浅论镁合金晶粒细化的方法和意义

浅谈镁合金晶粒细化的方法和意义

重庆大学材料科学与工程学院材料科学专业

摘要 简述了镁合金的工程运用现状和细化晶粒的益处；以镁合金晶粒细化方法为主线，对镁合金在熔体阶段的过热处理、添加变质剂、物理场法、动态晶粒细化和快速凝固法，以及镁合金固态阶段的锻造、挤压、轧制和剧烈塑性变形等细化晶粒的方法进行了总结。同时，归纳了镁合金细化晶粒的意义。

关键词 镁合金 晶粒细化 熔体 固态形变

1 背景介绍

纯镁是银白色金属，熔点651℃，密度为1.74×103kg/m3，是最轻的工程金属[1]。镁合金具有密度低、比强度高、比刚度高、减振和抗冲击性能好等优点，而且还具有较好的尺寸稳定性和机械加工性能及低廉的铸造成本。在汽车、电子、通信、航空航天、国防和3C 等行业都拥有广泛的应用前景。但是镁合金密排六方的晶体结构特点，决定了在室温条件下独立滑移系少，导致室温塑性低、变形加工困难和变形容易开裂等阻碍了镁合金材料的广泛应用。其次，镁合金强度偏低，无法应用于受力较大的工程环境，也成为镁合金大规模运用的一大

瓶颈。所有提高镁合金的室温塑性变形能力和强度有利于镁合金工程应用的普及和推广[2~5]。

细化晶粒是唯一可以提高金属构件强度的同时，又提高塑性的方法。根据Hall-petch 公式21

0s -+=d k y σσ，材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增大。镁合金具有很大的系数

k y ，所有，细化晶粒能够显著的提高镁合金的强度[6]。而且，由于有细小均匀晶粒的材料发生塑性

变形时，各晶粒分担一定的变形量，使变形更加均匀，位错在晶界处塞积少，应力集中小，材料开裂的倾向减小，从而提高材料的塑性。

2 晶粒细化方法

目前用于工程和科研中有很多细化镁合金晶粒的方法，笔者综合相关论文报道将镁合金晶粒细化分为两个阶段细化：熔体阶段细化和固态形变处理细化。

2.1 熔体阶段细化

2.1.1 过热处理法

过热处理是浇注前将熔体温度升高并保持一段时间后再降温至浇注温度进行浇注的工艺过

程。过热处理细化晶粒的机制是过热处理过程中形成了可以作为非均质结晶核心[7]。目前广

泛认同的观点是Fe 等元素在镁熔体中的溶解的随温度变化很显著，随着温度的降低，Fe 在镁中溶解度急剧降低，在过热的熔体降温时，过热难容的铁将从液相中先析出，在凝固过程中成为α-Mg 的异质形核基底。过热处理在一定程度上可以细化晶粒，但是也存在很多缺陷。例如，将熔体加热到高温镁合金熔体会因大量溶解气体和杂质而质量下降，从而降低合金的综合性能，所以，过热处理法在工业上应用很少。

2.1.2 添加变质剂

添加变质剂可以改善合金的铸造性能和加工性能，使铸件组织细小均匀，因而提高合金的强度和塑性。加入的变质剂必须满足6点：①高温下化学成分不变，在熔体中有足够的稳定性，不会发生分解；②变质剂熔点比基体高；③变质剂的晶格类型与基体的晶格应大致相近；④与被细化的熔体原子能形成较强的吸附键；⑤变质剂的密度与基体相差不大，不会在熔体中

下沉或上浮；⑥变质剂必须清洁，表面无氧化物等[7]。

目前镁合金熔体的变质处理一般有两种方式： （1）向熔体合金中加入高熔点的第二相颗粒，如Al 4C 3和TiC 等都是很好的镁及镁合金用的细化剂。 （2）向镁合金熔体中加入能够细化

