淺談鎂合金晶粒細(xì)化的方法和意義

1、2011~2012學(xué)年新材料新技術(shù)發(fā)展動(dòng)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(jiǎn)述了鎂合金的工程運(yùn)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(duì)鎂合金在熔體階段的過(guò)熱處理、添加變質(zhì)劑、物理場(chǎng)法、動(dòng)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(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，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(diǎn)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(qiáng)度高、比剛度高、減振和抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有較好的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)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(guó)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(diǎn)，決定了在室溫條件下獨(dú)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(kāi)裂等阻礙了鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。

3、其次，鎂合金強(qiáng)度偏低，無(wú)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(yùn)用的一大瓶頸。所有提高鎂合金的室溫塑性變形能力和強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)，又提高塑性的方法。根據(jù)Hallpetch公式，材料的強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，各晶

4、粒分擔(dān)一定的變形量，使變形更加均勻，位錯(cuò)在晶界處塞積少，應(yīng)力集中小，材料開(kāi)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(bào)道將鎂合金晶粒細(xì)化分為兩個(gè)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(guò)熱處理法過(guò)熱處理法過(guò)熱處理是澆注前將熔體溫度升高并保持一段時(shí)間后再降溫至澆注溫度進(jìn)行澆注的工藝過(guò)程。過(guò)熱處理細(xì)化晶粒的機(jī)制是過(guò)熱處

5、理過(guò)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(diǎn)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(guò)熱的熔體降溫時(shí)，過(guò)熱難容的鐵將從液相中先析出，在凝固過(guò)程中成為αMg的異質(zhì)形核基底。過(guò)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(huì)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(guò)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(dòng)態(tài)基底的面錯(cuò)配度來(lái)決定，根據(jù)Bramfitt二維點(diǎn)陣錯(cuò)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(diǎn)陣間距，是[uvw]s和[uvw]n之間的夾角。當(dāng)計(jì)算結(jié)?果15%時(shí)，???無(wú)促進(jìn)異質(zhì)形核的效果。實(shí)驗(yàn)中Al3Er與αMg基體的錯(cuò)配度為3%左右，所以有很好的促進(jìn)晶粒細(xì)化的作用。2.1.3物理場(chǎng)細(xì)化法物理場(chǎng)細(xì)化法物理細(xì)化法包括脈沖電流處理、磁場(chǎng)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(shì)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(guò)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(dòng)速度不同。根據(jù)牛頓粘性定律，速度梯度的形成會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)對(duì)凝固過(guò)程中的金屬液施加高壓脈沖電流或高頻脈沖電流時(shí)，產(chǎn)生的剪切力將會(huì)撕裂凝固過(guò)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(duì)流作用會(huì)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(chǎng)處理細(xì)化細(xì)化原理是在磁場(chǎng)中導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體本身也產(chǎn)生磁場(chǎng)。液態(tài)金屬作為載流導(dǎo)體，在外加的交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁力，這種電磁力可以促使載流液體流動(dòng)。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(zhǎng)大，使熔液凝固過(guò)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(shí)液體分子受到周

10、期性交變聲場(chǎng)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(lái)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(shí)高壓、高溫和強(qiáng)烈的沖擊波。在聲空化泡形成長(zhǎng)大過(guò)程中，空化泡的增大和內(nèi)部液體的蒸發(fā)會(huì)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(guò)冷因此在空化泡附近形成大量晶核。在空化泡崩潰過(guò)程中，產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波會(huì)擊碎正在長(zhǎng)大的晶體，使之成為新的晶體質(zhì)點(diǎn)

11、[7]。2.1.4動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化法動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化法動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化包括機(jī)械振動(dòng)和攪拌和半固態(tài)鑄造法[711]。機(jī)械振動(dòng)和攪拌原理是機(jī)械振動(dòng)和攪拌可以向液態(tài)金屬中提供能量以提供形核功，同時(shí)使凝固過(guò)程中液相與固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成已結(jié)晶的枝晶在液流對(duì)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(jìn)行擠壓成型，其本質(zhì)上是將金屬熔體在凝固過(guò)程中由于受到強(qiáng)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(jìn)行成形