1、鎂合金作為輕質(zhì)金屬材料的典型代表，具有良好的抗阻尼性、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、3C產(chǎn)品、汽車等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿?。然而?duì)于目前已經(jīng)廣泛使用的鑄造鎂合金，其力學(xué)性能及后續(xù)的可加工性能還不夠理想，極大了限制了其進(jìn)一步的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。晶粒細(xì)化可有效提高鎂合金的強(qiáng)度和延展性，開發(fā)出一種高效低成本的晶粒細(xì)化劑是改善鎂合金綜合性能、擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的重要手段，因此開展鎂合金晶粒細(xì)化劑和細(xì)化機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。<

2、br>　　本文主要是針對(duì)晶粒細(xì)化比較困難的含Al鎂合金進(jìn)行研究，開發(fā)低成本、高效的晶粒細(xì)化劑，具體以純鎂、Mg-3Al和Mg-6Al體系為對(duì)象，通過對(duì)添加不同的化合物和合金元素細(xì)化晶粒效果的理論與實(shí)驗(yàn)研究，獲得理想晶粒細(xì)化劑。根據(jù)Mg-Al-Si和Mg-Al-Sn熱力學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了三元相圖并設(shè)計(jì)了Mg-xAl-ySiC(x=3,6；y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0)，Mg-xAl-ySiO2(x=3,6；y=0.2、0.5、0

3、.8、1.5、2.0)以及Mg-xAl-ySn(x=3,6；y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0)合金，通過生長抑制因子(Q值)、邊邊匹配模型(E2EM)等手段預(yù)測了各體系中形核劑的晶粒細(xì)化效果和細(xì)化機(jī)理。通過金相分析、X射線衍射、能譜、背散射電子衍射、拉伸試驗(yàn)、掃描電鏡、透射電子顯微分析等手段，研究了成分、冷卻速度、擠壓變形等參數(shù)對(duì)鑄態(tài) Mg-Al合金微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律；根據(jù)合金中第二相形成和分布特征，研究了 Mg2S

4、i、Mg2Sn等對(duì)鎂中 Mg17Al12第二相的異質(zhì)形核作用機(jī)理，得到了針對(duì)含Al鎂合金的高效晶粒細(xì)化劑、探討了晶粒細(xì)化機(jī)制，主要研究結(jié)果如下：
　　低成本的非金屬化合物 SiC作為 Mg-Al合金的晶粒細(xì)化劑，可起到很好的晶粒細(xì)化效果，相應(yīng)力學(xué)性能也得以改善。Mg-3Al系合金的平均晶粒尺寸可從650.34μm降低到95.36μm（Mg-3Al-2.0SiC），鑄態(tài)Mg-3Al-0.8SiC合金的抗拉強(qiáng)度及壓縮斷裂強(qiáng)度可達(dá)到19

5、4 MPa、298 MPa，延伸率12％，較同批次Mg-3Al合金分別提升了~15 MPa、~24 MPa，延伸率增加4%；在鑄態(tài)Mg-6Al合金中添加1.5 wt.%SiC后的壓縮性能最優(yōu)，斷裂強(qiáng)度達(dá)到了363 MPa，較Mg-6Al合金提升了~48 MPa，延伸率為~15%。此外，基于對(duì)鑄態(tài)組織的TEM表征，弄清了SiC對(duì)Mg-Al系合金的細(xì)化機(jī)制：即SiC不直接作為形核位點(diǎn)，而是先與Al反應(yīng)釋放出單質(zhì)Si，Si較高的長抑制能力（）

6、使部分 Si在凝固過程中發(fā)揮了溶質(zhì)分離效應(yīng)，促進(jìn)晶粒細(xì)化；部分Si則與Mg結(jié)合生成Mg2Si。edge-to-edge模型計(jì)算表明Mg2Si與Mg17Al12之間存在位相關(guān)系/(202)Mg2Si（夾角），//和/()Mg2Si(夾角)，//，這使得Mg2Si可成為第二相Mg17Al12的形核位點(diǎn)，并改變其形貌和分布，尤其是在Mg-3Al體系中，Mg17Al12不再在晶界處或三角晶區(qū)呈片狀或網(wǎng)狀析出，而是在晶粒內(nèi)部以分散的、顆粒狀的形式

