Al、Zn元素对镁合金的晶粒细化机理分析

《Al、Zn元素对镁合金的晶粒细化机理分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、万方数据第39卷增刊12010年6月稀有金属材料与工程RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGV01．39，Suppl．1June2010Al、Zn元素对镁合金的晶粒细化机理分析王春建，金青林，周荣，蒋业华(昆明理工大学，云南昆明650093)摘要：从“结晶游离”的角度研究了Al、zn元素对镁合金晶粒的细化机理，建立了一类可用于评估“游离晶”对合金组织细化能力的数学模型。分析结果表明，Mg．Al合金中的游离晶对合金组织的细化能力高于相同溶质浓度的Mg-Zn合金，并且溶质浓度越高，游离晶的细化能力差别越大，这可能是导致相同浓度

2、的Mg-Al合金晶粒尺寸更加细小的主要原因。关键词：镁合金；晶粒细化；异质形核；粘度中图法分类号：TB3l文献标识码：A文章编号：1002-185X(2010)Sl-208-04Mg．Al系、Mg．Zn系镁合金是构成镁合金应用体系的两大支柱【1．3l。研究发现，相同溶质浓度的Mg．Al、Mg．Zn合金，其晶粒尺寸存在着明显的差，3U14．5)，例如Cao等人的研究表明，高纯Mg．3Zn合金的晶粒尺寸约为高纯Mg．3AI合金的2．5倍左右【4J。Al、Zn元素对镁合金组织细化能力的不同，表明合金元素的性质对合金的组织有重要的影响，有关该方面的深入势必

3、有利于镁合金组织的控制及其性能的提高。根据经典凝固理论，高纯Mg．Zn合金的晶粒粗大现象可由于其缺少有效的异质核心造成，但同样的理由却无法解释高纯Mg．Al合金自然的晶粒细化【4’6J。Cao等人认为，在高纯Mg．AI合金中仍然存在着约0．002％的C元素，在熔炼过程中C与熔体中的Al发生了反应，并形成了A1．C晶核，从而促进了合金的晶粒细化【41。但Stjohn等人指出，由于无法精确检测c的具体存在方式，因此A1．C晶核的观点缺乏证据【7】。Lee等人从研究合金元素的“晶粒生长限制作用”出发，尝试解释Al、Zn元素对镁晶粒细化作用的区别，但却发现

4、Al元素比Zn元素的晶粒生长限制作用还要小，这与晶粒尺寸的实验结果相矛盾，最终Lee等人不得不将之归功于异质晶核的作用is】。但需要指出的是，迄今为止并没有直接的证据能够证实A1．C晶核或其他异质核心的存在19,10]。本研究从“结晶游离”理论入手，建立了一类可用于评估游离晶对合金组织细化能力的数学模型，并通过对模型的分析，研究了Al、Zn元素的存在对“结晶游离”现象的影响，尝试从中得出合金元素的性质与合金组织之间的联系，为深入认识镁合金的凝固现象提供理论依据。1模型的建立“结晶游离”理论最早是由20世纪60年代Chalmers等人提出的，后来的学

5、者如大野笃美等验证并丰富了这一理论【ll】。“结晶游离”理论主要包括“激冷晶的熔断(或折断)”和“晶粒的游离”两个步骤111,12]。“激冷晶的熔断”现象主要是由于颈缩现象的存在以及低熔点溶质的富集造成，如图1所示。ChillmoldCrystalSolute图l颈缩现象与溶质的富集Fig．1Neckingphenomenonandsoluteaggregation溶质的富集会降低颈缩部位及其周围熔体的熔点，降低的程度越大，越容易促进颈缩部位的熔断，也就越容易增加向熔体内部游离的晶粒数量。当溶质原子来不及向熔体内部扩散时，溶质的富集程度主要取决于激

6、冷晶生长界面处的溶质分配系数七的大小(七：生，其中cs、c1分别为界面处固液相的溶质C．收稿日期：2009．12．30基金项目：云南省自然科学基金(2007E031M)作者简介：王春建，男，1982年生，博士生，昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093。通讯作者：金青林，博士，教授，E-mail：jinqinglin@yahoo．com万方数据增刊1王春建等：AI、Zn元素对镁合金的晶粒细化机理分析·209·浓度)。在非平衡凝固条件下，k的大小与熔体的冷却速率直接相关。一般情况下，由于铸型壁的激冷作用，导致在铸型壁附近的熔体凝固情况明显

7、偏离平衡状态，如图2虚线所示。TemperatureComposition图2二元共晶相图Fig．2Binaryeutecticphasediagram铸型壁的冷却速率越大，图2中的虚线越陡峭，致使激冷晶生长界面处的k值越小。假设铸型为室温状态，则当合金熔体与铸型壁接触时，铸型壁对合金熔体的冷却速率将非常大，从而导致激冷晶生长界面处七值接近于0。因此可知，不同二元合金熔体中，在激冷晶未脱离铸型之前，当其尺寸、形状相同时，颈缩部位周围熔体的溶质浓度近似相等。假设颈缩部位周围熔体的溶质浓度为，，则其熔点可用式(1)表示。瓦=To+mC’(1)式(1)中

8、％为纯镁熔点，m为二元镁合金的液相线斜率。假设由铸型壁脱落的激冷晶数量为，lo，则％越小，颈缩部位越容易熔断，万。值越大。