Vol.28 No.2 彭卓凯等：Zr在Mg-9Gd-4Y合金中的晶粒细化机制 ·151· Mg 10 20040分6070 能量/eV 图4Mg9Gd4Y-0.40Zr合金的二次电子像及A粒子能谱图 Fig.4 Secondary electron image and EDS analysis of Particle A in the Mg9Gd4Y-0.40Zr alloy showing exiting of a Zr particle in the center of the core 合金中，Zr细化晶粒的机制不同. GRF=mco(k-1),其中，m为二元合金液相线 2.3Zr的晶粒细化机制 斜率，c0为合金中溶质原子的初始含量，k为溶 目前，Zr在镁合金中的晶粒细化机理还不是 质分配系数.根据二元相图，镁合金中各种溶质 很清楚，研究者比较认同的观点是Emley提出的 原子的GRF值已经算出[8)，与镁合金中其他常用 “包晶反应理论”(2，刀.典型的富镁角Mg-Zr相 的元素如Ca,Si,Zn,Cu,Al,Sc,Sr,Ce,Y等相比， 图见文献[8-9].由于。-Zr和纯镁同为密排六方 Zr的生长抑制因子值最高，这表明Zr有很强的 结构，且它们的晶格常数很接近(a-Zr:a=0.323 抑制晶粒长大的能力，从而明显地细化晶粒.根 nm,c=0.514nm;纯镁：a=0.320nm,c=0.520 据Lee等人的实验结果[3]，0.04%一0.32%的Zr nm)f2],Emley认为，钻粒子在包晶温度以上首先 可以使纯镁的晶粒明显被细化.0.32%的锆含量 从镁熔体中析出，这些锆粒子可以起形核的作用， 明显低于包晶点成分，因此锆被认为不可能以形 冷至包晶温度，这些锆粒子与熔体反应形成一层 核粒子的形式存在.因此Lee认为Zr的晶粒细 富结的固溶体.而且，Emley认为，仅仅那些从包 化作用源于它对晶粒生长的抑制作用.但生长抑 晶温度附近析出的锆粒子才能起到使熔体形核的 制理论好像无法解释高Zr含量镁合金中几乎每 作用2].在实验用的Mg9Gd4Y-0.40Zr和 个晶粒内都有富Z:核存在的现象，因为这种富 Mg9Gd4Y0.51Zr合金中，可以观察到这种典型 Z:核对晶粒细化显然起着非常重要的作用 的富锆核结构.但是在低Zr含量的Mg9Gd4Y- 实验中，在高Zr含量的Mg9Gd4Y-0.40Zr 0.25Zr合金中，尽管晶粒已大大细化，但并未观 和Mg9Gd4Y0.51Zx合金中，可以明显观察到富 察到那种富锆核结构，锫含量也明显低于包晶点 Zr核的存在，笔者也认为这种富Zr核是凝固过 成分.另外很多研究也表明3,10四，在含少量Zr 程中发生包晶反应的结果.在这两个高Zr含量 (小于0.45%)的镁合金中，晶粒就已经被明显地 合金的凝固过程中，Z粒子在包晶温度以上首先 细化了.这是包晶反应理论所不能解释的. 析出，在接下来的包晶反应时成为a-Mg的形核 为了解释这个矛盾，Lee等3]认为Zr对镁晶 核心，从而使合金的晶粒大大细化.在Mg9Gd4Y 粒的细化主要是由于在凝固过程中Z:溶质原子 0.40Zr合金中，Zr含量尽管略小于包晶点成分 对晶粒生长的抑制作用，溶质原子可以在生长着 (0.45%),Zr粒子在包晶温度以上的预先析出可 的固液界面前方的扩散层内产生成分过冷，溶质 能是因为杂质原子或溶质原子使Zr在Mg中的 原子的扩散较慢，从而可以限制晶粒的生长.反 固溶度降低，从而包晶成分点向更低Z:含量方向 过来，这种限制作用为更多核心的形成提供了更 偏移 多的时间12].溶质原子对晶粒生长的抑制作用 在低Zr含量的Mg9Gd4Y-0.25Zr合金中， 可以用生长抑制因子(GRF)定量描述，生长抑制 尽管不能观察到那种富Zr核的存在，但它的晶粒 因子是Johnson在研究A-Ti-B晶粒细化剂对铝 已明显小于不含Zr的Mg9Gd4Y合金.Zr在镁 合金晶粒细化行为的研究时最初提出的[12】. 合金中具有很强的偏析能力，笔者认为Zx的晶粒V oj . 28 N o . 2 彭卓凯等 : rz 在 M g一 , dG 一 4 Y 合金中的晶粒细化机制 0 1 0 2刀 3刀 4力 5刀 6刀 7刀 能量 / ve 图 4 M萝 “ 4y 一 。 . 40 zr 合金的二次电子像及 A 粒子能谱图 iF g · 4 eS OC . d a 叮 e Ice tor n i m ag e a dn E D S an a ly s i s o f P a rt i e l e A i n t触 M g G d 4 Y 一 0 . 4 0 Z r al loy s h ow i gn e x i t加 g o f a Z r P a rt l e l e i . t h e ce n et r o f t触 co r e 合金 中 , z r 细化晶粒 的机制不 同 . G R F 二 m c 。 k( 一 1) , 其 中 , m 为二元 合金 液 相 线 2 . 3 z r 的 晶粒细化 机制 斜率 , 。 。 