晶粒的合金元素，加入合金元素细化晶粒有两种机制[7,8]：①一些合金（如Zr 和Ca ）是由

于加入镁合金后凝固过程中发生包晶反应而使晶粒得到细化；②有一些合金元素（如稀土元素Er ）加入则是与镁或其他元素形成金属间化合物的第二相颗粒促进异质形核，或加一些稀土元素（如Y 、Ce 、Nd 等）在合金凝固过程中造成固/液界面前沿成分过冷度增大或富集在晶界周围，阻碍第二相生成同时自身生成高熔点第二相阻碍晶粒的长大。

（1）向熔体加入第二相颗粒

当向熔体中加入第二相硬质颗粒促进镁液异质形核时，第二相颗粒晶体结构与α-Mg 基体的

匹配程度决定了这种颗粒的细化晶粒的效果。根据液体非均匀形核时的自由能变化[9]，某液

体在与异质核心的润湿角为θ时，形成半径为r 的晶核自由能变化

此时所需要的临界晶核半径 当θ=0基底与与核心完全润湿，ΔG 非=0，即不需要形核功，基底本身可看作现成晶核，可以直接长大。当0<θ<π时，ΔG 非<ΔG 均，且θ 愈小，形核愈容易。当θ=π时，ΔG 非=ΔG 均，此时为均匀形核。所以，加入的第二相形核质点与镁基体的润湿角越小越好，润湿角越小，晶核长大所需要的形核功就越小，单位体积内形核数量越多，即形核率提高，因此可以达到细化晶粒的效果。

（2）加入能够细化晶粒的合金元素

镁合金中加入相应的合金元素可以达到细化晶粒的效果，目前研究中通常加入Zr 和Ca 来细

化晶粒。Zr 对镁合金细化的主要机制是Emley [3]提出的包晶反应机制，Zr 粒子在包晶温度下

首先从熔体中析出并与镁熔体反应生成一层富Zr 固溶体，直到剩余熔体中Zr 含量下降至较低值，而且只有在包晶温度附近析出的那些Zr 粒子才能起到促进熔体形核的作用，所以当Zr 含量大于包晶成分，细化晶粒的作用不大。

向镁合金中加入稀土元素也是细化晶粒的重要方法，目前加入Y 、Ce 、Nd 等稀土元素都广泛

的用于镁合金设计的研究。余琨[5]发现在纯镁中加入少量（0.4~1.2%）稀土元素Ce 、Nd 可

以将纯镁粗大的柱状晶完全转换为细小的等轴晶，在Mg-Al 系AZ31合金中添加0.8%的稀土Ce 、Nd ，可以将晶粒平均尺寸从300μm 细化到30μm 左右。他提出这些稀土元素造成合金凝固过程中固/液界面前沿成分过冷度增大，形核率提高，从而达到细化晶粒的目的。稀土元素细化晶粒还可能由于具有表面活性的稀土在合金凝固过程中富集在晶界周围，阻碍二次相的生成，同时析出高熔点的第二相颗粒，阻止晶粒长大以减小晶粒尺寸。例如LI Rui-hong

等[10]Mg-14Li-Al 中加入Y 和Sr ，使晶粒从600μm 降到230μm 左右，这主要是由于Al 2Y ， Al 4Sr 和Mg 17Sr 2等起到了阻碍晶界长大的作用。稀土元素还可以通过与基体镁形成金属间化

合物形成形核核心，增大形核率来细化晶粒。如Zhang Jing 等[8]在研究Er 对镁合金晶粒尺

寸影响是发现，单独的Er 对Mg-Mn 合金晶粒细化不明显，但在含Al 的镁合金中，晶粒尺寸从铸态时900μm 左右降到约150μm，这主要是由于生成了Al 3Er 第二相与镁基体错配度不大，促进异质形核。异质形核能力大小可通过计算第二相与基底的面错配度来决定，根据Bramfitt 二维点阵错配度模型（晶核的指数面和基底相的指数面重合）()()[][][]∑=-=31hkl )cos (31i uvw uvw uvw s hkl n i n i n i s d d d θδ，其中()s hkl 是基底指数晶面，()n hkl 是晶核的指数

)4)(cos cos 32)(4(3

2334θθπσπ＋－－＝非r r G G LS V +∆∆T

H T k m L S r ∆∆=f σ2'