相图在镁合金研究中的作用

相图在镁合金研究中的应用

1. 相图概述

相图被形象地称为材料科学工作者的地图，它表示在以温度、压力、成分等参量为坐标的相空间中，物质的相组成变化图。目前，相图通过实验和计算两种途径获得。

2. 相图应用

材料性能与微观组织密切相关，如何设计材料得到所需的相及微观组织，这可以从相图上获得指导。相图可以提供合金的诸多信息，例如，对于某三元

体系来说，等温截面不仅可以直观的告诉我们某一温度下某合金的平衡相组成，也可以告诉我们该合金在该温度下各种可能的亚稳相组成。从变温截面可以获知该合金的平衡凝固过程，结合相图计算，还可以了解在不同凝固条件下的各种可能的凝固路线以及最有可能发生的凝固行为。相图计算可以很方便的给出各种热力学为坐标的稳定及亚稳相图，有效地应用于合金成分和工艺的设计；还可以为动力学、组织结构演化等方面分析和计算模拟提供热力学信息。相图在材料科学中主要有以下几方面的应用[1]：

（1）选择合金成分及设计制备工艺

相图信息能极大地减少材料设计过程中的盲目性。在材料的生产和处理过中，熔炼和浇注温度，热变形温度范围，烧结温度，热处理类型及工艺参数均可由相图作为依据来确定。

（2）凝固和相变过程

通过相图计算可以分析与模拟合金的凝固及相变过程。

（3）界面反应及扩散通道

柳春雷等[2]通过计算亚稳相图、比较界面处局部平衡时各相形成驱动力大小，预测了Sn-3.5%Ag/Cu、Sn-2.5%Ag/Cu 和Sn-3.5%Ag/Ni 扩散偶界面反过

程中的中间相形成序列，并利用Scheil-Gulliver 凝固模型模拟了Sn-2.5%Ag/Cu 体系中过剩焊料的非平衡凝固过程，预测了焊料在之后冷却过程中的相变化。根据微观组织与性能关系来评估焊接接头的可靠性，从而选择合理的焊料成分、优化焊接工艺。

（4）非平衡状态

通过相图不仅可以了解平衡态，也可以了解非平衡状态。实际应用的材料处于真正的平衡状态几乎不可能，利用相图可以推测非平衡态下可能的组织变化。Perepezko 和Boettinger根据液相投影图分析了Al-1.8Fe-1.1Si(wt.%)合金不同冷却速度下的扩散通道。

（5）合金性能谱

相图与材料的力学性能、物理性能等有一定的关系，因此可根据相图预测相关性能。赵继成提出了利用扩散偶来预测合金性能谱的技术，利用现代的各

种显微分析手段，如电子探针、背散射等对扩散偶样品的各区域进行检测，可以分析和测定合金成分-相-性能之间的关系图，这可以加快合金的设计过程。（6）故障分析和服役寿命预测

利用相图可进行材料生产过程中的故障分析，工件在加工过程中出现的一些缺陷，可根据某些杂质元素可能的反应来分析和控制。还可进行服役寿命预测，Terminello 等[3]通过计算Pu-Ga 相图，预测出核武器中钚核心的使用寿命至少为85年。

3 镁合金相图

相图信息对材料成分的选择、优化制备加工工艺及热处理工艺等具有重要的意义。当今，已经开发出若干种商业镁合金，如高强、耐热、超轻镁合金等，但与钢铁和铝合金相比，镁合金的合金化尚存在许多问题。

镁合金相图信息有限，缺少热力学数据库及扩散系数、动力学数据库，以及在数据库基础上的合金设计的理论与实践的积累。87 个Mg-X 二元系中，25 个与高熔点元素组成的体系未建起相图，26 个体系只有少数晶体结构数据而未建起相图，并且已建起的二元相图也要不断根据新的实验信息进行修正。镁基三元相图共有3000个左右，Mg-Al-X系研究的较多，但是只有15个可以用来帮助合金设计，其余的由于只有少量的相平衡信息，不足以指导合金设计。2003 年，L.L. Roklin撰写的含稀土镁合金的书中总结了前苏联过去几十年对Mg-RE

二元系和多个三元系相图的研究；近年来德国的R. Schmid-Fetzer、意大利R. Ferro、美国的Z.K. Liu及加拿大的M. Medraj [4]等研究组对镁合金相图研究相对较多，国内主要是东北大学的郝士明课题组[5]、北京科技大学的杜振民课题组

和中南大学的刘立斌课题组[6]做了镁合金相图实验测定和计算工作。

镁合金相图信息是开发设计镁合金的理论基础，它不仅可以避开繁琐的实验测定，获得通过实验难以获得的数据，还可以检验实验数据的可靠性，为镁合金的成分的优化、热处理工艺的选取做理论上的支持与准备。镁合金相图研究的滞后，主要是由于实验比较困难造起的。由于金属镁易挥发和氧化，常用的稀土元素也极易氧化，这使实验难度大大增加。因此，镁合金相图的实验测定方法，有待于进一步研究，并在实验相图基础上，优化和计算镁基合金相图，建立镁合金热力学数据库，通过相图计算分析镁合金的相变规律，设计合金成分、优化加工和热处理工艺[7]。

参考文献：

[1] 金姗.部分稀土永磁材料体系的相平衡优化及应用[硕士论文], 长沙：中南大学, 2009.

[2] 柳春雷，金展鹏，刘华山. 相图计算在电子材料焊接中的应用. 中国有色金属学报，2003，13(6)：p.1343～1349.

[3] J.T. Louis, W. Bill, K. Alison et al., Synergistic computational/experimental efforts supporting stockpile stewardship: pit lifetimes, Presentation to the Committee on Integrated Computational Materials Engineering- Meeting 2, March 13, 2007. [4] Y.N. Zhang, D. Kevorkov, F. Bridier and M. Medraj, Experimental study of the Ca-Mg-Zn system using diffusion couples and key alloys,Science and Technology of Advanced Materials, 2011, 12 (2): p. 1-13.

[5] Y.P. Ren, G.W. Qin, W.L. Pei, H.D. Zhao, Y. Guo, H.X. Li, M. Jiang and S.M. Hao, Isothermal section of the Mg-Al-Mn ternary system at 400℃, Journal of Alloys and Compounds, 2009, 479(1-2), p:237-241.

[6] 孟凡桂.部分稀土镁合金体系相关系的研究[博士论文]，长沙：中南大学, 2006.

[7] 戚海英.部分高强耐热稀土镁合金体系的相关系及其凝固组织分析[博士论文]，长沙：中南大学, 2014.