研究成果：Gd對Mg-5Si合金組織和力學(xué)性能的影響
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：李斌
在過共晶Mg-5 Si合金中大部分Si與Mg反應(yīng)生成具有高硬度、高熔點、低密度和低的熱膨脹系數(shù)的Mg2Si金屬間化合物。因此，過共晶Mg-5 Si合金作為結(jié)構(gòu)材料具有很大潛力。但是，在普通重力鑄造條件下，由于冷卻速度較慢，析出的Mg2 Si相常以粗大的漢字狀甚至發(fā)達(dá)的樹枝狀分布于凝固的Mg基體中。這不僅影響合金的鑄造性能，而且嚴(yán)重地割裂了基體，使材料的性能下降。因此，通過控制和改善初生Mg2Si相形貌、尺寸和分布，對提高過共晶Mg-5Si合金性能非常重要。針對初生Mg2 Si相變質(zhì)，大量研究者采用La、N d及混合稀土RE等來使其變質(zhì)。楊明波等研究了Ce、Y和Gd對Mg-3Sn-2Sr鎂合金鑄態(tài)組織和力學(xué)性能的影響。但有關(guān)稀土Gd對過共晶Mg-5S1中初生Mg2Si相變質(zhì)細(xì)化的影響未見報道。本課題研究了Gd對Mg-5 Si合金中初生Mg2Si相變質(zhì)的影響規(guī)律。
1 試驗過程與設(shè)備
試驗原料為99. 98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的高純鎂錠、99. 95%的工業(yè)純硅、Mg-30Gd中間合金。其中Gd加入量依次設(shè)定為0. 4%、0.8%、1.0%和2.O%、3. 0%。在中頻感應(yīng)爐中采用石墨坩堝制備母合金Mg-5Si。將制備好的Mg-5Si合金采用SF6含量為5%的C02混合氣體保護(hù)，在790℃進(jìn)行重熔，保溫25 min，然后將Mg-30Gd中間合金加入到Mg-5Si合金熔體中，保溫10 min，用石墨棒充分?jǐn)嚢�，澆注溫度設(shè)置為780oC，將熔體澆注到預(yù)熱至300 0C的石墨型中，制備試樣。將澆注的鑄錠，進(jìn)行標(biāo)號處理，統(tǒng)一在距圓柱錠底部上1.5 cm、側(cè)面1／3處采用線切割技術(shù)按照GB/T228-2010加工力學(xué)拉伸試棒，見圖1。采用E200D微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)測試試樣的抗拉強度和伸長率等，拉伸速度為2 mm／min。在鑄錠另一側(cè)的1／3處取1.5cm×1.5 cm×2 cm的長方體，用以觀察組織和成分分析。將拋光好的試樣放入裝有變色硅的密閉玻璃皿中存放待檢測。
經(jīng)研磨、拋光后，選用濃HC1（濃度為36%～37%）和濃HN03（濃度為65%～68%）的混合溶液（體積比為2:1）對拋光后的試樣進(jìn)行10～15 s的腐蝕，其腐蝕液的液面不超過試樣高度的1／4；利用Neophot-2光學(xué)金相顯微鏡和QUANTA 200型環(huán)境掃描電鏡等觀察合金的顯微組織。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 合金的顯微組織觀察與變質(zhì)機(jī)理分析
圖2為加入0. 4%、0.8%、1.0%、2.0%與3.0%的Mg-30Gd中間合金對Mg-5Si合金進(jìn)行變質(zhì)的顯微組織，其中A、B、C所指的分別為初生Mg2Si相、共晶Mg2Si相、a-Mg基體。當(dāng)Mg-30Gd中間合金加入量為0. 4%、0.8%、1.0%時，初生Mg2Si相由偏析、團(tuán)聚的粗大樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)榉植驾^均勻的近球狀，平均尺寸由100～150μm轉(zhuǎn)變?yōu)?0～40 μu，變質(zhì)效果比較明顯。當(dāng)加入2. 0%的Mg-30Gd后，其變質(zhì)效果達(dá)到最佳，分布均勻，平均尺寸低于25 μm。當(dāng)加入量為3.0%時．Mg-5 Si合金中初生Mg2Sii相出現(xiàn)了過變質(zhì)現(xiàn)象。
圖3為不同Mg-30Gd中間合金添加量對Mg-5 Si合金變質(zhì)的XRD分析。XRD分析結(jié)果表明，隨著不同含量的Mg-30Gd中間合金加入，Mg-5Si合金中相的組成發(fā)生變化，產(chǎn)生了微量的新金屬間化合物GdxSiy( GdSi、Gd5 Si4)。
圖4為Mg-30Gd加入量為2．O%變質(zhì)Mg-5Si合金中初生Mg2Si相的高倍的背散射形貌與對應(yīng)的EDS能譜分析�？梢钥闯�，在變質(zhì)后的合金凝固組織中觀察到一些白色的針狀和短棒狀相分布在基體α-Mg中，經(jīng)EDS能譜分析得出存在GdxSiy金屬間化合物，1、3，點分別為Mg2Si和a-Mg。Mg、Si和Gd的電負(fù)性分別為1. 20、1.80和1.21，Si與Gd的電負(fù)性差值(0.59)大于Mg與Gd的電負(fù)性差值(o．01)，根據(jù)元素間化合物形成的難易程度取決于它們的電負(fù)性差值，則在合金凝固過程中Gd更傾向于與Si反應(yīng)形成金屬間化合物。
