1、2011~2012學(xué)年新材料新技術(shù)發(fā)展動態(tài)淺談鎂合金晶粒細(xì)化的方法和意義淺談鎂合金晶粒細(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)專業(yè)摘要摘要簡述了鎂合金的工程運用現(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，對鎂合金在熔體階段的過熱處理、添加變質(zhì)劑、物理場法、動態(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)化晶粒的方法進行了總結(jié)。同時，歸納了鎂合金細(xì)化晶粒的意義。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞鎂合金晶粒細(xì)化熔體

2、固態(tài)形變1背景介紹背景介紹純鎂是銀白色金屬，熔點651℃，密度為1.74103kgm3，是最輕的工程金屬[1]。鎂合金具有密度低、比強度高、比剛度高、減振和抗沖擊性能好等優(yōu)點，而且還具有較好的尺寸穩(wěn)定性和機械加工性能及低廉的鑄造成本。在汽車、電子、通信、航空航天、國防和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，決定了在室溫條件下獨立滑移系少，導(dǎo)致室溫塑性低、變形加工困難和變形容易開裂等阻礙了鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。

3、其次，鎂合金強度偏低，無法應(yīng)用于受力較大的工程環(huán)境，也成為鎂合金大規(guī)模運用的一大瓶頸。所有提高鎂合金的室溫塑性變形能力和強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)件強度的同時，又提高塑性的方法。根據(jù)Hallpetch公式，材料的強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，210s???dky??所有，細(xì)化晶粒能夠顯著的提高鎂合金的強度[6]。而且，由于有細(xì)小均勻晶粒的材料發(fā)生塑性變形時，各晶

4、粒分擔(dān)一定的變形量，使變形更加均勻，位錯在晶界處塞積少，應(yīng)力集中小，材料開裂的傾向減小，從而提高材料的塑性。2晶粒細(xì)化方法晶粒細(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)論文報道將鎂合金晶粒細(xì)化分為兩個階段細(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)化熔體階段細(xì)化2.1.1過熱處理法過熱處理法過熱處理是澆注前將熔體溫度升高并保持一段時間后再降溫至澆注溫度進行澆注的工藝過程。過熱處理細(xì)化晶粒的機制是過熱處

5、理過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在鎂中溶解度急劇降低，在過熱的熔體降溫時，過熱難容的鐵將從液相中先析出，在凝固過程中成為αMg的異質(zhì)形核基底。過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，過熱處理法在工業(yè)上應(yīng)用很少。2.1.2添加變質(zhì)劑添

6、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2011~2012學(xué)年新材料新技術(shù)發(fā)展動態(tài)基底的面錯配度來決定，根據(jù)Bramfitt二維點陣錯配度模型（晶核的指數(shù)面和基底相的指數(shù)面重合），其中是基底指數(shù)晶面，是??????????????31hkl)cos(31iuvwuvwuvwshklnininisddd????shkl??nhkl晶核的指數(shù)晶面，[uvw]n是(hkl)n上的低指數(shù)晶向，[uv

7、w]s是(hkl)s上的低指數(shù)晶向，d[uvw]s和d[uvw]n是沿[uvw]s和[uvw]n晶向的點陣間距，是[uvw]s和[uvw]n之間的夾角。當(dāng)計算結(jié)?果15%時，???無促進異質(zhì)形核的效果。實驗中Al3Er與αMg基體的錯配度為3%左右，所以有很好的促進晶粒細(xì)化的作用。2.1.3物理場細(xì)化法物理場細(xì)化法物理細(xì)化法包括脈沖電流處理、磁場處理和超聲波處理[711]，這類方法也是細(xì)化鎂合金晶粒的一類重要方法。脈沖電流處理細(xì)化晶粒原

8、理是脈沖電流可以減少形核勢壘而增大形核率，從而細(xì)化凝固組織[11]。此外，脈沖電流的充放電過程還可以在金屬液中造成收縮力，而且在金屬液的不同位置收縮力大小不一樣，從而使得熔體不同位置的流動速度不同。根據(jù)牛頓粘性定律，速度梯度的形成會導(dǎo)致產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)對凝固過程中的金屬液施加高壓脈沖電流或高頻脈沖電流時，產(chǎn)生的剪切力將會撕裂凝固過程中出現(xiàn)的柱狀晶，使其成為等軸晶的晶核。速度梯度形成的對流作用會使其彌散分布于熔體中，從而得到細(xì)小均勻的晶粒

9、組織。磁場處理細(xì)化細(xì)化原理是在磁場中導(dǎo)體的運動產(chǎn)生電動勢而產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體本身也產(chǎn)生磁場。液態(tài)金屬作為載流導(dǎo)體，在外加的交變磁場作用下產(chǎn)生電磁力，這種電磁力可以促使載流液體流動。電磁攪拌就是利用電磁力攪拌正在凝固的液態(tài)金屬，使己凝固的枝晶破碎并遍布在熔體中，形成更多的有效晶核，并限制晶粒的長大，使熔液凝固過程中固液界面前沿的溫度分布趨于一致，從而獲得均勻細(xì)化的等軸晶組織[11]。超聲波處理細(xì)化的原理是超聲波在熔體中傳播時液體分子受到周

10、期性交變聲場的作用在聲波稀疏相內(nèi)液體受到拉應(yīng)力，若功率足夠大，則液體被拉裂而產(chǎn)生空化泡或空穴，在隨后來臨的聲波正壓相內(nèi)，這些空化泡或穴將以極高的速度閉合或崩潰，從而在局部熔液中產(chǎn)生瞬時高壓、高溫和強烈的沖擊波。在聲空化泡形成長大過程中，空化泡的增大和內(nèi)部液體的蒸發(fā)會從周圍吸收熱量，這將導(dǎo)致空化泡表面的金屬熔液溫度降低，造成局部過冷因此在空化泡附近形成大量晶核。在空化泡崩潰過程中，產(chǎn)生的強烈沖擊波會擊碎正在長大的晶體，使之成為新的晶體質(zhì)點

11、[7]。2.1.4動態(tài)晶粒細(xì)化法動態(tài)晶粒細(xì)化法動態(tài)晶粒細(xì)化包括機械振動和攪拌和半固態(tài)鑄造法[711]。機械振動和攪拌原理是機械振動和攪拌可以向液態(tài)金屬中提供能量以提供形核功，同時使凝固過程中液相與固相發(fā)生相對運動，造成已結(jié)晶的枝晶在液流對流沖擊下破碎成新的晶核[11]。半固態(tài)鑄造是在凝固初期利用攪拌使金屬液成為半固態(tài)的漿料，并進行擠壓成型，其本質(zhì)上是將金屬熔體在凝固過程中由于受到強烈攪拌而形成的一種含有一定固相顆粒的固液混合漿料進行成形