ZnAl10Cu2合金铸态显微结构及相结构分析

D0I:10.13374/.issn1001-053x.2011.10.007 第33卷第10期 北京科技大学学报 Vol.33 No.10 2011年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2011 ZnA10Cu2合金铸态显微结构及相结构分析 邬小萍区李德富郭胜利许晓庆胡捷贺金宇 北京有色金属研究总院，北京100088 ☒通信作者，wuxp040301@sina.com 摘要通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等对ZnAl1OC2合金的铸态显微结 构和相结构进行了观察和分析，并对其组织的形成机制进行了研究.研究表明：铸态ZA10C2合金的凝固组织由初生枝晶 α1及其外围的棒状共晶（α2+B)组成，在随后的冷却过程中初生1相和共晶组织中α2相均发生共析反应，得到层片状共析 组织（α+），而在室温时效中未完全转变的a:相和α2相均发生不连续沉淀形成粒状沉淀组织，其中初生Q,相，为富A1相， 是Z在A1中形成的固溶体，属于强化相，晶体结构为面心立方，B为富Z如相，晶体结构为密排六方. 关键词锌铝合金：显微组织：相结构：共晶：不连续沉淀 分类号 As-cast microstructure and phase structure of ZnAll0Cu2 alloy WU Xiao-ping,LI Defu,GUO Sheng-li,XU Xiao-qing,HU Jie,HE Jin-yu Beijing General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China Corresponding author,wuxp040301@sina.com ABSTRACT The as-east microstructure and phase structure of ZnAllOCu2 alloy were observed and analyzed by optical microscopy (OM),scanning electron microscopy (SEM),energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS),and X-ray diffraction (XRD).The for- mation mechanism of the structures was also studied.It is shown that the solidification of cast ZnAllOCu2 alloy is consisted of primary a dendrites and rod-like eutectic (B)surrounding primary adendrites.There occur eutectoid reactions in primary a phase and phase in the eutectic structure during the subsequent cooling process,and lamellar (a+n)eutectoid organization forms.The re- tained and phase precipitate discontinuously and form granular precipitates in room temperature aging.The primary is the Al- rich (Al forms solid solution with Zn)and strengthening phase,with the crystal structure of a face-eentered cubic lattice.And for B, the crystal structure of the Zn-rich phase is a hexagonal lattice. KEY WORDS zinc-aluminum alloys:microstructure;phase structure:eutectics:discontinuous precipitation 锌铝合金具有良好的力学性能、耐磨性能及其 外，由于Zn一Al二元相图比较复杂，凝固过程中发 他一些特殊性能（如碰撞时不产生火花、无磁性 生的相变相当复杂口，因此有必要弄清楚铸态组织 等)，作为铜合金甚至铝合金的替代材料具有广泛 的基本情况，这对后续塑性变形组织研究及加工工 的应用前景.然而，目前人们对锌合金的研究大多 艺参数的确定有重要的指导意义.本文较系统地研 集中于压铸以及超塑性方面，对锌合金塑性变形的 究了ZnAl10Cu2合金铸态组织及其相结构，旨在为 关注较少-可.由于锌合金具有密排六方的晶体结 该合金后续塑性变形的研究提供理论依据. 构，滑移系少，塑性较差，加工变形比较困难，因此提 1实验方法 高锌合金的变形能力，并且在变形过程中控制其综 合力学性能，己成为发展变形锌合金的重点和难点. 实验用ZnAl10C2合金铸锭为半连续铸锭，其 铸态组织对后续的塑性变形过程有很大影响.此 直径为100mm,化学成分（质量分数)为：10%Al, 收稿日期：201009一10 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2009BAE71BO3)

