固态相变

Mg-Al 系镁合金离异共晶β相的研究

摘要::Mg-Al 系镁合金中的第二相主要是离异共晶β相, 其含量、形状、分布和大小对合金的力学性能和成形有很大的影响。综述了Mg-Al 系镁合金国内外从晶粒细化方面来改善离异共晶β相的方法, 并分析了不同方法的特点和机理。结果表明，采用适当的措施可以改善和抑制离异共晶β相。

关键词:镁合金，离异共晶，晶粒细化

Research of Divorced Eutectic β-Phase in Mg-Al Based

Alloys

Abstract:The second-phase is mainly divorced eutectic β-phase in the Mg-Al based alloys. The mechanical property and forming of magnesium alloys are apparently decided by the volume fraction, shape, distribution, and size of β-phase. The methods of improving the divorced eutectic β-phase by refining grain in Mg-Al based alloys are reviewed. The Characteristic and mechanism of these different grain refinement methods are analyzed. The result:Adopt appropriate measures to improve an d inhibit divorced eutectic β-phase.

Key words: magnesium alloy; divorced eutectic; grain refinement

1.引言

纯镁的力学性能很低，不适合做结构材料。作为结构材料应用的镁主要是镁合金和铝－镁合金。全世界约有千种铝合金牌号,若按化学成份归类的话,约为300多种。这300多种铝合金几乎都含有镁,其中以镁作为主要添加剂的铝－镁合金(镁含量最高为10.5%)约为40种。全世界各国镁合金品牌共有200多种,这些品牌按化学成份可归为30多种。共中变形镁合金黄色10多种,铸造镁合金20多种,铸造镁合金主要有以下3个体系。

（1）镁－铝合金。这种合金自第一次世界大战被德国使用以来,成了最广泛使用的铸造镁合金的基础。大部份含有8%～9%的铝及少量的锌(使拉伸性能有某些提高)和锰(改善抗蚀性)

（2）镁－铝－锌合金。镁－铝合金中加锌会产生一定的强化作用,其中高含锌量的合金具有很吸引人的压铸特性。如Mg－8AL－8ZN,具有足够大的流动性,可用于压铸件,而且流动性和抗蚀性超过传统铝－锌合金。

（3）含锆镁合金。锆能细化晶粒,改善镁合金的拉伸性能,提高镁合金蠕变能力,以满足航空和航天工业的需要。属于这一系列的合金有镁－锌－锆合金,镁－稀土－锌－锆合金,以及镁－钍系为基和镁－银系为基的含ZR合金。这种含稀土金属和或含钍的合金都可焊。钍能改善铸造性能。银可以进一步提高拉伸性能。

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、比弹性模量大、电磁屏蔽性能好、易于回收等优点，在汽车、航空航天、通讯电子等许多领域具有广阔的应用前景[1]。镁合金是实用材料中最轻的金属，主要应用于航空航天、运输、化工等工业部门，被誉为“绿色工程材料”和21 世纪的“时代金属”［2 － 4］。但由于镁合金绝对强度偏低，室温塑性变形能力较差等不足，其大规模应用受到一定程度的限制。因此，提高镁合金的强度和塑性已成为国内外学者的研究热点。

究其原因, 高合金化率的镁合金均依赖铸造成型, 其液-固转变过程中析出大量硬而脆的镁铝金属间化合物(β相) , 使本来形变途径就不如面心立方结构的铝基合金多的密排六方结构的镁基合金变形难度增大, 韧性降低。

2.共晶β相得特征

β-Mg17Al12相的熔点为462℃[5]，具有α-Mg型体心立方结构，a=1.05797nm[6]。Mg-Al 系镁合金在非平衡凝固过程中, 析出共晶β相, 并以不

规则网状分布于初晶α-Mg相的晶界或枝晶间。

由于β相质硬而脆, 对合金的力学性能、特别是伸长率造成较大的不利影响。如何减少β相的析出量, 抑制或改善β相的生长形态, 尽量减轻β相对镁合金强韧性的不利影响, 就成为提升镁合金力学性能的主要目标之一。

3.离异共晶β相的生长方式

离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶数量较多，共晶数量很少，共晶中与初晶相同的依附初晶长大，共晶中另外一个相呈现单独分布，使得共晶组织失去其特征有组织特征的现象。

对于铝含量( 质量分数, 下同) 在2%~ 12. 7%范围的镁合金, 在非平衡凝固条件下, 当温度低于液相线温度时, 合金液开始凝固, 首先发生的是匀晶反应：L→α-Mg，初生的α-Mg相优先析出并长大, 先析出的α相铝原子含量低, 随着凝固的继续进行, 由于铝原子在固相中的扩散缓慢, 析出的α相的平均成分将偏离平衡固相线, 多余的铝原子被推向液体中。合金熔液中的铝原子逐渐增加, 当温度低于固相线时, 凝固并没有结束。在凝固后期, 在枝晶间或晶粒间的剩余的液相成分达到共晶成分, 达到共晶温度时发生共晶转变。在共晶转变过程中α相将依附于先析出的α相生长, 使共晶β相在晶界处独立长大, 从而形成离异共晶组织。

4.改善离异共晶β相的方法

通过晶粒细化可改善共晶β相的分布形态, 即晶粒细化有利于初始凝固组织中存在的非平衡组织的分散细化[7]。晶粒细化对改善镁合金屈服强度和延展性有巨大作用与潜力, 是改善多晶镁变形结构特征、提高镁合金性能的重要途径之一。

镁合金凝固组织的改善主要通过两类途径: 一类是采用传统的冶金化学手段，一般可加入ＲE、Zr、Ca、Sr、B 等合金元素; 另一类是通过在合金凝固过程中施加物理场(如超声波、磁场和电流等)，该技术相对于前者具有成本低、环境友好等优点，且该技术不会影响合金成分。目前, 国内外在晶粒细化方面已作了大量的研究工作,主要有:熔体过热法；熔剂处理法；挤压法；半固态成形法；熔体搅拌法；快速凝固及粉末冶金法等。

熔体过热法的工艺原理是: 将合金熔体过热到高于熔点的某一温度范围内,