DOC《Mg-Cu合金共晶组织形貌及CuMg2的小平面特性》

(b)-25%Cu;

(c)-30%Cu;

(d)-45%Cu;

(e)-70%Cu;

(f)-75%Cu 图1 不同铜含量Mg-Cu合金的铸态显微组织 Fig.1 Microstructures of as-cast Mg-Cu alloys with different copper content 图1表明,不同铜含量Mg-Cu合金的显微组织有比较大的区别,主要表现在初生相形貌和数量的分布上.根据相图[14],当铜含量小于38%时,Mg-Cu合金中初生相为α-Mg相,共晶组织为α-Mg/CuMg2,初生α-Mg相的形貌随铜含量的递增基本没有变化(图1a~1c),始终保持蔷薇花形的非小平面凝固方式,但分布的量和大小随铜含量的递增逐渐变小,符合凝固原理中的杠杆定律.共晶组织大多以层片状分布在初生枝晶周围.当铜含量大于38%但小于65%时,初生相为CuMg2金属间化合物相(图1d),初生CuMg2相的形貌为典型的有棱有角的四方形,呈现典型的小平面凝固行为,各向异性较强.随着铜含量的继续增加,初生相由CuMg2相转变为Cu2Mg相. Mg-Cu二元系在不同成分下生成Cu2Mg和CuMg2金属间化合物,且在化合物之间及其与母材金属之间各自发生共晶反应.观察其结合面,可以看到在近铜处是立方晶体结构的Cu2Mg,在近镁处则是斜方晶体结构的CuMg2.这两种相的形貌有比较大的差异,如图1d-1f所示.初生CuMg2相的形貌为典型的有棱有角的四方形,呈现典型的小平面凝固行为,各向异性较强,但初生Cu2Mg相的形貌与α-Mg相较相似,为圆弧状的蔷薇花形,表现出非小晶面的凝固方式. 2.2 共晶晕圈的形成 不同铜含量Mg-Cu合金的SEM形貌见图2. (a)Mg-15%Cu (a)-15%Cu;

(b)-75%Cu;

(c)-45%Cu 图2 不同铜含量Mg-Cu合金的SEM形貌 Fig.2 SEM microstructure of Mg-Cu alloys with different copper content 含铜15%的亚共晶的形貌特征是,一层由CuMg2相组成的亮白色晕圈包裹在初生α-Mg相的周围,共晶组织以放射状生长在晕圈外围形成共晶群(图2a).在该合金的共晶组织中,α-Mg与CuMg2相的体积分数相当,在金相视野中二维形貌为片状,呈灰黑色.在α-Mg相之间为片状共晶CuMg2相,呈白亮色.从图2a还可发现,灰黑色共晶α-Mg相与灰黑色初生α-Mg蔷薇花状枝晶相中间隔着一圈很明显的白亮色晕圈,而白亮色共晶CuMg2相却与晕圈相直接相连.由此可以推断,白色晕圈应该是CuMg2相,共晶转变前必须先在初生α-Mg枝晶周围形成晕圈,在发生共晶转变时,共晶CuMg2相才可以依附在晕圈上生长. 但当小平面CuMg2金属间化合物作为初生相(灰白色)析出时(图2c),共晶组织(灰白色和黑色相间的层片结构)直接就在初生相周围形核,而没有出现晕圈组织.并且在本试验中,我们发现,当共晶组织中的两相都为金属间化合物相时,也没有出现明显的晕圈组织(图2b).这主要与初生相和二次晕圈相的形核过冷度的大小有关[15-16]. 2.3 共晶领先相的凝固 合金在凝固时,晶核形成后在长大过程中要受原子向固液界面附着动力学条件的影响.固液界面上原子尺度的特殊结构决定了长大后的晶体形貌.通常将那些具有宏观上锯齿状的固液界面、并显示出结晶面特征的平坦区域称为小面(faceted surface),而将出现小面的晶体称为小平面相或棱面相(faceted phase)[17-18].合金凝固组织中出现小平面在强制生长系统中(如定向凝固)是比较普遍的,因为这种晶体中不同晶面的长大速度不一样,高指数的晶面具有低指数生长的各向异性,使晶体形成具有棱角的外形.其结晶长大示意图见图3~4. 图3 小平面相生长示意图 Fig.3 Schematic map of growth of faceted phase 图4 非小平面相生长示意图 Fig.4 Schematic map of growth of non-faceted phase 小平面相由低指数光滑面包围,在生长时有很强的各向异性,棱角比棱面处的驱动力(如过冷度)大,因此,棱角处的生长速度快(图3b),但最终形态仍然由有棱角的界面组成(图3c).而非小平面开始呈球形(图4a),随着凝固的进行,界面出现失稳使界面形状发生变化(图4b),如果驱动力足够大的话,晶体最终就会形成树枝晶(图4c)[19]. 2.3.1 初生CuMg2相的小平面特性 Mg-Cu二元合金有Mg2Cu和MgCu2两种金属间化合物相.在本试验所采用的合金成分中,出现了三种初生相:α-Mg、Cu2Mg和CuMg2相.但这三种初生相的凝固行为有较大差异.Croker采用溶解熵(entropy of solution)的大小对共晶组织进行分类[17],小平面相的溶解熵大于23 J/(mol・K),非小平面相的溶解熵小于23 J/(mol・K).由于α-Mg相的熔融熵为9.7 J/(mol・K)[18],Cu2Mg相的溶解熵为8.12~9.69 J/(mol・K),而CuMg2相的溶解熵大于23 J/(mol・K)[20-21].不同初生相的形貌如图5所示. (a)-α-Mg相(b)-Cu2Mg相(c)-CuMg2相图5 Mg-Cu合金系中不同初生相的形貌 Fig.5 Microstructure of different primary phases in Mg-Cu alloy 从图5 可以看出,α-Mg相和Cu2Mg相始终呈现蔷薇花状的非小晶面结构,而CuMg2相的各向异性较强,呈现明显的小晶面结构,但当CuMg2相作为共晶组织中的一相时,它与α-Mg共同从液相形核生长,由于α-Mg与CuMg2相共同搭桥形核生长,彼此依赖限制,这就削弱了CuMg2相的各向异性,使得两相以规则的片层耦合生长.在共晶集群外围的层片状共晶组织中,由于层片位相的改变,可以分辨出共晶团的晶界,在共晶团的晶界周围,由于杂质等因素的影响,CuMg2相的各向异性又有一定程度的释放(如图5c中的右下角区域). 2.3.2 小平面相形成的热力学原因 晶体的长大是否属于小晶面长大主要取决于它们的熔化熵,也可通过Jackson因子α来判断,当α4R),正如CuMg2的强小平面特性.