淺談鎂合金晶粒細(xì)化的方法和意義

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1、2011~2012學(xué)年新材料新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)淺談鎂合金晶粒細(xì)化的方法和意義重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)摘要簡(jiǎn)述了鎂合金的工程運(yùn)用現(xiàn)狀和細(xì)化晶粒的益處；以鎂合金晶粒細(xì)化方法為主線，對(duì)鎂合金在熔體階段的過(guò)熱處理、添加變質(zhì)劑、物理場(chǎng)法、動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化和快速凝固法，以及鎂合金固態(tài)階段的鍛造、擠壓、軋制和劇烈塑性變形等細(xì)化晶粒的方法進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，歸納了鎂合金細(xì)化晶粒的意義。關(guān)鍵詞鎂合金晶粒細(xì)化熔體固態(tài)形變1背景介紹純鎂是銀白色金屬，熔點(diǎn)651℃，密度為1.74×103kg/m3，是最輕的工程金屬[1]。鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、減振和抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有較好的尺寸穩(wěn)定性和

2、機(jī)械加工性能及低廉的鑄造成本。在汽車(chē)、電子、通信、航空航天、國(guó)防和3C等行業(yè)都擁有廣泛的應(yīng)用前景。但是鎂合金密排六方的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了在室溫條件下獨(dú)立滑移系少，導(dǎo)致室溫塑性低、變形加工困難和變形容易開(kāi)裂等阻礙了鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。其次，鎂合金強(qiáng)度偏低，無(wú)法應(yīng)用于受力較大的工程環(huán)境，也成為鎂合金大規(guī)模運(yùn)用的一大瓶頸。所有提高鎂合金的室溫塑性變形能力和強(qiáng)度有利于鎂合金工程應(yīng)用的普及和推廣[2~5]。細(xì)化晶粒是唯一可以提高金屬構(gòu)件強(qiáng)度的同時(shí)，又提高塑性的方法。根據(jù)Hall-petch公式，材料的強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的減小而增大。鎂合金具有很大的系數(shù)ky，所有，細(xì)化晶粒能夠顯著的提高鎂合金的強(qiáng)度[6

3、]。而且，由于有細(xì)小均勻晶粒的材料發(fā)生塑性變形時(shí)，各晶粒分擔(dān)一定的變形量，使變形更加均勻，位錯(cuò)在晶界處塞積少，應(yīng)力集中小，材料開(kāi)裂的傾向減小，從而提高材料的塑性。2晶粒細(xì)化方法目前用于工程和科研中有很多細(xì)化鎂合金晶粒的方法，筆者綜合相關(guān)論文報(bào)道將鎂合金晶粒細(xì)化分為兩個(gè)階段細(xì)化：熔體階段細(xì)化和固態(tài)形變處理細(xì)化。2.1熔體階段細(xì)化2.1.1過(guò)熱處理法過(guò)熱處理是澆注前將熔體溫度升高并保持一段時(shí)間后再降溫至澆注溫度進(jìn)行澆注的工藝過(guò)程。過(guò)熱處理細(xì)化晶粒的機(jī)制是過(guò)熱處理過(guò)程中形成了可以作為非均質(zhì)結(jié)晶核心[7]。目前廣泛認(rèn)同的觀點(diǎn)是Fe等元素在鎂熔體中的溶解的隨溫度變化很顯著，隨著溫度的降低，F(xiàn)e在鎂中溶解

4、度急劇降低，在過(guò)熱的熔體降溫時(shí)，過(guò)熱難容的鐵將從液相中先析出，在凝固過(guò)程中成為α-Mg的異質(zhì)形核基底。過(guò)熱處理在一定程度上可以細(xì)化晶粒，但是也存在很多缺陷。例如，將熔體加熱到高溫鎂合金熔體會(huì)因大量溶解氣體和雜質(zhì)而質(zhì)量下降，從而降低合金的綜合性能，所以，過(guò)熱處理法在工業(yè)上應(yīng)用很少。2.1.2添加變質(zhì)劑添加變質(zhì)劑可以改善合金的鑄造性能和加工性能，使鑄件組織細(xì)小均勻，因而提高合金的強(qiáng)度和塑性。加入的變質(zhì)劑必須滿(mǎn)足6點(diǎn)：①高溫下化學(xué)成分不變，在熔體中有足夠的穩(wěn)定性2011~2012學(xué)年新材料新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，不會(huì)發(fā)生分解；②變質(zhì)劑熔點(diǎn)比基體高；③變質(zhì)劑的晶格類(lèi)型與基體的晶格應(yīng)大致相近；④與被細(xì)化的熔體原

5、子能形成較強(qiáng)的吸附鍵；⑤變質(zhì)劑的密度與基體相差不大，不會(huì)在熔體中下沉或上??；⑥變質(zhì)劑必須清潔，表面無(wú)氧化物等[7]。目前鎂合金熔體的變質(zhì)處理一般有兩種方式：（1）向熔體合金中加入高熔點(diǎn)的第二相顆粒，如Al4C3和TiC等都是很好的鎂及鎂合金用的細(xì)化劑。（2）向鎂合金熔體中加入能夠細(xì)化晶粒的合金元素，加入合金元素細(xì)化晶粒有兩種機(jī)制[7,8]：①一些合金（如Zr和Ca）是由于加入鎂合金后凝固過(guò)程中發(fā)生包晶反應(yīng)而使晶粒得到細(xì)化；②有一些合金元素（如稀土元素Er）加入則是與鎂或其他元素形成金屬間化合物的第二相顆粒促進(jìn)異質(zhì)形核，或加一些稀土元素（如Y、Ce、Nd等）在合金凝固過(guò)程中造成固/液界面前沿成分

6、過(guò)冷度增大或富集在晶界周?chē)?，阻礙第二相生成同時(shí)自身生成高熔點(diǎn)第二相阻礙晶粒的長(zhǎng)大。（1）向熔體加入第二相顆粒當(dāng)向熔體中加入第二相硬質(zhì)顆粒促進(jìn)鎂液異質(zhì)形核時(shí)，第二相顆粒晶體結(jié)構(gòu)與α-Mg基體的匹配程度決定了這種顆粒的細(xì)化晶粒的效果。根據(jù)液體非均勻形核時(shí)的自由能變化[9]，某液體在與異質(zhì)核心的潤(rùn)濕角為θ時(shí)，形成半徑為r的晶核自由能變化此時(shí)所需要的臨界晶核半徑當(dāng)θ=0基底與與核心完全潤(rùn)濕，ΔG非=0，即不需要形核功，基底本身可看作現(xiàn)成晶核，可以直接長(zhǎng)大。當(dāng)0<θ<π時(shí)，ΔG非<ΔG均，且θ愈小，形核愈容易。當(dāng)θ=π時(shí)，ΔG非=ΔG均，此時(shí)為均勻形核。所以，加入的第二相形核質(zhì)點(diǎn)與鎂基體的潤(rùn)濕角越小越好

7、，潤(rùn)濕角越小，晶核長(zhǎng)大所需要的形核功就越小，單位體積內(nèi)形核數(shù)量越多，即形核率提高，因此可以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。（2）加入能夠細(xì)化晶粒的合金元素鎂合金中加入相應(yīng)的合金元素可以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，目前研究中通常加入Zr和Ca來(lái)細(xì)化晶粒。Zr對(duì)鎂合金細(xì)化的主要機(jī)制是Emley[3]提出的包晶反應(yīng)機(jī)制，Zr粒子在包晶溫度下首先從熔體中析出并與鎂熔體反應(yīng)生成一層富Zr固溶體，直到剩余熔體中Zr含量下降至較低