第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 10 Oct． 2011 ZnAl10Cu2 合金铸态显微结构及相结构分析 邬小萍 李德富 郭胜利 许晓庆 胡 捷 贺金宇 北京有色金属研究总院，北京 100088 通信作者，wuxp040301@ sina． com 摘 要 通过金相显微镜( OM) 、扫描电镜( SEM) 、能谱仪( EDS) 和 X 射线衍射仪( XRD) 等对 ZnAl10Cu2 合金的铸态显微结 构和相结构进行了观察和分析，并对其组织的形成机制进行了研究． 研究表明: 铸态 ZnAl10Cu2 合金的凝固组织由初生枝晶 α1 及其外围的棒状共晶( α2 + β) 组成，在随后的冷却过程中初生 α1 相和共晶组织中 α2 相均发生共析反应，得到层片状共析 组织( α + η) ，而在室温时效中未完全转变的 α1 相和 α2 相均发生不连续沉淀形成粒状沉淀组织，其中初生 α1 相，为富 Al 相， 是 Zn 在 Al 中形成的固溶体，属于强化相，晶体结构为面心立方，β 为富 Zn 相，晶体结构为密排六方． 关键词 锌铝合金; 显微组织; 相结构; 共晶; 不连续沉淀 分类号 As-cast microstructure and phase structure of ZnAl10Cu2 alloy WU Xiao-ping ，LI De-fu，GUO Sheng-li，XU Xiao-qing，HU Jie，HE Jin-yu Beijing General Research Institute for Non-ferrous Metals，Beijing 100088，China Corresponding author，wuxp040301@ sina． com ABSTRACT The as-cast microstructure and phase structure of ZnAl10Cu2 alloy were observed and analyzed by optical microscopy ( OM) ，scanning electron microscopy ( SEM) ，energy dispersive X-ray spectroscopy ( EDS) ，and X-ray diffraction ( XRD) ． The for￾mation mechanism of the structures was also studied． It is shown that the solidification of cast ZnAl10Cu2 alloy is consisted of primary α1 dendrites and rod-like eutectic ( α2 + β) surrounding primary α1 dendrites． There occur eutectoid reactions in primary α1 phase and α2 phase in the eutectic structure during the subsequent cooling process，and lamellar ( α + η) eutectoid organization forms． The re￾tained α1 and α2 phase precipitate discontinuously and form granular precipitates in room temperature aging． The primary α1 is the Al￾rich ( Al forms solid solution with Zn) and strengthening phase，with the crystal structure of a face-centered cubic lattice． And for β， the crystal structure of the Zn-rich phase is a hexagonal lattice． KEY WORDS zinc-aluminum alloys; microstructure; phase structure; eutectics; discontinuous precipitation 收稿日期: 2010--09--10 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目( 2009BAE71B03) 锌铝合金具有良好的力学性能、耐磨性能及其 他一些特 殊 性 能( 如碰撞时不产生火花、无 磁 性 等) ，作为铜合金甚至铝合金的替代材料具有广泛 的应用前景． 