鎂合金熱處理過程中組織與相的變化

1、.PAGE ：.；鎂合金熱處置過程中組織與相的變化摘要：本文研討了AZ91D等溫?zé)崽幹眠^程中的溶質(zhì)分散、晶界熔化、晶粒合并以及相變等對枝晶球化過程的影響。結(jié)果闡明:隨著熱處置時間的延伸，晶粒逐漸球化，而且發(fā)生合并景象；同時在界面能降低的驅(qū)使下，經(jīng)過溶質(zhì)原子的分散,晶粒內(nèi)部包裹小液滴；半固態(tài)部分重熔過程中閱歷以下相變：， +L，L。關(guān)鍵詞：AZ91D鎂合金；等溫處置；相變The Research of Organization and Phase Change of Magnesium Alloy during Isothermal Heat TreatmentAbstract: The eff

2、ect of solute diffusion and the grain boundary melting and grain merger and phase transitions on dendrite spheroidzing process is researched during the isothermal heat treatment. The results show that the grains gradually spheroidize and appear the merger phenomenon with extending the heat treatment

3、 time.At the same time, owing to decreasing interfacial energy; the packed small liquid drop form intra - grain by the diffusion of solute atoms, There is the following phase transition: ,+L,L during The semi-solid remelting.Key words:AZ91D magnesium alloy; isothermal treatment; phase transition1、概述

4、鎂合金是現(xiàn)代金屬構(gòu)造資料中最輕的一種，以其密度低、比強度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好、電磁屏蔽好及價錢穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來在航空航天、儀器制造、國防和電子工業(yè)等領(lǐng)域，尤其是汽車工業(yè)中獲得日益廣泛的運用1。鎂合金半固態(tài)成具有成形溫度低、凝固收減少、缺陷和偏析減少、晶粒尺寸細小、模具壽命延伸等優(yōu)點,被專家學(xué)者譽為21世紀(jì)新一代新興金屬加工方法。但是,要實現(xiàn)鎂合金的半固態(tài)成型，首先必需制備初生相為顆粒的非枝晶組織合金。國內(nèi)外研討者常用的枝晶?；椒闄C械攪拌法或電磁攪拌法。由于機械攪拌法的工藝參數(shù)難以控制、攪拌設(shè)備易磨損和腐蝕、不順應(yīng)與高熔點合金和易氧化合金,因此該法很難在工業(yè)上推行運用；國外已將電磁攪拌

5、法運用于消費,但該法設(shè)備投資大,工藝復(fù)雜。半固態(tài)等溫?zé)崽幹米鳛?0世紀(jì)90年代開發(fā)的一種半固態(tài)枝晶組織坯料制備方法，可以在半固態(tài)成形前的二次加熱過程中直接把原資料錠坯變?yōu)榘牍虘B(tài)非枝晶組織坯料，具有工藝簡單、本錢低廉等優(yōu)點2-3。本文采用半固態(tài)等溫?zé)崽幹梅? 對運用最廣泛的AZ91D鑄造鎂合金進展了研討, 察看了其在半固態(tài)等溫?zé)崽幹弥械慕M織和相的變化。2鎂合金熱處置過程分析2.1鑄太組織AZ91D 鎂合金初生相相(灰色)以樹枝晶形狀存在，沿相不延續(xù)分布的白色組織為(+)共晶組織。2.2組織形貌變化隨著保溫時間的延伸，鑄態(tài)組織中的枝晶臂逐漸消逝,由不規(guī)那么外形向球狀轉(zhuǎn)變。晶界處的共晶組織和晶粒內(nèi)部

6、的富Al、Zn部分首先熔化，在兩個晶粒間以液態(tài)薄膜方式存在，在多晶粒交界處以液態(tài)熔池方式存在，而在晶粒內(nèi)部那么以小液滴形狀存在。到10 min時，液態(tài)薄膜的厚度添加，熔池的體積增大，晶粒完全被液態(tài)金屬層包圍,而晶粒內(nèi)部開場出現(xiàn)小液滴，初生晶粒全變?yōu)榻驙畹念w粒組織。到20 min時，晶粒內(nèi)的小液滴變大，同時數(shù)量減少?？梢钥闯?在20 min之前，隨著保溫時間的延伸，晶粒逐漸長大9。2.3溶質(zhì)原子分散溶質(zhì)原子的分散行為在加熱過程中可分為兩個階4：在溫度升至共晶點溫度之前，屬于均質(zhì)化分散；當(dāng)溫度到達共晶點時，共晶化合物開場融化，周圍的溶質(zhì)原子向液態(tài)共晶化合物中富集，融化區(qū)域擴展，但是臨近區(qū)域成為溶

