镁合金具有低密度、高比刚度和比强度、良好的导热性、优良的电磁屏蔽和阻尼减震效果，在航空航天、国防军工和轨道交通等领域具有广阔的应用前景。但传统镁合金的强度相对较低，严重限制了其工业化应用。研究表明，稀土元素可以显著改善镁合金的力学性能和耐热性能。目前开发的高性能稀土镁合金主要集中在Mg-Gd/Y(-Zn)等重稀土合金，稀土含量较高，导致合金成本和密度增加。Mg-Sm基合金由于成本相对低廉，且轻稀土Sm在镁中的最大固溶度为5.8 wt.%，可以提供较好的强化效果，近年来受到关注。变形Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金的室温屈服强度可以达到400 MPa以上。除合金成分外，变形工艺（如挤压比、挤压温度和挤压速率等）也显著影响合金性能。目前关于变形工艺对Mg-Sm-Zn-Zr合金微观组织和力学性能影响的研究鲜有报道，具体作用规律尚不清晰。

        近日，哈尔滨工程大学、中国科学院长春应用化学研究所和东京大学研究人员合作，在相同温度和挤压速率下制备了三种不同挤压比（6.9、10.4和17.6）的Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金，分别命名为ER6.9、ER10.4和ER17.6，利用TEM等先进表征手段分别对三种合金的微观组织进行详细观察，并对合金的拉伸性能进行测试。结果表明，随着挤压比的增大，合金中动态再结晶体积分数和动态再结晶平均晶粒尺寸均逐渐增大，同时基面织构逐渐弱化，室温拉伸强度逐渐降低，但塑性明显提高。ER6.9和ER17.6合金的室温屈服强度分别为340 MPa和202 MPa，断裂伸长率分别为12.1%和29.7%。由此可见，通过控制挤压工艺可以有效调控合金的力学特性，以满足不同服役条件的力学性能需求。

        对比研究了ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的微观组织，如图1所示，在ER6.9和ER10.4合金中均观察到尺寸较小的动态再结晶晶粒和粗大的未再结晶区，未再结晶区体积分数分别为16.3%和10.7%，再结晶晶粒平均尺寸分别为1.48 mm和1.86 mm；而ER17.6合金发生完全动态再结晶，平均晶粒尺寸为4.19 mm。这表明随着挤压比增大，动态再结晶体积分数及其平均晶粒尺寸均逐渐增加，这主要归结于大挤压比在挤压过程中产生较大形变热。另外，在三种合金中均观察到平行于挤压方向、呈带状分布的破碎第二相及弥散分布在再结晶区的小尺寸动态析出相。

图1 不同挤压比合金的OM、SEM及再结晶晶粒尺寸分布图，（a-a2）、（b-b2）、（c-c2）分别对应ER6.9、ER10.4、ER17.6合金

        利用TEM对三种合金中的第二相进行详细表征，ER6.9合金中的第二相主要为Mg3Sm相，在ER10.4和ER17.6合金中除Mg3Sm相外，还观察到明显的Mg41Sm5相（如图2b和图2c中的D和F区域），相应的EDS面扫结果证明这三种不同挤压比合金中的Mg3Sm相均有明显的Zn元素富集。这表明在该合金体系中Zn富集的Mg3Sm相是亚稳相，在挤压比较大时部分转变为Mg41Sm5相，这是因为较大挤压比的变形过程加快了传质速率，从而促使相转变发生。如图3所示，在ER10.4合金的Mg41Sm5相表面观察到随机分布的纳米颗粒相，通过HR-TEM和相应的FFT分析，标定其为简单正交结构的SmZn3相（a=0.669 nm，b=0.4405 nm，c=1.011nm），并与Mg41Sm5相具有确定的位向关系。这是由于在Zn元素富集的Mg3Sm相转变为Mg41Sm5相的过程中，过剩的Sm和Zn元素聚集导致的，在相应的EDS面扫图中可以观察到Sm和Zn元素在颗粒相中明显富集，很好地支持了实验结果。

图2不同挤压比合金的HAADF-STEM、SAED和EDS面扫图，（a-a3）、（b-b3）、（c-c3）分别对应ER6.9、ER10.4、ER17.6合金

图3 ER10.4合金的TEM、HAADF-STEM、HR-TEM、FFT和EDS面扫图

        进一步研究了挤压比对合金拉伸性能的影响，结果如图4所示。ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的室温屈服强度分别为340 MPa、288 MPa和202 MPa，断裂伸长率分别为12.1%、17.8%和29.7%。由此可见，随着挤压比的增大，合金屈服强度逐渐降低，但塑性明显提高。这是因为随着挤压比增大，动态再结晶平均晶粒尺寸逐渐增大，晶界强化效果减弱；合金中动态再结晶体积分数随挤压比增大，基面织构弱化，从而导致织构强化效果减弱；挤压比增大导致的织构弱化和再结晶晶粒长大有利于提高加工硬化，从而改善塑性。如表1所示，ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的硬化能力（Hc）分别为0.039、0.143和0.429。

图4 不同挤压比合金的室温拉伸应力-应变曲线

表1 合金的拉伸性能及硬化能力

        综上所述，本文系统研究了挤压比对Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金微观组织和力学性能的影响。结果表明，挤压比对合金的微观组织和力学性能起关键作用，可以通过控制挤压比有效调控合金微观组织，进而优化合金性能。这为开发中低稀土含量高性能镁合金提供了新的思路。