Mg-9Li-0.5Ca双相合金中共晶组织的形成及力学行为

发布时间：2019-11-09 12:25

【摘要】：在Mg-9Li双相合金中添加0.5%(质量分数,下同)Ca元素,通过磁悬浮熔炼及铜模吸铸方法熔炼制备了共晶型Mg-9Li-0.5Ca合金。组织观察表明,常规Mg-9Li双相合金中形成的α-Mg相为粗大短板条状,取向随机、均匀无序分布于β-Li基体中。而Mg-9Li-0.5Ca合金中形成了棒状交替排列的(α-Mg+β-Li)共晶团组织,在共晶团内,α-Mg相呈长纤维状(长宽比约为100)、并以一定取向定向排列;相比于Mg-9Li合金,共晶a-Mg相纤维间距及纤维直径显著减小、组织明显细化,a-Mg相体积分数显著增加;同时,大量纳米、亚微米级Mg_2Ca颗粒均匀弥散分布于α-Mg、β-Li晶粒内及两相界面上。由此导致具有该共晶组织的Mg-9Li-0.5Ca合金相比于Mg-9Li合金力学性能显著增加,室温拉伸屈服强度提高3%、抗拉强度提高3.5%,伸长率提高50%。分析表明,微量Ca元素的添加和铜模吸铸产生的较快的冷却速度,诱发Mg-9Li双相中细小(α-Mg+β-Li)共晶组织的形成,显著提高力学性能。
【图文】：

微观组织,合金,放大倍数

第1期边丽萍等：Mg-9Li-0.5Ca双相合金中共晶组织的形成及力学行为·267·图1Mg-9Li-XCa合金在不同放大倍数下的微观组织Fig.1MicrostructuresofMg-9Li-XCaalloyatdifferentmagnifications:(a~c)X=0;(d~f)X=0.53~4m，平均长度约为25m，长/宽比为8；个别晶粒呈约5m的块状；这些板条状或块状-Mg相取向随机、均匀无序分布于-Li基体中。Mg-9Li合金中添加0.5%Ca后，如图1d~1f所示，组织中形成了-Mg与-Li棒状交替排列的共晶型组织结构，共晶团尺寸为50~100m（图1e），个别胞尺寸可达150~200m（图1e中线圈所示）。胞内-Mg相呈长纤维状，纤维直径约为1m、平均长度约为100m，长/宽比高达约100，层片间距为1~2m。相比于Mg-9Li合金，Mg-9Li-0.5Ca合金中共晶-Mg相纤维直径及间距显著减孝组织更为细密、-Mg相体积分数显著增加。在共晶团间交界处，存在大量更为细小的几个微米长度的棒状或粒状-Mg相。此外，如图1d~1f所示，Mg-9Li-0.5Ca合金中存在大量纳米、亚微米级Mg2Ca颗粒相，大部分颗粒均匀弥散分布于-Mg、-Li晶粒内及两相界面上（图1d，1e金相照片中为黑色小颗粒；图1fSEM照片中为白色小颗粒）；而在个别局部区域，也可发现细小Mg2Ca颗粒的聚集区（图1d中箭头所示），表明这些超细Mg2Ca颗粒具有团聚倾向。由Mg-Li合金相图可知，Mg-Li二元共晶点成分为Mg-7.3%Li处，则Mg-9Li成分属于过共晶成分区域，其凝固路径为初生-Li+(-Mg+-Li)离异共晶组织。而本研究中，，添加0.5%Ca后，Mg-9Li合金中出现了典型的棒状-Mg和-Li交替排列的（-Mg+-Li）规则共生共晶型组织，-Mg、-Li相的相对含量发生明显变化。这表明微量Ca的添加，使Mg-Li二元共晶成分点发生偏移，以致在Mg-9Li合金中由过共晶组织转变成共晶型为主的组织，共晶由离异生长方?

XRD图谱,XRD图谱,合金

MPa、153.8MPa、72%，较Mg-9Li合金分别提高3%、3.5%、50%。由拉伸应力-应变曲线所围面积看，Mg-9Li-0.5Ca合金的断裂韧性显著高于Mg-9Li合金。Mg-9Li-0.5Ca合金形成的-Mg+-Li共晶组织中，超细尺度纤维状-Mg相大的长/宽比（~100）及其“交错排列的有序结构”是该合金强度塑韧性显著提高的主要原因。其中，纤维状-Mg相间较软的-Li相以剪切变形的形式大量释放断裂能，对纤维状-Mg相及-Mg/-Li相界面的冲击破坏起到缓冲，保护和均匀内应力的作用，从而大大提高合金的断裂韧性[18,19]。此外，这种亚微米尺度的长纤维有图2Mg-9Li-XCa合金的XRD图谱Fig.2XRDpatternsofMg-9Li-XCaalloys图3Mg-9Li-XCa合金室温拉伸工程应力-应变曲线Fig.3Tensileengineeringstress-straincurvesofMg-9Li-XCaalloysatambienttemperature序结构通过裂纹偏转机制[20,21]，有效地抑制了裂纹的扩展与增殖，从而大大提高了Mg-9Li-0.5Ca合金的塑韧性。此外，Mg-9Li-0.5Ca合金中均匀弥散分布于-Li基体、-Mg晶粒、-Mg/-Li基体相界面处的大量超细尺度Mg2Ca颗粒的存在也起到了明显的弥散强化作用。因此，Mg-9Li-0.5Ca合金中由于具有大长/宽比的超细纤维状-Mg相的大量形成及其交错有序排列结构，其强韧化效果远高于Mg-9Li合金中粗大短板条状-Mg晶粒的强韧化作用。3结论1)不同于常规Mg-9Li双相合金中形成的粗大板条状、取向随机的-Mg相，Mg-9Li-0.5Ca合金中形成了棒状交替排列的（-Mg+-Li）共晶团组织，在共晶团内-Mg相呈长纤维状、并以一定取向定向排列。相比于Mg-9Li合金，共晶-Mg纤维直径及间距显著减孝组织明显细化，-Mg相体积分数显著增加。同时，大量纳米、亚微米级Mg2Ca颗粒均匀弥散分布于-Mg、-Li晶粒内及两相界面上。2)具有共晶组织的M

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