为 合金 中溶 质原 子 的 初 始含 量 , k 为 溶 目前 , z : 在镁合金 中的 晶粒细 化 机理还 不 是 质分 配 系数 . 根 据 二 元相 图 , 镁合金 中各种溶质 很清楚 , 研 究者比 较 认同的 观 点是 E m ley 提出 的 原子 的 G R F 值 已经算出 81[ , 与镁合金 中其他常用 “ 包 晶反 应理 论 ’ , 2[, 7 J . 典 型 的 富镁 角 M g 一 z : 相 的元 素如 c a , is , z n , c u , lA , sc , sr , c e , Y 等相 比 , 图见文 献 〔8一 9] . 由于 。 一 z : 和纯镁 同为 密排六 方 z : 的 生长 抑 制 因子值最 高 , 这表 明 z : 有 很强 的 结构 , 且它 们的晶格常数很接近 ( 。 一 z r : a = 0 . 3 23 抑制 晶粒长大 的 能力 , 从 而 明显 地 细 化晶粒 . 根 n m , e = 0 , 5 14 n m ; 纯镁 : a = 0 . 3 2 o n m , c = 0 . 5 2 0 据 L e 。 等人 的实验结果1 3 ] , 0 . 0 4 % 一 0 . 32 % 的 z r n m )z[ 〕 , E m vle 认为 , 错粒子 在包 晶温 度以上首先 可 以使纯镁的 晶粒明显 被细化 . 0 . 32 % 的错含 量 从镁熔体中析 出 , 这 些错粒子 可 以起 形核 的作用 , 明显 低于包晶 点成分 , 因此 错 被认 为不 可能 以 形 冷至包 晶温 度 , 这些 错粒子 与熔 体反 应形 成 一 层 核 粒子 的形 式 存 在 . 因此 L e e 认为 z : 的晶粒细 富错的固溶体 . 而 且 , E m ley 认为 , 仅 仅那些 从包 化作用 源于它对 晶粒 生长的抑制作用 . 但 生 长抑 晶温度 附近析 出的错粒子 才能起 到使熔 体形 核的 制理论 好像无 法 解释高 Z r 含 量镁合金 中几乎每 作 用 z[] . 在 实 验 用 的 M g g G d4 Y 一 0 . 40 2 : 和 个 晶粒 内都有 富 z : 核 存在 的 现 象 , 因 为这 种 富 M g g G d4 Y 一0 . 5 1z r 合金 中 , 可 以 观 察到这 种典 型 z r 核对 晶粒 细化显然 起着非 常重要 的作 用 . 的富错核 结构 . 但是在 低 rZ 含 量 的 M g g G d4 Y 一 实验 中 , 在高 z : 含 量 的 M g g G d4 Y 一 0 . 40 rZ 0 . 25 2 : 合金 中 , 尽管 晶粒 已 大大细 化 , 但并 未观 和 M g g G d4 Y 一0 . 51 2 : 合金 中 , 可以明显 观察到 富 察到 那种富错 核结构 , 错含 量也 明显 低于包 晶 点 z r 核 的存 在 , 笔 者也 认 为这种富 Z r 核是 凝 固过 成分 . 另外很 多 研 究也 表明以 ’ 0 一川 , 在含少 量 z r 程 中发 生包 晶反 应 的 结果 . 在这 两 个 高 z : 含 量 (小于 0 . 4 5 % ) 的镁合金 中 , 晶粒 就 已 经被明显 地 合金 的凝 固过 程 中 , Z r 粒 子在 包 晶温 度以上首 先 细化了 . 这是包晶反应理论 所不能 解释 的 . 析出 , 在接下来的 包晶 反应 时成 为 。 一 M g 的形核 为 了解释这个 矛盾 , eL e 等l3[ 认为 z : 对镁 晶 核 心 , 从而 使合金的 晶粒 大大 细 化 . 在 M萝 G d4 Y 粒的细 化主要是 由于 在凝固过 程 中 Z r 溶质原 子 刃 . 40 Z r 合金 中 , Z r 含量尽 管略 小于 包 晶 点成 分 对 晶粒 生长 的抑 制作用 . 溶质原子可 以 在生长 着 ( 0 . 45 % ) , Z r 粒 子在 包晶 温度 以上 的预先析出可 的 固液界 面前方 的扩散 层 内产 生成 分过 冷 , 溶质 能是 因 为杂 质原子 或溶质原 子 使 zr 在 M g 中的 原 子的 扩散 较慢 , 从而 可 以限 制晶粒 的生 长 . 反 固溶度降低 , 从而包 晶成分点向更低 Z r 含量方 向 过来 , 这 种限制 作用 为更 多核 心 的形 成提供了更 偏移 . 多的 时 间 [ 12] . 溶质原 子 对 晶粒 生长 的抑 制作用 在低 z : 含量的 M g g G d4 Y 一 0 . 25 2 : 合金 中 , 可以用 生长抑制因子 ( G R F )定量描述 . 生 长抑制 尽管不能观察到那种富 Z r 核的 存在 , 但它 的晶粒 因子是 Jho n so n 在研 究 iA 一iT 一B 晶粒细化剂对铝 已 明显 小于 不 含 z : 的 M g g G d4 Y 合金 . z r 在镁 合金 晶 粒 细 化 行 为 的 研 究 时 最 初 提 出 的 [ `“ 1 . 合金 中具有 很强 的偏析能力 , 笔者认为 z : 的晶粒