7、析出。被分散的Mg17Al12相可作為α-Mg基體的形核質(zhì)點(diǎn)，從而起到晶粒細(xì)化的效果。衍射斑分析和菊池線匹配驗(yàn)證了 Mg2Si與Mg17Al12之間的匹配關(guān)系。
　　首次將低成本的 SiO2粉末添加至 Mg-Al合金得到了很好的晶粒細(xì)化效果。Mg-3Al合金的平均晶粒尺寸為650.34μm，添加0.5 wt.%SiO2后降低到了86.77μm。增加 SiO2含量至1.5 wt.%，鑄態(tài)合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)提升至87 MPa

8、和190 MPa，延伸率9.5%，較同批次Mg-3Al合金性能（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為~79 MPa和~180 MPa，延伸率8.1%）略微提高；鑄態(tài) Mg-3Al-SiO2和Mg-6Al-SiO2合金的最高壓縮斷裂強(qiáng)度分別可達(dá)~298 MPa和~325 MPa，表明這一成分范圍 SiO2的添加可改善 Mg-3Al合金的力學(xué)性能。值得注意，細(xì)晶的Mg-Al-SiO2鑄態(tài)合金經(jīng)擠壓變形后晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，晶粒尺寸僅為15~18μm，較

9、擠壓態(tài)Mg-6Al的平均晶粒尺寸(~50μm)顯著降低。擠壓態(tài)Mg-6Al-SiO2合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)219 MPa和297 MPa，相較Mg-6Al合金分別提升了62 MPa和57 MPa，延伸率為13.6%；壓縮斷裂強(qiáng)度最高可達(dá)~447 MPa，延伸率為~12%，變形后的合金性能提高明顯。研究表明，添加Al和SiO2的順序、保溫時(shí)間以及冷卻速度等因素均會(huì)對(duì)合金的晶粒細(xì)化效果產(chǎn)生影響，這主要是同合金中生成的Mg2Si相的

10、數(shù)量和析出行為有關(guān)。低冷速下(1K/sec)合金的晶粒細(xì)化效果較高冷速(3K/sec)的更加明顯。在冷速為1K/sec時(shí)，Mg完全熔化后先加入Al再加入SiO2保溫10min的晶粒細(xì)化效果最佳，晶粒尺寸從1092.45μm（Mg-3Al）降低到了379.07μm(Mg-3Al-2.0 SiO2)，減小了近2.5倍。衍射斑分析和菊池線標(biāo)定表明該合金體系生成的Mg2Si相與Mg基體之間不存在位相關(guān)系，說明Mg2Si相不是Mg相的形核核心，晶

11、粒細(xì)化效果是被分解出來的單質(zhì) Si(Q=9.42)與合金中的 Al溶質(zhì)效應(yīng)的共同作用。
　　添加合金元素Sn也可對(duì)Mg-Al合金產(chǎn)生較好的晶粒細(xì)化效果，鑄態(tài)Mg-Al-Sn合金的晶粒尺寸從940.72μm最低可降至435.47μm（AT310）。鑄態(tài)Mg-6Al-0.2Sn合金的壓縮屈服和斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到107 MPa和352 MPa，較同批次鑄態(tài)Mg-6Al合金分別提高了32 MPa和17 MPa；隨著Sn含量的增加，鑄態(tài)Mg-

12、6Al-Sn合金壓縮屈服和斷裂強(qiáng)度分別最高可達(dá)124 MPa和360 MPa，延伸率達(dá)到~32%。通過衍射斑分析和菊池線標(biāo)定驗(yàn)證了 Mg2Sn與 Mg17Al12之間存在位相關(guān)系：//(20)Mg2Sn夾角），//和//()Mg2Sn夾角）,//，且Mg2Sn先于 Mg17Al12在500℃左右生成（Mg17Al12在450℃左右生成），證明 Mg2Sn可以Mg17Al12的異質(zhì)形核心。彌散分布的Mg17Al12相可對(duì)α-Mg基體產(chǎn)生很