7、質(zhì)貧化區(qū)，這些區(qū)域的熔點升高，假設(shè)繼續(xù)熔化,就必需升高溫度。在加熱溫度升至固相線溫度前，只需富Al的共晶組織熔化，在多個晶粒交界處構(gòu)成熔池,同時晶粒內(nèi)部那些富Al、Zn的小質(zhì)點開場熔化。在溫度升至固相線后的保溫過程中，隨著時間的推移,在界面能最小化的驅(qū)動下，晶粒內(nèi)熔化的小質(zhì)點經(jīng)過溶質(zhì)原子的分散合并成小液滴，或向晶界處液態(tài)中分散而消逝 。2.4枝晶組織球化分析枝晶組織球化過程包括二次枝晶臂消逝、零落、枝晶沉淀以及Ostwald 熟化過程。T. Z. Kattamis，J. J. Reeves、Kuang-Ho Chen等人先后對二次枝晶臂粗化進展了研討，并分別提出了二次枝晶臂粗化的四種物理模型：

8、徑向融化模型、頸縮熔斷模型、軸向融化模型與枝晶合并模型。在枝晶生長過程中，二次枝晶臂由于他們的曲率不同，會呵斥各枝晶臂附近液相內(nèi)的溶質(zhì)濃度的差別，枝晶曲率半徑越小，附近液相溶質(zhì)濃度越低，這樣溶質(zhì)濃度梯度的存在將促使溶質(zhì)從粗枝處向細枝處分散，呵斥細枝熔化和粗枝變粗。因此，在固、液兩相區(qū)停留的時間愈長,上述過程進展的愈充分，枝晶球化愈明顯。隨著保溫時間的延伸，晶粒由等軸晶枝晶熔斷分裂成塊狀球化。對于鎂合金半固態(tài)保溫過程中組織的球化，可以為當(dāng)組織中固相體積一定時，只需成球狀或近球形才具有最小的外表能，所以從外表能較高的星狀向球狀轉(zhuǎn)化，使系統(tǒng)的自在能下降，這是一個熱力學(xué)自發(fā)過程，等軸晶組織能否球化，主

9、要取決于原子的分散。當(dāng)在兩相區(qū)保溫時，使原子具有足夠的動力學(xué)條件發(fā)生聚集球化。2. 5晶粒合并分析固-液界面的形狀總是力圖使界面吉布斯自在能最低，這樣的形狀才最穩(wěn)定。在等溫?zé)崽幹眠^程中，組織變化的驅(qū)動力是體系自在能(外表能)的降低5。等溫?zé)崽幹眠^程中晶粒間外表能降低的方式有兩種：(1)經(jīng)過晶粒間的相對旋轉(zhuǎn)，減小晶粒間的取向誤差,減小晶界面積；(2)晶界遷移來增大二面角。通常等溫?zé)崽幹眠^程中，由于半固態(tài)金屬的流動性差，經(jīng)過晶粒旋轉(zhuǎn)來降低界面能很困難，只能發(fā)生大晶粒吞噬小晶粒長大。隨著時間的延伸,晶粒發(fā)生合并。在等溫?zé)崽幹眠^程中，處于液固兩相區(qū)內(nèi)的合金鑄態(tài)組織發(fā)生了次枝晶臂消逝，固相顆粒發(fā)生Ost

10、wald熟化以及合并景象，熟化和合并貫穿整個過程，只是熟化在早期占據(jù)著主要位置,隨著時間的延伸，合并又成了主要景象。2. 6液相變化分析熱處置過程中液相以液態(tài)薄膜、熔池和晶內(nèi)小液滴三種方式存在。在構(gòu)成液固相組織時，液相侵蝕晶界，構(gòu)成包裹固相的液層。但在固相體積分數(shù)極高的情況下，兩固相顆粒間普通不能經(jīng)過合并來降低界面能；同時，固相顆粒與熔池界面處的半徑遠小于與液態(tài)薄膜界面處的半徑，從而產(chǎn)生曲率差效應(yīng);在這兩種要素的綜協(xié)作用下，根據(jù)Gibbs-Thomson效應(yīng)6可知：當(dāng)晶粒的部分半徑趨于無限大時，其吉布斯自在能趨于最小，與液態(tài)薄膜接觸的固相界面盡能夠地開展成平面，從而在二維平面上薄膜以直線向熔池