然而，目前人们对锌合金的研究大多 集中于压铸以及超塑性方面，对锌合金塑性变形的 关注较少［1--7］． 由于锌合金具有密排六方的晶体结 构，滑移系少，塑性较差，加工变形比较困难，因此提 高锌合金的变形能力，并且在变形过程中控制其综 合力学性能，已成为发展变形锌合金的重点和难点． 铸态组织对后续的塑性变形过程有很大影响． 此 外，由于 Zn--Al 二元相图比较复杂，凝固过程中发 生的相变相当复杂［1］，因此有必要弄清楚铸态组织 的基本情况，这对后续塑性变形组织研究及加工工 艺参数的确定有重要的指导意义． 本文较系统地研 究了 ZnAl10Cu2 合金铸态组织及其相结构，旨在为 该合金后续塑性变形的研究提供理论依据． 1 实验方法 实验用 ZnAl10Cu2 合金铸锭为半连续铸锭，其 直径为 100 mm，化学成分( 质量分数) 为: 10% Al， DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.10.007

第10期 邬小萍等：ZnAI10C2合金铸态显微结构及相结构分析 ·1249· 2%Cu,其余为Zn.用线切割机从铸锭上取样，从铸 其显微结构和相结构进行分析研究，试样的微区成 锭中心至边缘共取四个样，规格为中10mm×15mm. 分由扫描电镜自带的能谱仪确定. 以纵截面为观察面，将取下的试样在AO3水砂纸 2实验结果及分析 上磨成镜面，然后机械抛光，所用的腐蚀剂为铬酐， 腐蚀时间6s.腐蚀剂的成分及配比为：三氧化铬20 2.1相结构及成分分析 g,硫酸钠1.5g,水100mL.金相观察在德国NE0- 图1(a)为ZnAll0Cu2合金的铸态光学显微结 PHOT-21大型金相显微镜上进行，采用带有NO- 构，结合二元相图图发现Zm-10Al合金主要由白色 RAN-VANTAGE-DI41O5型能谱仪(EDS)的JSM- 的初生枝晶Q1及其外围黑色的共晶（α2+B)组成 840型扫描电镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)对 (图2). 2004四 图1ZAI0C2合金铸态显微组织.(a)光学金相组织：(b)扫描组织 Fig.1 As-east microstructure of ZnAllOCu2 alloy:(a)optical-metallographic microstructure:(b)SEM microstructure 700 650.37T B相，含有Zn、Al和Cu三种元素，主要由Zm元素构 600 成，能谱定量分析结果为富Zm相，有少量的Cu存在. 表1ZnA110C2合金微区EDS成分分析（质量分数） 500 419.58℃ Table 1 Analysis of the micro-EDS composition of ZnAllOCu2 alloy 400 353℃ 382 828 % 95 63 300 275℃ /78 物相 Zn Al Cu 总量 31.6 初生1相 60.63 37.42 200 (Al)n(Zn 100.00 n(Zn)- 共晶中的a2相 63.05 36.95 100.00 102030405060708090Zn Zn基体相 95.58 1.42 3.00 100.00 Z知的质量分数% 注：*表示没有检测出 图2无包晶反应的Z-Al合金的二元相图陶 为了检测合金元素的分布，通过线扫描和XRD Fig.2 Binary phase diagram of Zn-Al alloys without peritectic reac- 进行进一步组织观察和能谱分析，选取尺寸较大的 tion图 初生枝晶及共晶进行EDS线扫描.图4为高倍放大 对铸态ZnAl10Cu2合金进行SEM分析，如图1 的枝晶臂的扫描图像(SEM)和对应的线扫描结果. (b)所示.同样可以看到黑色为粗大Q,相及其外围 根据线扫描结果可知，初生枝晶Z和Al的原子数 的共晶(2+B),与前述光学金相组织相符，并结合 保持不变，共晶组织B相中A!的含量减少，位于波 能谱分析对各种相（组织）进行了EDS微区成分分 谷处，Z的含量增加，位于波峰处，共晶中的a2相 析.图3为ZnAI0Cu2合金SEM组织形貌及微区 中Al的含量再一次增加，Zn的含量减少，说明合金 能谱分析，表1是ZnAl10Cu2合金的基体和各种相 元素Zn、Al在初生a1相和共晶2相中的变化规律 的微区成分分析结果.结果表明：图3(a)所示组织 是一致的，且均为富Al相，而B相为Z基固溶体， 为初生相1相，含有Zn、Al两种元素，为富Al相， 这一结果与EDS成分分析相符. Zn、Al原子比为60.63：37.42，以片层共析的形式存 图5是ZnAl10C2合金的XRD相分析结果. 在：图3(b)为共晶中的2相，a2相中固溶有Zn元 发现只含有a一Al和η一Zn两种相的衍射峰，没有出 素，能谱分析结果为富Al相，Zn、Al原子比63.05： 现含C相或金属间化合物的衍射峰，可能是由于 36.95,也以片层形式存在：图3(c)为共晶组织中的 Cu含量较少，全部固溶在B相中

