采用重力鑄造法制備了Mg-5Al-8Zn-x Ca（x=0,1.75,2.0,2.25,2.5,2.75,3.0,wt%）合金。使用XRD、OM和SEM等研究了Ca含量對(duì)合金組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:鑄態(tài)Mg-5Al-8Zn-x Ca合金主要由α-Mg基體、β-Mg17Al12相、Mg32（Al,Zn）49相及MgZn2相和Al2Ca相組成。當(dāng)Ca含量從1.75wt%增加到2.75wt%時(shí),基體晶粒顯著細(xì)化,β-Mg17Al12相由粗大的連續(xù)網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的斷續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界上,層片狀A(yù)l2Ca相也顯著細(xì)化,此時(shí)合金的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值138 MPa,較未加Ca時(shí)提高了27.8%;Ca含量繼續(xù)增加至3.0wt%,晶粒又發(fā)生粗化,合金拉伸強(qiáng)度發(fā)生下降;拉伸斷裂形式均為準(zhǔn)解理脆性斷裂。 

【文章來(lái)源】：宇航材料工藝. 2020,50(05)北大核心CSCD

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Mg-5Al-8Zn-x Ca合金的XRD圖譜

圖2為鑄態(tài)Mg-5Al-8Zn-x Ca合金的顯微組織�？梢�(jiàn)，未加Ca時(shí)，β-Mg17Al12相主要呈粗大（寬化）的網(wǎng)狀分布于晶界上，使晶界出現(xiàn)了寬化現(xiàn)象[2(a）]。隨著Ca的添加及其含量的逐漸增大，β-Mg17Al12相發(fā)生了顯著變化，同時(shí)，晶界上出現(xiàn)了層片狀物相。圖3及表2、表3為添加2%Ca和2.25%Ca時(shí)，合金中第二相的SEM貌及EDS分析結(jié)果。并結(jié)合圖1的XRD分析可知，當(dāng)添加2.0%Ca時(shí)，β-Mg17Al12相主要呈不規(guī)則的條棒狀和點(diǎn)狀，如圖3(a）中A、B、E點(diǎn)；此時(shí)，微量的Al2Ca相應(yīng)該為細(xì)小點(diǎn)狀，由于含量很少，與β-Mg17Al12相混為一體而難以分辨，如圖3(a）中A點(diǎn)。當(dāng)添加2.25%Ca時(shí)，晶界上出現(xiàn)了層片狀物相，如圖3(b）中A、B點(diǎn)域，結(jié)合楊光昱[10]和B.JING等[18-20]的研究結(jié)果，可知應(yīng)為Al2Ca相；Mg32(Al,Zn)49相以及MZn2相主要呈點(diǎn)、塊狀分布于α-Mg基體內(nèi)和晶界上[21][圖3(b）]。同理可知，當(dāng)添加（2.5,2.75,3.0)%Ca時(shí)，層片狀A(yù)l2Ca相及網(wǎng)狀β-Mg17Al12相逐漸細(xì)小化[圖2(e）～（g）]。根據(jù)上述分析，由圖2可以看出，當(dāng)添加1.75%Ca和2.0%Ca時(shí)，β-Mg17Al12相由原來(lái)粗大的連續(xù)網(wǎng)狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)細(xì)小的斷續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界上，表明其含量減少；與此同時(shí)，出現(xiàn)少量Al2Ca相并存在于β-Mg17Al12相中；基體晶粒尺寸逐漸減小[圖2(b)(c）]。當(dāng)添加2.25%Ca和2.5%Ca時(shí)，合金中出現(xiàn)了大量粗大的層片狀A(yù)l2Ca相，與原來(lái)較為粗大的斷續(xù)狀β-Mg17Al12相共存于晶界上；基體晶粒尺寸沒(méi)有明顯變化[圖2(d)(e）]。當(dāng)添加2.75%Ca時(shí)，晶界上的層片狀A(yù)l2Ca相及網(wǎng)狀β-Mg17Al12相顯著細(xì)小化；基體晶粒尺寸進(jìn)一步減小[圖2(f）]。當(dāng)添加3.0%Ca時(shí)，原來(lái)細(xì)小的層片狀A(yù)l2Ca相及網(wǎng)狀β-Mg17Al12相的形貌及分布未發(fā)生明顯變化；但基體晶粒尺寸顯著增大，出現(xiàn)了明顯的粗化現(xiàn)象[圖2(g）]。

