1、 20112012 学年 新材料新技术发展动态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 1.74103kg/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
2、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 25。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，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 ky，210sdky所有，细化
3、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
4、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 -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20112012 学年 新材料新技术发展动态强度和塑性。加入的变质剂必须满足 6 点：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；变质剂熔点比基体高；变质剂的晶格类
5、型与基体的晶格应大致相近；与被细化的熔体原子能形成较强的吸附键；变质剂的密度与基体相差不大，不会在熔体中下沉或上浮；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 Al4C3 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 7,8：一些合金（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；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、C
6、e、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 -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 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 =0 基底与与核心完全润湿，G 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 015%时，无促进异质形核的效果。实验中 Al3Er 与 -Mg 基体的错配度为
7、3%左右，所以有很好的促进晶粒细化的作用。2.1.3 物理场细化法物理细化法包括脉冲电流处理、磁场处理和超声波处理 7,11，这类方法也是细化镁合金晶粒的一类重要方法。脉冲电流处理细化晶粒原理是脉冲电流可以减少形核势垒而增大形核率，从而细化凝固组织 11。此外，脉冲电流的充放电过程还可以在金属液中造成收缩力，而且在金属液的不同位置收缩力大小不一样，从而使得熔体不同位置的流动速度不同。根据牛顿粘性定律，速度梯度的形成会导致产生剪切应力，当对凝固过程中的金属液施加高压脉冲电流或高频脉冲电流时，产生的剪切力将会撕裂凝固过程中出现的柱状晶，使其成为等轴晶的晶核。速度梯度形成的对流作用会使其弥散分布于熔
8、体中，从而得到细小均匀的晶粒组织。磁场处理细化细化原理是在磁场中导体的运动产生电动势而产生感应电流，导体本身也产生磁场。液态金属作为载流导体，在外加的交变磁场作用下产生电磁力，这种电磁力可以促使载流液体流动。电磁搅拌就是利用电磁力搅拌正在凝固的液态金属，使己凝固的枝晶破碎并遍布在熔体中，形成更多的有效晶核，并限制晶粒的长大，使熔液凝固过程中固液界面前沿的温度分布趋于一致，从而获得均匀细化的等轴晶组织 11。超声波处理细化的原理是超声波在熔体中传播时 ,液体分子受到周期性交变声场的作用,在声波稀疏相内 ,液体受到拉应力，若功率足够大，则液体被拉裂而产生空化泡或空穴，在随后来临的声波正压相内，这些
9、空化泡或穴将以极高的速度闭合或崩溃，从而在局部熔液中产生瞬时高压、高温和强烈的冲击波。在声空化泡形成长大过程中，空化泡的增大和内部液体的蒸发会从周围吸收热量，这将导致空化泡表面的金属熔液温度降低，造成局部过冷 ,因此在空化泡附近形成大量晶核。在空化泡崩溃过程中，产生的强烈冲击波会击碎正在长大的晶体，使之成为新的晶体质点 7。2.1.4 动态晶粒细化法动态晶粒细化包括机械振动和搅拌和半固态铸造法 7,11。机械振动和搅拌原理是机械振动和搅拌可以向液态金属中提供能量以提供形核功，同时使凝固过程中液相与固相发生相对运动，造成已结晶的枝晶在液流对流冲击下破碎成新的晶核 11。半固态铸造是在凝固初期利用
10、搅拌使金属液成为半固态的浆料，并进行挤压成型，其本质上是将金属熔体在凝固过程中由于受到强烈搅拌而形成的一种含有一定固相颗粒的固液混合浆料进行成形的技术。目前较为普及的半固态铸造法事触变铸造，即用注射螺杆旋转所产生的剪切力使晶粒发生形变而产生许多位错团，同时加热到半固态成型温度发生回复再结晶，从而形成许多等轴的细小晶粒，达到细化晶粒的效果。2.1.5 快速凝固法快速凝固法的原理是设法将合金熔体分散成细小的液滴，以极快的速度进行液相与固相的20112012 学年 新材料新技术发展动态转变，从而获得传统铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构 7。由于冷却速度快，过冷度很大，形核率大，同时晶粒长大