第 10 期 邬小萍等: ZnAl10Cu2 合金铸态显微结构及相结构分析 2% Cu，其余为 Zn． 用线切割机从铸锭上取样，从铸 锭中心至边缘共取四个样，规格为 10 mm × 15 mm． 以纵截面为观察面，将取下的试样在 Al2O3 水砂纸 上磨成镜面，然后机械抛光，所用的腐蚀剂为铬酐， 腐蚀时间 6 s． 腐蚀剂的成分及配比为: 三氧化铬 20 g，硫酸钠 1. 5 g，水 100 mL． 金相观察在德国 NEO￾PHOT--21 大型金相显微镜上进行，采用带有 NO￾RAN--VANTAGE--DI4105 型能谱仪( EDS) 的 JSM-- 840 型扫描电镜( SEM) 及 X 射线衍射仪( XRD) 对 其显微结构和相结构进行分析研究，试样的微区成 分由扫描电镜自带的能谱仪确定． 2 实验结果及分析 2. 1 相结构及成分分析 图 1( a) 为 ZnAl10Cu2 合金的铸态光学显微结 构，结合二元相图［8］发现 Zn--10Al 合金主要由白色 的初生枝晶 α1 及其外围黑色的共晶( α2 + β) 组成 ( 图 2) ． 图 1 ZnAl10Cu2 合金铸态显微组织 . ( a) 光学金相组织; ( b) 扫描组织 Fig． 1 As-cast microstructure of ZnAl10Cu2 alloy: ( a) optical-metallographic microstructure; ( b) SEM microstructure 图 2 无包晶反应的 Zn--Al 合金的二元相图［8］ Fig． 2 Binary phase diagram of Zn-Al alloys without peritectic reac￾tion ［8］ 对铸态 ZnAl10Cu2 合金进行 SEM 分析，如图 1 ( b) 所示． 同样可以看到黑色为粗大 α1 相及其外围 的共晶( α2 + β) ，与前述光学金相组织相符，并结合 能谱分析对各种相( 组织) 进行了 EDS 微区成分分 析． 图 3 为 ZnAl10Cu2 合金 SEM 组织形貌及微区 能谱分析，表 1 是 ZnAl10Cu2 合金的基体和各种相 的微区成分分析结果． 结果表明: 图 3( a) 所示组织 为初生相 α1 相，含有 Zn、Al 两种元素，为富 Al 相， Zn、Al 原子比为 60. 63∶ 37. 42，以片层共析的形式存 在; 图 3( b) 为共晶中的 α2 相，α2 相中固溶有 Zn 元 素，能谱分析结果为富 Al 相，Zn、Al 原子比 63. 05: 36. 95，也以片层形式存在; 图 3( c) 为共晶组织中的 β 相，含有 Zn、Al 和 Cu 三种元素，主要由 Zn 元素构 成，能谱定量分析结果为富 Zn 相，有少量的 Cu 存在． 表 1 ZnAl10Cu2 合金微区 EDS 成分分析( 质量分数) Table 1 Analysis of the micro-EDS composition of ZnAl10Cu2 alloy % 物相 Zn Al Cu 总量 初生 α1 相 60. 63 37. 42 * 100. 00 共晶中的 α2 相 63. 05 36. 95 * 100. 00 Zn 基体相 95. 58 1. 42 3. 00 100. 00 注: * 表示没有检测出． 为了检测合金元素的分布，通过线扫描和 XRD 进行进一步组织观察和能谱分析，选取尺寸较大的 初生枝晶及共晶进行 EDS 线扫描． 图 4 为高倍放大 的枝晶臂的扫描图像( SEM) 和对应的线扫描结果． 根据线扫描结果可知，初生枝晶 Zn 和 Al 的原子数 保持不变，共晶组织 β 相中 Al 的含量减少，位于波 谷处，Zn 的含量增加，位于波峰处，共晶中的 α2 相 中 Al 的含量再一次增加，Zn 的含量减少，说明合金 元素 Zn、Al 在初生 α1 相和共晶 α2 相中的变化规律 是一致的，且均为富 Al 相，而 β 相为 Zn 基固溶体， 这一结果与 EDS 成分分析相符． 图 5 是 ZnAl10Cu2 合金的 XRD 相分析结果． 发现只含有 α--Al 和 η--Zn 两种相的衍射峰，没有出 现含 Cu 相或金属间化合物的衍射峰，可能是由于 Cu 含量较少，全部固溶在 β 相中． ·1249·

·1250· 北京科技大学学报 第33卷 10.0 9.0 8.0 Znla 72 ZnL 1.40 6.0 5.4 1.05 1 AlKa 4.0 3.6 0.70 1.8 0.35 ZnKa ZnKa 68 10 4 8 10 024 6 81012141618 能量keV 能量keV 能量keV 图3 ZnAllOC2合金SEM组织形貌及微区能谱分析.(a)初生a1相：(b)共品中的a2相：(c)Zn基体相 Fig.3 SEM microstructure and energy spectra of ZnAllOCu2 alloy:(a)primary phase a:(b)a2 phase in the eutectic structure:(c)matrix phase 10000 A 0-Al 。