Gd作為表面活性元素，吸附于Mg2Si相的表面上。由于Gd的原子半徑大于Mg和Si的原子半徑．并且在凝固過程中Gd更傾向于與Si反應(yīng)形成金屬間化合物GdxSiy，從而毒化了初生Mg2 Si相的生長方式，抑制了初生Mg2 Si相異向生長。根據(jù)金屬晶體的生長理論，過共晶Mg-Si合金在結(jié)晶過程中初生Mg2Si相的臨界晶核半徑：
R*=2σPL/Gm
(1)式中，σPL為Mg2 Si顆粒與液態(tài)合金的界面張力；Gm為Mg2 Si固相與液相單位體積的自由能差。而臨界形核功
△G*=A*σPL=r*2σPL
(2)式中，A*為臨界晶核的表面積。
從式(1)和式(2)可以看出，由于Gd在Mg2Si相生長界面的富集有利于σPL的降低。隨著σPL降低，初生Mg2Si相臨界晶核半徑減小，所需的臨界形核功越低，進(jìn)而有利于更多初生Mg2Si晶核的生成。因此，當(dāng)Mg-30Gd的加入量為0.4%、0.8%、1.0%時，初生Mg2Si相由偏析、團(tuán)聚的粗大樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)榉植驾^均勻的近球狀，平均尺寸由100～150 μm轉(zhuǎn)變?yōu)?0～40μm，變質(zhì)效果比較明顯。當(dāng)加入2．O%的Mg-30Gd時，更多的Gd原子富集吸附于初生Mg2 Si表面，有效阻止了粗大初生Mg2Si的形成，充分改變了初生Mg2Si的尺寸和分布。在這種情況下，Gd原子的加入使得臨界晶核半徑進(jìn)一步減小，促使Gd原子排出推入到固液界面前沿，另一些則被吸附到正在生長的初生Mg2Si生長前沿。這些Gd原子包覆了正生長的初生Mg2Si相，改變其表面能，阻礙了外部Mg原子和Si原子向初生Mg2Si相擴(kuò)散，從而有效地阻礙了初生Mg2 Si相生長。但是，當(dāng)Mg-30Gd添加量進(jìn)一步增加到3.0%時，大量Gd原子吸附到初生Mg2Si生長前沿，對于GdxSiy的形成提供了充足的Gd原子，所以一些Gd原子更傾向于與擴(kuò)散過來的Si反應(yīng)形成GdxSiy相。因此，Gd此時不能有效地阻止Mg和Si原子向生長的Mg2Si擴(kuò)散，從而促進(jìn)了粗大初生Mg2Si的形成，導(dǎo)致Gd變質(zhì)的失效。另一方面，Gd的加入，在一定程度上改變合金相的結(jié)構(gòu)組成，產(chǎn)生了微量金屬間化合物GdxSiy( GdSi、Gd5Si4)，該類化合物與初生Mg2Si相晶格相似、晶格常數(shù)相當(dāng)，但熔點高于Mg2Si而優(yōu)先析出，滿足異質(zhì)形核的必要條件，因此，金屬間化合物GdxSiy為初生Mg2Si相的生長提供了異質(zhì)形核核心。
2.2 合金的力學(xué)性能
圖5為不同加入量Mg-30Gd中間合金變質(zhì)對Mg-5Si合金的抗拉強度與伸長率的影響。由圖5可以看出，在重力鑄造條件下，Mg-30Gd中間合金的變質(zhì)對Mg-5 Si合金的抗拉強度與伸長率提升比較明顯。當(dāng)Mg-30Gd加入量為2.0%時，合金試樣的抗拉強度與伸長率分別為105 MPa和3.1%。
圖6為加入2.0%的Mg-30Gd時，Mg-5 Si合金試樣斷口形貌，其中A為初生Mg2 Si相。由圖6可知，從宏觀塑性變形和斷裂特征的角度，在共晶Mg2 Si相與α-Mg基體的界面上的斷裂屬于同一種疲勞斷裂，存在Mg2 Si相疲勞條帶。裂紋源主要來自兩方面：①初生Mg2 Si相自身的沿晶斷裂；②初生Mg2 Si相與α-Mg基體的界面處疲勞斷裂。
3 結(jié) 論
(1) Gd能有效變質(zhì)初生Mg2 Si相。當(dāng)Mg-30Gd中間合金加入量為2.0%時，初生Mg2 Si相平均尺寸小于25 μm，大部分形貌為近球狀，且分布均勻。但當(dāng)加入量為3. 0%時，初生Mg2 Si相出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。
(2) Mg-5Si合金經(jīng)不同含量Mg-30Gd中間合金變質(zhì)后，其抗拉強度與伸長率變化較為明顯。當(dāng)Mg-30Gd中間合金加入量為2.0%時，抗拉強度與伸長率分別達(dá)到105 MPa和3.1%。
4摘要采用Mg-30Gd中間合金對過共晶Mg-5 Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，考察了Gd對合金組織與力學(xué)性能的影響，并討論了其變質(zhì)機(jī)理。結(jié)果表明，Gd對過共晶Mg-5 Si合金中初生Mg2Si相具有良好的變質(zhì)作用。當(dāng)加入2.0%的Mg-30Gd時，變質(zhì)效果最佳，初生Mg2 Si相的平均尺寸減小到25μm以下，其形態(tài)大部分為近球狀，并且分布均勻，合金的抗拉強度和伸長率也達(dá)到了最大值，分別為105 MPa和3.1%。但是，當(dāng)Mg-30Gd增加到3．O%時，初生Mg2Si相又轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮臉渲螒B(tài)。變質(zhì)機(jī)理與稀土元素富集于初生Mg：Si相生長表面抑制優(yōu)先生長晶向的生長，以及金屬間化合物GdxSiy為初生Mg2 Si相生長提供了異質(zhì)形核核心有關(guān)。
