添加稀土元素Ce对AZ91D镁合金组织的影响_图文

1、稀有金属快报年卷第期镁合金作为金属结构材料中最轻的合金材料，具有密度小、比强度高、工艺性能好等一系列独特的优点，已在汽车、通讯、航空航天等领域得到日益广泛的应用。但是镁合金是密排六方结构，决定了其塑性变形能力较差，如何改善和提高其塑性是镁合金获得推广应用的关键。实践证明，晶粒细化是改善多晶镁合金变形结构、提高性能的有效途径，。国内外已有许多学者，在镁合金中添加微量元素，如钙、硅、锑、锡、铋、稀土等来细化晶粒。稀土元素具有净化合金液、改善合金的铸造性能及细化组织等一系列作用，是镁合金良好的变质剂。本实验在合金中添加微量稀土元素，考察其对合金显微组织的影响，探讨对镁合金初晶组织和共晶组织的变质机理

2、。实验实验材料实验材料选用镁合金，其，含量仅为一般镁合金的，抗腐蚀能力相对较强，且具有一定的固液相温度区间，液相线温度为，固相线温度为左右。通过添加不同含量的稀土，对镁合金进行变质处理。的添加量为，（原子分数）。实验过程合金在井式电阻炉中使用覆盖保护进行熔化，在过热到时加入变质剂，静置，然后浇铸到石墨型模具中，型腔尺寸为×。从铸锭上截取金相试样，采用甘油腐蚀剂进行腐蚀，在型金相显微镜上观察显微组织。在射线衍射仪上分析相组成，采用美国公司的软件，对试样组织进行图像分析、计算面积比率和晶粒数量。实验结果合金的组织特征金相观察发现，对镁合金具有明显的细化效果。未变质的镁合金的金相组织见图。

3、从图看出，其组织主要由固溶体、浅白色添加稀土元素对镁合金组织的影响艾庐山，袁森，康彦，王武孝（西安理工大学，陕西西安）摘要：用金相显微镜、能量色散谱仪（）和射线衍射仪（）研究了稀土元素对镁合金铸态组织的影响。结果表明，对镁合金具有明显的变质效果，加入后，树枝晶变化不明显，晶界上的相呈断续网状分布；加入后，合金晶界上的离异共晶相基本上断裂成骨骼状，转变为颗粒状且分布比较均匀；加入稀土后，枝晶变细，共晶相完全变为颗粒相，弥散分布于晶界处。微结构分析发现，组织中出现了分布于晶界处的杆状化合物。关键词：镁合金；晶粒细化；稀土中图法分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：艾庐山，男，年生，

4、硕士研究生，西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安，电话：，：， 的离异共晶（）相（图中处）和黑灰色共晶相组成（图中，处）；另外出现了偏析相（图中处），相呈黑色点状，较多地分布于晶内与晶界处，是溶入形成的固溶体；（）相以不规则网状分布于晶粒边界处，也有少部分分布于晶粒内（图处）。根据二元相图，相周围的黑灰色层片状组织是合金凝固之后冷却过程中二次析出的相。而当加入后，合金组织得到明显细化（图），相变成了断续小块状或骨骼状弥散分布在晶界处，几乎观察不到网状相，黑点状的偏析相明显减少，同时组织中出现了杆状和块状化合物（图中的，处）。 为了确定种合金组织中出现的各相以及杆状和块状化合物的成分，采用结

5、合进行分析。图为种合金的谱图，对图和图进行比较发现，添加的合金中生成了新相。表所列为图中，定点的分析结果（谱图略）及分析得出的组成相。表中的数据证实了如前所述合金中所含的各相。表列出了图中，定点的分析结果及分析得出的相组成。可以看出，变质合金中偏析于晶界处的杆状和块状相为。对图中点的定点分析结果去除化合物的含量，则，说明此相确实为，这也验证了的分析结果。而根据表中，点数据和图的分析结果，可以断定这种形态的化合物为同一种物质（）相。周海涛等人的研究认为，加入的合金中出现的新相为（），而本实验中分析的结果为相，可能是由于对元素具有偏聚作用，因其过量地偏聚到晶界处，引起了相向相转变。图中显示还有一种

6、球形颗粒（图中点），为了确定是否与，点属于同一种物质，进行分析，发现仍然含有元素，结合表数据分析，说图未变质处理的合金的金相照片图添加变质处理的合金的金相照片 图未变质（）和经变质（）的铸态合金的谱图（）（）研发与应用稀有金属快报年卷第期明此偏析相为固溶体中游离的相。加入量对合金显微组织的影响图所示为未变质和加入不同量变质后合金的金相照片。未变质合金的晶粒粗大，晶界上的相呈半连续网状分布，并且在其周围分布着较多的黑灰色相（图箭头所指处）。稀土的加入量发生变化时，合金的初晶形态、共晶分布以及数量上也发生了明显的变化。加入时，初晶组织变化不大，晶界上的相呈断续网状分布，部分离异共晶相已变为小块状，