-Zm 8000 蒙4om- 2000 图4ZnAI10Cu2合金SEM组织形貌及线扫描谱 Fig.4 SEM image and line-scanning pattern of ZnAllOCu2 alloy 20 30 4050 607080 根据EDS、线扫描分析及XRD图谱，并结合有 关文献.得出：ZAl10Cu2合金铸态组织（光学金 图5ZnAI10Cu2合金在铸态下的XRD图谱 Fig.5 XRD patter of as-cast ZnAllOCu2 alloy 相)中黑色相为初生1相，为富Al相，是Zn在Al 中形成的固溶体，晶体结构为面心立方，属于强化 Zn-A1二元相图图，见图2.从图2可知，Zn-10Al 相；灰色基体为B-Zn相，为A在Zn中形成的固溶 合金属于亚共晶合金，约在385℃时开始结晶，先形 体，具有密排六方结构.基体中的棒状组织为2 成高熔点富A山的a1枝晶，即L→1+L象，由于初生 相，为富A1相，2和B组成合金的共晶组织，在放 枝晶α1从液相中直接结晶形成，因此其组织较为粗 大倍数较高时发现a1和共晶(2+B)中的α2均为 大.当温度降低时，枝晶，增多，排出大量的Z,剩 片层组织（图3(a)、(b)). 余液相逐渐富Zn,a1也同样逐渐富Z,最后剩余液 2.2显微结构分析 体发生L共→2+Z共晶反应（约382℃），共晶组 结合相图及前人的研究成果对ZnAl1(0Cu2合 织分布在初生α1的外围，如图6(a)所示.从图6 金显微结构的形成机制进行了研究-.由于Z一 (a)中还可以看出，共晶中的a2相以棒状分布于Zn A合金的相变非常复杂，一般使用无包晶反应的 基体，这是由于Zn-Al二元相图中Zn-10Al成分点

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 3 ZnAl10Cu2 合金 SEM 组织形貌及微区能谱分析． ( a) 初生 α1 相; ( b) 共晶中的 α2 相; ( c) Zn 基体相 Fig． 3 SEM microstructure and energy spectra of ZnAl10Cu2 alloy: ( a) primary phase α1 ; ( b) α2 phase in the eutectic structure; ( c) matrix phase Zn 图 4 ZnAl10Cu2 合金 SEM 组织形貌及线扫描谱 Fig． 4 SEM image and line-scanning pattern of ZnAl10Cu2 alloy 根据 EDS、线扫描分析及 XRD 图谱，并结合有 关文献［1，8］得出: ZnAl10Cu2 合金铸态组织( 光学金 相) 中黑色相为初生 α1 相，为富 Al 相，是 Zn 在 Al 中形成的固溶体，晶体结构为面心立方，属于强化 相; 灰色基体为 β--Zn 相，为 Al 在 Zn 中形成的固溶 体，具有密排六方结构． 基体中的棒状组织为 α2 相，为富 Al 相，α2 和 β 组成合金的共晶组织，在放 大倍数较高时发现 α1 和共晶( α2 + β) 中的 α2 均为 片层组织( 图 3( a) 、( b) ) ． 2. 2 显微结构分析 结合相图及前人的研究成果对 ZnAl10Cu2 合 金显微结构的形成机制进行了研究［9--12］． 由于 Zn-- Al 合金的相变非常复杂，一般使用无包晶反应的 图 5 ZnAl10Cu2 合金在铸态下的 XRD 图谱 Fig． 5 XRD pattern of as-cast ZnAl10Cu2 alloy Zn--Al 二元相图［8］，见图 2． 从图 2 可知，Zn--10Al 合金属于亚共晶合金，约在 385 ℃时开始结晶，先形 成高熔点富 Al 的 α1 枝晶，即 L→α1 + L余，由于初生 枝晶 α1 从液相中直接结晶形成，因此其组织较为粗 大． 当温度降低时，枝晶 α1 增多，排出大量的 Zn，剩 余液相逐渐富 Zn，α1 也同样逐渐富 Zn，最后剩余液 体发生 L共→α2 + Zn 共晶反应( 约 382 ℃ ) ，共晶组 织分布在初生 α1 的外围，如图 6 ( a) 所示． 从图 6 ( a) 中还可以看出，共晶中的 α2 相以棒状分布于 Zn 基体，这是由于 Zn--Al 二元相图中 Zn--10Al 成分点 ·1250·

第10期 邬小萍等：ZnAI10C2合金铸态显微结构及相结构分析 ·1251· 的共晶组织中两相的体积分数相差较大.根据文献 状分布于Z基体.因此，在凝固刚完成时， 3],此时剩余液体将形成棒状共晶，而且合金的 ZnA10Cu2合金的组织由粗大初生a1枝晶和棒状 共晶熔池越大，越易形成棒状共晶，即α，相以棒 共晶(a2+Zn)组成 (a) 50 un 10m 5 um 0u010 图6铸态ZnA10C2合金SEM显微组织.(a)初生a1相+共品(a+n):(b)~(c)初生a1相：()共品中的a2相 Fig.6 SEM microstructures of as-cast ZnAll0Cu2 alloy:(a)primary phase and eutectic structure ((b)-(e)primary phase:(f) phase in the eutectic structure 由图6(b)并结合二元相图得知，在凝固后的冷 重新形核两种方式建立稳定的层间距，如图6(d)箭 却过程中，当温度下降到共析转变温度时，由于初生 头所示.