镁合金是目前最轻的结构材料,极具应用潜力。本课题针对镁合金存在机械性能偏低的问题,特别是强度和塑韧性有待进一步提高的实际使用要求,以广泛使用的铸造镁合金AZ91D镁合金为研究对象,通过添加稀土元素铈和钇,研究稀土元素的存在形式以及对铸态和时效处理性能的影响,以期改善AZ91D镁合金的性能并对稀土的作用行为给予解释。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射分析等方法对添加稀土的镁合金进行了研究。结果表明,稀土在铸态镁合金中主要以三种形式存在,即固溶于α-Mg固溶体、固溶于β-Mg₁₇Al₁₂金属间化合物及形成Al-RE相。随着稀土加入量增加,AZ91D合金铸态晶粒逐渐细化,大块网状分布的β-Mg₁₇Al₁₂相断网并减少,组织中针状Al4Ce相和块状Al2Y相增多并聚集长大。稀土能够改善铸态AZ91D镁合金的机械性能,当Ce的加入量在0.8%时抗拉强度最大为185MPa,延伸率变化不大,硬度值最大为68.3HV;当Y的加入量为1.2%时,抗拉强度最大为190.6MPa,延伸率为6.3%,硬度值最大为67.8HV。故在一个适宜的稀土加入量条件下,抗拉强度较未加稀土时159.5Mpa有所提高,延伸率也高于未加稀土时3.4%。相比而言,Y比Ce能更好的提高机械性能。在铸态镁合金中,未添加稀土元素的合金断口为解理,添加稀土元素的合金其断口形貌明显不同,出现准解理台阶,部分区域出现韧窝。稀土有其适宜的加入量,过量的稀土将有损铸态镁合金的机械性能。对固溶和时效过程以及性能的分析表明,420℃固溶处理时,AZ91D镁合金经12小时保温,β-Mg₁₇Al₁₂相分解基本完成;而添加稀土的镁合金,其β-Mg₁₇Al₁₂相分解的时间增长;Al-RE相在该温度下不发生分解。175℃时效处理时,β-Mg₁₇Al₁₂相在晶界处析出,并与α-Mg构成片层相间的组织;当时效约18小时时,合金全部形成该片层组织;若继续延长时效时间,组织中出现块状的β-Mg₁₇Al₁₂相。稀土对固溶过程β-Mg₁₇Al₁₂相的分解和时效过程β-Mg₁₇Al₁₂相的析出具有一定的抑制作用。硬度测定表明,当合金全部为片层组织时对应着时效硬度峰值,稀土的加入延缓了时效峰值的出现。合金经420℃固溶+175℃18h时效处理后,抗拉强度有明显的提高,延伸率稍有提高。随着Ce或Y添加量的增加,合金的抗拉强度均呈现出先增后降的趋势。并当Ce的加入量在0.8%,Y的加入量为1.2%时,抗拉强度σb分别达到最大,为232MPa和239MPa,分别较未加稀土时效后的223 MPa提高3.9%和6.7%,延伸率分别为5.24%和6.44%,高于未加稀土时效后的4.4%。Y对时效组织的强化效果更好。未添加稀土元素的时效合金拉伸断口呈典型的解理形貌,而添加稀土元素后的合金拉伸断口形貌有明显不同,解理刻面数量增多且面积减小、撕裂棱增多变长,并变得弯曲,钇加入量为1.2%的合金可见局部韧窝存在。