在合金凝固過(guò)程中，溶質(zhì)元素的偏析能力及形核作用對(duì)鑄態(tài)合金組織的細(xì)化有著重要的影響[16]。研究表明[22],Ca具有強(qiáng)烈的偏析能力和較強(qiáng)的形核作用，適量的Ca能有效細(xì)化鑄態(tài)組織，但過(guò)量的Ca可能導(dǎo)致晶粒發(fā)生粗化[6]。在凝固初期，部分Ca富集于晶體生長(zhǎng)界面前沿[14]，阻礙晶粒生長(zhǎng)，細(xì)化了晶粒[23-24]；同時(shí)，加入的Ca將使固/液界面液體產(chǎn)生較大的成分過(guò)冷，促使形核，提高形核率，從而細(xì)化晶粒[24-25]。另一部分Ca與Al結(jié)合形成Al2Ca化合物，其中，部分Al2Ca存在于過(guò)冷層并作為α-Mg有效的異質(zhì)形核核心，細(xì)化晶粒[23]；其余的Al2Ca則偏聚于晶界處[15]，阻礙晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化了晶粒。隨Ca含量逐漸增加，Al2Ca析出相的體積分?jǐn)?shù)增大，晶粒逐漸細(xì)化[25]。但當(dāng)Ca含量超過(guò)一定值后，會(huì)增加合金的凝固潛熱，使固/液界面前沿溫度升高，減小過(guò)冷度[24]，降低形核率，導(dǎo)致晶粒發(fā)生粗化[26]；而且，添加過(guò)量Ca后形成的大量Al2Ca易發(fā)生聚集，從而導(dǎo)致有效的異質(zhì)形核數(shù)減少，使晶粒的細(xì)化效果減弱[6]，最終也會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化。在本試驗(yàn)中，當(dāng)Ca含量為2.75%時(shí)，晶粒細(xì)化效果達(dá)到最佳[圖2(f）]；當(dāng)Ca含量為3.0%時(shí)，晶粒發(fā)生顯著粗化[圖2(g）]。Ca含量的變化對(duì)Al2Ca相和β-Mg17Al12相的形貌、尺寸及體積分?jǐn)?shù)等也產(chǎn)生重要影響。本試驗(yàn)中，隨Ca含量逐漸增加，原來(lái)分布于晶界的細(xì)小點(diǎn)狀共晶Al2Ca相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)粗大的層片狀[10]，它阻礙了β-Mg17Al12相的生長(zhǎng)[16-17]，從而使β-Mg17Al12相形貌也發(fā)生變化。從表面能的角度進(jìn)行分析，有研究發(fā)現(xiàn)[13]，相間表面能（相表面積與單位表面能的乘積）對(duì)共晶組織形貌有重要影響，即相間表面能增大或減小都會(huì)使合金相的形貌發(fā)生相應(yīng)的改變。本試驗(yàn)研究中，隨著Ca含量從1.75%逐漸增加到3.0%,Al2Ca相的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，Al2Ca相的相表面積增大，從而提高了相間表面能[18,27]，最后導(dǎo)致Al2Ca相呈層片狀分布于晶界上；與此同時(shí)，由于形成的Al2Ca相的體積分?jǐn)?shù)逐步大，使合金中Al的含量逐漸減少，導(dǎo)致β-Mg17Al12相的體積分?jǐn)?shù)減小，相間表面積減小，最終使相間表面能降低[18,27]，結(jié)果使β-Mg17Al12相逐漸呈細(xì)小、斷續(xù)狀分布于晶界上[圖2(b）～（g）]。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3111025