一般认为重新形核比分支长大的机会要小 α1相是非平衡凝固，先结晶处（中心）Z的含量较 得多，规则层间距只有在建立起稳态长大后才能观 低，后结晶处（边缘）Zn含量较高.因此，1相的边 察到.另外，片层组织在向枝晶内部生长的过程中， 缘最先达到发生共析反应所需的Z含量，进而最先 会在其前沿未转变的α，相中产生内应力，为α和η 发生共析转变，分解为（α+η）共析组织，并且不断 相的形核提供了非匀质形核核心，使规则片层组织 以横向长大和纵向长大的方式向中心延伸，同时在 的生长受到抑制，从而形成不规则的共析组织.从 初生枝晶其他部位也可能产生新的共析组织晶核， 图6(b)可以看出边缘层片间距较中心大，为粗大的 各种不同取向的共析组织不断长大，直到各个共析 断续层片组织，这可能是由于最初分解生成的细小 组织相遇，形成鲜明的界线，如图6(c)箭头所示. 层片组织在室温时效中发生粗化，致使层片断裂、球 从ZnAl10Cu2合金的凝固过程发现，共析组织向内 化所形成的 部生长的过程中，其片层间距将发生变化.在片层 从图6(e)可以看到初生a1相中有粒状共析体 长大期间，通过现存片层的分支以及在发展界面上 的出现，研究发现此处的粒状共析体不可能是由片

第 10 期 邬小萍等: ZnAl10Cu2 合金铸态显微结构及相结构分析 的共晶组织中两相的体积分数相差较大． 根据文献 ［13］，此时剩余液体将形成棒状共晶，而且合金的 共晶熔池越大，越易形成棒状共晶［13］，即 α2 相以棒 状 分 布 于 Zn 基 体． 因 此，在凝固刚完成时， ZnAl10Cu2 合金的组织由粗大初生 α1 枝晶和棒状 共晶( α2 + Zn) 组成． 图 6 铸态 ZnAl10Cu2 合金 SEM 显微组织． ( a) 初生 α1 相 + 共晶( α + η) ; ( b) ～ ( e) 初生 α1 相; ( f) 共晶中的 α2 相 Fig． 6 SEM microstructures of as-cast ZnAl10Cu2 alloy: ( a) primary phase α1 and eutectic structure ( α + η) ; ( b) － ( e) primary α1 phase; ( f) α2 phase in the eutectic structure 由图 6( b) 并结合二元相图得知，在凝固后的冷 却过程中，当温度下降到共析转变温度时，由于初生 α1 相是非平衡凝固，先结晶处( 中心) Zn 的含量较 低，后结晶处( 边缘) Zn 含量较高． 因此，α1 相的边 缘最先达到发生共析反应所需的 Zn 含量，进而最先 发生共析转变，分解为( α + η) 共析组织，并且不断 以横向长大和纵向长大的方式向中心延伸，同时在 初生枝晶其他部位也可能产生新的共析组织晶核， 各种不同取向的共析组织不断长大，直到各个共析 组织相遇，形成鲜明的界线，如图 6 ( c) 箭头所示． 从 ZnAl10Cu2 合金的凝固过程发现，共析组织向内 部生长的过程中，其片层间距将发生变化． 在片层 长大期间，通过现存片层的分支以及在发展界面上 重新形核两种方式建立稳定的层间距，如图 6( d) 箭 头所示． 一般认为重新形核比分支长大的机会要小 得多，规则层间距只有在建立起稳态长大后才能观 察到． 另外，片层组织在向枝晶内部生长的过程中， 会在其前沿未转变的 α1 相中产生内应力，为 α 和 η 相的形核提供了非匀质形核核心，使规则片层组织 的生长受到抑制，从而形成不规则的共析组织． 从 图 6( b) 可以看出边缘层片间距较中心大，为粗大的 断续层片组织，这可能是由于最初分解生成的细小 层片组织在室温时效中发生粗化，致使层片断裂、球 化所形成的． 从图 6( e) 可以看到初生 α1 相中有粒状共析体 的出现，研究发现此处的粒状共析体不可能是由片 ·1251·

·1252· 北京科技大学学报 第33卷 状共析体转化而来，因为片状共析体转化为粒状共 (孙连超，田荣璋.锌及锌合金物理治金学.长沙：中南大学出 析体的前提条件是将片状共析体加热到略高于A, 版社，1994) ] 点，因为只有将片状共析体加热到略高于A,点的温 Wang J X,Yan J W,Xiong H S,et al.Microstructure and prop- erties of Z1201 alloy thin-walled cylindric parts in extrusion cast- 度时，才会得到初生α1相加未完全溶解片层的混合 ing.Spec Cast Nonferrous Alloys,2002(2):31 组织.此时，片层已不保持完整的片状，而是凹凸不 (王家宣，虽建武，熊洪淼，等.Z201合金挤压铸造薄壁简形 平、厚薄不均，部分已断开.在此温度保温将使片状 件的组织与性能.