11、中推進，構(gòu)成直線形貌的淬火共晶組織。隨著熱處置加熱時間的延伸，液相體積添加和晶粒熟化，薄膜外形成為圓弧形，構(gòu)成以大量液相為基體，球形顆粒分散其中的半固態(tài)漿料。在半固態(tài)加工的后序成形過程中，液相的多少決議了合金漿料的流動性7-8，從而決議充型速度和充型壓力，晶內(nèi)小液滴的多少對合金鑄件的成形性能有著很大影響。小液滴的構(gòu)成有三種緣由：(1)晶粒在凝固過程中淹沒的富Al雜質(zhì)或晶內(nèi)偏析呵斥的，低熔點富Al質(zhì)點經(jīng)過熔化、分散、合并構(gòu)成較大液滴，而位于晶粒邊部質(zhì)點經(jīng)過溶質(zhì)原子分散到液相組織中而消逝，兩者都促進了小液滴的數(shù)目減少；(2)等溫?zé)崽幹贸跗谔幱谌刍c合并的動態(tài)平衡中，枝晶臂間發(fā)生合并銜接，而枝晶根部

12、未分散完的低熔點共晶組織發(fā)生熔化，構(gòu)成晶內(nèi)液池；(3)在次枝晶臂縮頸熔斷后原位沉淀在主干上發(fā)生熟化過程中構(gòu)成的，二次枝晶臂在主干上沉淀時發(fā)生搭橋景象，在熟化過程中構(gòu)成晶粒內(nèi)包裹液滴。2. 7相變分析組織的變化是由相變引起的，為了更好地解釋鎂合金組織的演化過程，經(jīng)過相的變化來分析該過程。重熔是凝固的反過程，由于Mg-Al-Zn三元相只需在Zn與Al的質(zhì)量比大于1 /3時才會構(gòu)成，因此對于AZ91D合金而言，可不思索少量Zn對AZ91D相圖的影響5，可以根據(jù)Mg-Al二元相圖分析AZ91D鎂合金在熔化過程中的組織演化。從相圖可以看出半固態(tài)部分重熔過程中勢必閱歷以下相變：，+L，L。圖1 Mg-Al

13、二元合金富鎂相圖圖2 AZ91D鎂合金在580加熱不同時間后的XRD圖譜AZ91D鎂合金組織由富鎂相相和沿相不延續(xù)分布的(+)共晶相組成 。圖2所示為AZ91D鎂合金在580加熱不同時間后的X射線衍射譜?？梢钥闯觯诩訜岢跗?，因進展的相變，使相的量減少，而相的量添加 。因相變使晶界處共晶組織中的相向晶內(nèi)分散，一方面呵斥晶粒晶界的減少和晶粒的合并，另一方面使初生相中的Al含量添加，相中的Al含量減少。因加熱初期，試樣溫度升高很快而引發(fā)相變+L，使相的量減少。+L相變使未來得及分散的共晶組織開場熔化，呵斥大塊狀組織分別，同時相中的Al含量添加，相中的Al含量減少。隨著加熱時間的延伸，因進展+L的相

14、變，使液相量添加，大塊狀組織全部分離成相互獨立的多邊形顆粒。隨著加熱時間的繼續(xù)延伸和試樣溫度的升高，從而引發(fā)L相變，使相中的Al含量略微減少，相中的Al含量略有添加，L相變使多邊形晶粒的凸棱熔化而發(fā)生球化，直至體系到達固-液相平衡態(tài)。3 結(jié)論(1)隨著保溫時間的延伸，晶粒由等軸晶枝晶熔斷分裂成塊狀球化。(2)在等溫?zé)崽幹眠^程中晶界處共晶首先熔化，隨著熱處置溫度的上升，在兩固相顆粒間的液態(tài)薄膜逐漸包裹了固相顆粒，構(gòu)成固相顆粒分散在液態(tài)基體中的半固態(tài)漿料。(3)半固態(tài)部分重熔過程中閱歷以下相變：，+L，L。參考文獻1 Kaneko Tadataka, Suzuki Masami Automotiv

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