7、但是没有出现明显的新相化合物（图）。加入时，晶界上的离异共晶相基本上断裂成分立的块状，转变为颗粒状且分布比较均匀，并伴有一小部分的块状和杆状相出现（图）。加入时，枝晶明显变细，共晶相完全变为颗粒状，分布弥散且均匀，块状和杆状相的数量明显增多（图）。可以认为，稀土的加入对合金起到了明显的变质作用。 图添加不同含量的合金铸态的金相照片：（），（），（），（）表图中各点的元素（）分析和相分析结果（）表图中各点的元素（）分析和相分析结果（）对合金共晶组织晶粒尺寸的影响合金中的共晶组织是一种低熔点硬脆相，对合金的力学性能造成重要的影响。图为不同含量的稀土对镁合金共晶组织影响的图，像分析结果。可以看出，在

8、合金中添加了一定量的后，共晶组织的析出量发生了明显的变化。没有添加变质元素的合金，共晶组织所占面积比为，而当添加了的后，共晶组织的面积比为，析出量相对减少，同时其颗粒数从增加到，几乎增长了倍。这进一步解释了共晶组织在形貌上的变化，网状相断网成小块状，然后变成颗粒状，弥散分布于晶界处。这种弥散的第二相颗粒不仅具有晶界强化效果，而且还能对晶内及材料基体起到一定的弥散强化作用。在塑性变形中，这样分布的第二相颗粒可随基体的变形而流动，不会造成明显的应力集中。因此，在较大的变形量中合金不会过早地出现断裂与破坏，有利于提高合金的塑性和韧性。 分析与讨论铈化物的形成在镁合金中可能会形成种化合物，即，化合物。

9、但是它们形成的难易程度，要从其电负性差值来判断。电负性差值越大，元素间的结合力越大，就越容易形成化合物。，和的电负性值分别为，和的电负性差分别为和，几乎相近，并且都大于与的电负性差（）。在合金中加入后，由于的表面活性作用使得合金中游离态元素在晶界处偏聚，出现某一区域元素含量增高的现象，过量的，和共同吸附于晶界处，在电负性的作用下将优先生成三元相，而并非生成二元相（）。能谱分析证实，在未变质的晶粒内部和晶界处，的含量基本一样，在范围内；可是在变质后，晶界处的含量上升到，如表所示。稀土对镁合金变质的机理在镁中，稀土的极限固溶度为，所以在镁中存在有种作用，一是作为合金元素，可以提高镁合金的耐热性；二

10、是形成中间相，细化晶粒，强化合金。从图和图中可以看出，大部分分布在晶界处，只有很少一部分固溶于基体内部。由此可知，在枝晶表面的浓度要大于其在晶粒内部的浓度，在凝固过程中迁移至枝晶的表面，使其表面能量降低，即对镁来说具有正吸附作用，是镁的表面活性元素，其活度可以用吉布斯公式来表示：式中：为单位面积液面上较内部多吸附或少吸附的溶质量；为表面张力；为溶质浓度；为绝对温度；为气体常数。从式中可知，若，则，即：随着溶质浓度的增加，表面张力即表面能降低，因此进一步证实了是镁的表面活性物质。当镁合金中添加较少的（）时，一部分固溶到镁基体中，其余的会富集于晶粒的生长界面前沿，出现一层稀土界面层，当离异共晶组织

11、出现后，由于稀土的富集而阻止了离异共晶组织的生长，从而使半连续网状的离异共晶组织变为断续状（图）。随着加入量的增加，直接与偏聚在凝固界面前沿的和化合而形成杆状图对镁合金共晶相含量的影响研发与应用稀有金属快报年卷第期的化合物。这种化合物具有较高的熔点（以上），在凝固过程中阻止晶粒的长大而使晶粒细化。同时稀土相的生成，消耗了合金中的，影响相的形成，从而进一步使离异共晶组织的数量变少、尺寸变小，以颗粒状弥散分布于晶界处。结论（）加入稀土元素后，具有明显的细化效果，初晶组织变得细小，网状的共晶组织断网成颗粒状，均匀分散在晶界处。（）变质后组织中出现了分布于晶界处的杆状化合物，阻碍了初晶和共晶的生长，细化了合金铸态组织，且其量随着稀土加入量的增加而增加。参考文献（刘正），（张奎），（曾小勤）（镁基轻质合金理论基础及其应用）：，（张津），（张宗和）（镁合金及应用）：，（陈体军），（郝远）金属的半