特种铸造及有色合金，2002(2)：31) 共析体球化，进而形成粒状的共析体，而在没有 B] Han B,Li C,Hu X L Investigation on the superplastic deform- 进行任何加热处理（铸态）的情况下，粒状共析体的 ation of Zn2.5Al alloy.Hot Work Technol,2000(5)13 (韩彬，李世春，胡秀莲.Zn-2.5Al合金超塑性变形的研究 形成不可能是片层共析体球化得到的.因此，笔者 热加工工艺，2000(5)：13) 认为粒状共析体可能是由自然时效时不连续沉淀产 Shi Z Q,Ye Y F,Li S C,et al.Surface effect and superplasticity 生的，因为在凝固中，冷却速度快，到达共析温度点 of Zn-5Al eutectic alloy.Mater Mech Eng,2003,27(1):18 时，初生相不能充分转化为共析组织，还有一部分初 (石志强，叶以富，李世春，等.Z5Al共品合金的表面效应对 生相由于冷却速度大而来不及转变保留下来.合金 超塑变形的影响.机械工程材料，2003,27(1)：18) [] 室温组织中的这一部分初生相仍与高温相同，只是 Al-Maharbi M,Karaman I,Purcek G.Flow response of a severe plastically deformed two-phase zinc-aluminum alloy.Mater Sci Eng 初生α，固溶体成为过饱和.这部分初生相在室温 A,2010,527:518 下是不稳定的，在室温保持时可能分解.根据文献 [6 Ha T K,Son J R,Lee W B.Superplastic deformation of a fine- 0],在较低的温度下，不连续沉淀反应可得到与胞 grained Zn-0.3wt%Al alloy at room temperature.Mater Sci Eng 状反应截然不同的粒状沉淀组织：此外，这种粒状组 4,2001,307:98 织形貌往往与其他类型反应的组织一起出现，如图 ] Malek P.The deformation structure of the superplastic Zn-Al al- loy.Mater Sci Eng A,1999,268:132 6(e)所示. [8]Yu J Q,Yi W Z,Chen B D,et al.Binary Alloy Phase Atlas SEM高倍观察及分析得知，共晶组织中的α2 Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,1983 相也以片层状存在.初步推断为α2相在凝固后的 (虞觉奇，易文质，陈邦迪，等.二元合金状态图集.上海：上 冷却过程中也发生了共析转变，而且共析组织中η 海科学技术出版社，1983) 相往往无需重新形核，优先依附于共晶B相直接长 9] Chen TJ,Hao Y,Sun J,et al.Microstructure of casting ZA27 al- loy.Chin Nonferrous Met,2002,12(2):294 大.η相的形成，又促使其相邻区域相的形核和 (陈体军，郝远，孙军，等.Z27合金的微观组织.中国有色金 长大.一旦开始进行共析转变，将向其内部生长，同 属学报，2002,12(2)：294) 样α2相冷却速度较快的情况下来不及充分转变，而 [10]Xu X L,Ji S J,Yu Z W,et al.Cellalar decomposition of 在后来的自然时效过程中将全部以不连续沉淀分解 ZnAl40 alloy.Mater Mech Eng,2001,25 (2):21 形成粒状沉淀组织，如图6()所示 (许晓磊，季世军，于志伟，等.ZA40合金过饱和固溶体胞 状分解.机械工程材料，2001,25(2)：21) 3结论 1] Xu X L,Yu Z W,Shi Y Q,et al.Tailing observation on struc- tural changes of ZnAl40 alloy quenched during aging.Chin (1)铸态ZnAl10Cu2合金的凝固组织由初生枝 Electron Microse Soc,2002,21(4):442 晶α1及其外围的棒状共晶(2+B)组成，在凝固后 (许晓磊，于志伟，史雅琴，等.ZA40合金时效过程中组织 的冷却过程中初生，和共晶组织中的Q2相均发生 结构变化的跟踪观察.电子显微学报，2002,21(4)：442) [12] 共析反应，得到层片状共析组织（α+η）；而在室温 Si F M,Lou H,Yan B,et al.Study on cellular decomposition of Zn-Al based alloy prepared by rapid solidification.Mater Rer, 时效时未完全转变的α1相和α2相发生不连续沉 2007,21(8):154 淀，形成粒状沉淀组织 (司富明，娄海，严彪，等.快速凝固Z一A1合金胞状分解研 (2)初生1相，为富Al相，是Zm在Al中形成 究.