig. 4

图 4 挤压态Mg-5Li-3Y合金的SEM形貌及能谱分析结果 Fig. 4 SEM image and EDS results of as-extruded Mg-5Li-3Y alloy (a)—SEM； (b)—A点能谱分析; (c)—B点能谱分析.

稀土镁合金的研究发现，合金中添加适量的Y元素可以改善合金的铸造性能,细化组织,增强合金耐蚀性能，对提高合金室温及高温力学性能也具有积极作用.图5给出了挤压态合金的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率.从图中可以看出，合金中添加稀土Y元素后，合金的屈服强度和抗拉强度均有较大幅度的提高.合金中添加1%Y元素后，合金的抗拉强度达到了218.76 MPa，较Mg-5Li二元挤压态合金的抗拉强度提高了48.2%.当Y的质量分数增加到3%时，合金的抗拉强度达到了最高值231.63 MPa.继续增大合金中Y的质量分数，合金的抗拉强度反而有所下降.合金的屈服强度与抗拉强度的变化趋势一致，Mg-5Li-3Y合金获得了175.87 MPa的最大屈服强度.结合对挤压态合金显微组织的分析可知，Mg-5Li-3Y合金具有较小的晶粒尺寸，细晶强化效果显著，并且合金中具有较多弥散分布的颗粒状化合物，对晶界也起到了一定的钉扎作用，阻碍了晶粒之间的相互运动，使合金变形抗力增加，发挥了第二相强化的作用，从而提高了合金的力学性能^[10].而当Y质量分数达到4%时，合金中的稀土相增多，部分发生了团聚，形成了体积较大的化合物，第二相强化作用减弱，从而影响了合金的强度.

图 5( Figure 5)

Fig. 5

图 5 挤压态Mg-5Li-xY合金屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率 Fig. 5 Tensile strength,yield strength and elongation of as-extruded Mg-5Li-xY alloys

此外，从图5中还可以发现，合金的断裂伸长率同样表现为先增大后减小的趋势，Mg-5Li-3Y合金的伸长率可达到9.35%.Mg-5Li合金添加Y后，合金的晶粒尺寸大幅度下降，由于晶粒尺寸越小，单位体积内的晶粒数目就越多，在相同的变形应力下，可有效阻碍裂纹的传播，从而使合金具有较好的塑性.图6为Mg-5Li-3Y挤压 态合金的拉伸断口形貌，由图可见,拉伸断口处有大量的撕裂棱，局部有小的解理断裂面，但是并没有观察到明显的规则解理面.同时，从图中箭头处可知，断口处形成了一定量的“空洞”.这是由于合金在铸造过程中，由于镁元素的烧损及锂元素的挥发，产生了一定量的微缺陷，拉伸过程中这部分缺陷成为应力集中的区域，断裂失效后即形成 “空洞”.总体而言，挤压态Mg-5Li-3Y合金的 拉伸断裂方式以韧性断裂为主，但在局部出现了少量的解理断裂特征.

图 6( Figure 6)

Fig. 6

图 6 挤压态Mg-5Li-3Y合金的室温拉伸断口形貌 Fig. 6 Tensile fracture morphology of as-extruded Mg-5Li-3Y alloy at room temperature.

1) Mg-5Li合金中加入Y后，合金中生成了稀土化合物Mg₂₄Y₅.Mg₂₄Y₅相阻碍了合金在挤压过程中动态再结晶晶粒的长大，显著细化了合金的晶粒.经过挤压变形后，Mg-5Li-xY合金中出现了明显的挤压带，合金中稀土化合物表现出沿挤压方向分布的特征.

2) Mg-5Li合金中添加Y后主要产生了固溶强化、细晶强化及第二相强化，使得挤压态合金的力学性能有了较大提升.随Y质量分数的增加，合金的抗拉强度、伸长率等力学性能呈先上升后下降的趋势，Y质量分数过高时易导致合金中稀土相体积过大并发生团聚，降低了第二相强化作用.

3) 挤压态Mg-5Li-3Y合金获得了较好的力学性能，其抗拉强度和断裂伸长率分别达到了231.63 MPa和9.35%.合金的室温拉伸断裂方式以韧性断裂为主.