11、速度慢，所有达到细化晶粒的目的。2.2 固态形变处理细化虽然在熔体阶段细化镁合金晶粒可以取得显著的效果，但是一般传统的熔体阶段细化法只能获得 100m 左右的晶粒尺寸，为了进一步提高镁合金强度和塑性以推广工程应用，还需要后续的处理。对镁合金铸锭进行固态加工变形可以进一步细化晶粒，但是镁合金由于塑性变形能力差，常温下只有( )一个滑移系，在温度升高到 230，柱面滑移012系开启，塑性有所增加，所以镁合金的固态加工方式通常采用热加工的方式 12。镁合金固态加工有传统的锻造、挤压和扎制，也有一系列用于科研实验的新型加工方式如剧烈塑性变形。2.1.1 锻造镁合金在室温下锻造易开裂，而在高于 400时
12、很容易产生腐蚀氧化和晶粒粗大，所以普通锻造方式很困难。常用的锻造镁合金有 Mg-Al-Zn 系和 Mg-Zn-Zr 系，Hong 的研究表明，经锻造处理的 AZ31 镁合金的抗拉强度、疲劳强度和显微硬度都由于铸造的镁合金 7。2.1.2 挤压挤压是指对放在挤压筒中的锭坯的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压是一种非常有效的镁合金半成品塑性加工方式，镁合金的挤压温度一般在 200400之间 13。通过挤压，可以使镁合金晶粒得到显著的细化效果。Zhang Jing 等6的研究表明 Mg-9Zn-0.6Zr-0.5Er 在挤压前后，晶粒从 100m 左右下降到 15m。2
13、.1.3 扎制轧制过程是指轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形的过程。由于镁合金在轧制过程中易形成与轧面平行的基面织构，室温下继续变形能力差，所以镁合金轧制温度通常在 200450之间 14。一般用平板状的镁合金铸锭轧制成形来制备镁合金薄板和厚板。许芳艳等实验表明板材 AZ31 镁合金在 400下变形量为 23.9%时，镁合金晶粒可由初始的 20m 左右细化到不到 10m。2.2.4 剧烈塑性变形（SPD）(1) 等通道角挤压等通道角挤压（ECAE）是通过纯剪切的强烈塑性变形而获得细小晶粒的方法。由于变形过程中受到剪切力，在正应力方向受到约束，材料不易开裂，对塑性变形能力差的镁合
14、金细化晶粒是一种非常有效的方法。Mabuchi 等 12研究了 AZ91 经过 ECAE 后的组织和性能，其晶粒尺寸达到 0.51m. H.K.Kim 等 2研究了 AZ31 镁合金大变形后的组织稳定性和力学性能，发现当等径角挤压 4 次后，晶粒尺寸可由 50m 降至 2m，并且尺寸很均匀。(2) 累积叠轧（ARB ）累积叠轧是将表面进行脱脂及加工硬化等处理后的尺寸相等的两块金属薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊合，然后重复进行相同的工艺反复叠轧焊合，从而使材料的组织得到细化、夹杂物分布均匀，大幅度提高材料的力学性能 15。Perez-Prado 等和 del Valle 等 12对 AZ
15、和 AM 系列的镁合金累积叠轧的研究表明，镁合金累积叠轧具有明显的晶粒细化作用。Perez-Prado 的实验表明，AZ31 镁合金经过 ARB1 道次后平均晶粒尺寸由 38m 减小到 4.2m；张兵等 2通过 4 道次 ARB 使 AZ31 镁合金平均晶粒尺寸由 17.8m 减小到1.2m。(3) 双向扭转弯曲（ABRC）20112012 学年 新材料新技术发展动态双向扭转弯曲是采用多重弯曲和压平工艺生产出更多随机织构的亚微结构，板坯首先在正弦波磨具中连续转成波状，以增加其表面积，然后在平模中挤压波状坯，以减小其表面积，重复挤压和拉伸变形使变形区重叠，产生细晶组织。Mansoor, B.等
16、16研究表明，通过ABRC 变形后，ZK60 镁合金晶粒可细化到小于 1m.(4) 异步轧制（DSR）异步轧制是一种速度不对等轧制，上下工作辊表面线速度不等，以降低轧制力。W. J . Ki m 等人 2试验研究表明，在 413 K 时 AZ31 镁合金板材在上下轧辊速比为 31 的大速比异步轧制下轧制后 ,晶粒可以细化至 1 . 4m。Lili-Chang 等 17研究表明，AM31 镁合金在350轧辊速度为 1.5:5 的异步轧制后，晶粒有由铸态时的 100m 左右减小到 4.8m。3 镁合金晶粒细化的意义镁合金由于强度不高，晶体结构为密排六方型，独立滑移系少，室温下塑性变形能力差等局限严
17、重限制了镁合金的广泛应用。细化晶粒不仅可以显著的提高镁合金的强度，还可以使材料变形更加均匀，增加镁合金的塑性。所以有效的细晶处理可以改善镁合金的综合力学性能，从而使促进镁合金的工程运用。参考文献1 左汝林，曾军，张建斌等. 金属材料学M. 重庆：重庆大学出版社 .20082 丁茹，王伯健，王成等. AZ31 镁合金晶粒细化方法及机制研究现状J. 轻金属加工技术，2009，01-0023-043 孙明，吴国华，戴吉春，等. Zr 在镁合金中晶粒细化行为的研究进展J. 铸造，2009,03-0255-054 肖心萍，于彦龙，王亚楠. AZ91 镁合金的热压缩变形行为及晶粒细化J. 机械工程材料，2
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