材料导报，2007,21(8)：154) 的固溶体，晶体结构为面心立方，属于强化相：β为 [13]Li Q C.The Theoretical Basis of Castings Formation.Beijing: 富Z相，为密排六方结构 Machinery Industry Press,1982 (李庆春，等。铸件形成理论基础.北京：机械工业出版社，1982) [14]Xu Z,Zhao L C.Principles of Solid-State Phase Transformation 参考文献 of Metal.Beijing:Science Press,2004 [1]Sun L C,Tian R Z.Physical Metallurgy of Zinc and Zine Alloy (徐洲，赵连城.金属固态相变原理.北京：科学出版社， Changsha:Central South University Press,1994 2004)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 状共析体转化而来，因为片状共析体转化为粒状共 析体的前提条件是将片状共析体加热到略高于 A1 点，因为只有将片状共析体加热到略高于 A1 点的温 度时，才会得到初生 α1 相加未完全溶解片层的混合 组织． 此时，片层已不保持完整的片状，而是凹凸不 平、厚薄不均，部分已断开． 在此温度保温将使片状 共析体球化，进而形成粒状的共析体［14］，而在没有 进行任何加热处理( 铸态) 的情况下，粒状共析体的 形成不可能是片层共析体球化得到的． 因此，笔者 认为粒状共析体可能是由自然时效时不连续沉淀产 生的，因为在凝固中，冷却速度快，到达共析温度点 时，初生相不能充分转化为共析组织，还有一部分初 生相由于冷却速度大而来不及转变保留下来． 合金 室温组织中的这一部分初生相仍与高温相同，只是 初生 α1 固溶体成为过饱和． 这部分初生相在室温 下是不稳定的，在室温保持时可能分解． 根据文献 ［1］，在较低的温度下，不连续沉淀反应可得到与胞 状反应截然不同的粒状沉淀组织; 此外，这种粒状组 织形貌往往与其他类型反应的组织一起出现，如图 6( e) 所示． SEM 高倍观察及分析得知，共晶组织中的 α2 相也以片层状存在． 初步推断为 α2 相在凝固后的 冷却过程中也发生了共析转变，而且共析组织中 η 相往往无需重新形核，优先依附于共晶 β 相直接长 大． η 相的形成，又促使其相邻区域 α 相的形核和 长大． 一旦开始进行共析转变，将向其内部生长，同 样 α2 相冷却速度较快的情况下来不及充分转变，而 在后来的自然时效过程中将全部以不连续沉淀分解 形成粒状沉淀组织，如图 6( f) 所示． 3 结论 ( 1) 铸态 ZnAl10Cu2 合金的凝固组织由初生枝 晶 α1 及其外围的棒状共晶( α2 + β) 组成，在凝固后 的冷却过程中初生 α1 和共晶组织中的 α2 相均发生 共析反应，得到层片状共析组织( α + η) ; 而在室温 时效时未完全转变的 α1 相和 α2 相发生不连续沉 淀，形成粒状沉淀组织． ( 2) 初生 α1 相，为富 Al 相，是 Zn 在 Al 中形成 的固溶体，晶体结构为面心立方，属于强化相; β 为 富 Zn 相，为密排六方结构． 参 考 文 献 ［1］ Sun L C，Tian R Z． Physical Metallurgy of Zinc and Zinc Alloy． Changsha: Central South University Press，1994 ( 孙连超，田荣璋． 锌及锌合金物理冶金学． 长沙: 中南大学出 版社，1994) ［2］ Wang J X，Yan J W，Xiong H S，et al． Microstructure and prop￾erties of ZL201 alloy thin-walled cylindric parts in extrusion cast￾ing． Spec Cast Nonferrous Alloys，2002( 2) : 31 ( 王家宣，晏建武，熊洪淼，等． ZL201 合金挤压铸造薄壁筒形 件的组织与性能． 特种铸造及有色合金，2002( 2) : 31) ［3］ Han B，Li S C，Hu X L． Investigation on the superplastic deform￾ation of Zn-2． 5Al alloy． Hot Work Technol，2000( 5) : 13 ( 韩彬，李世春，胡秀莲． Zn--2． 5Al 合金超塑性变形的研究． 热加工工艺，2000( 5) : 13) ［4］ Shi Z Q，Ye Y F，Li S C，et al． Surface effect and superplasticity of Zn-5Al eutectic alloy． Mater Mech Eng，2003，27( 1) : 18 ( 石志强，叶以富，李世春，等． Zn--5Al 共晶合金的表面效应对 超塑变形的影响． 机械工程材料，2003，27( 1) : 18) ［5］ Al-Maharbi M，Karaman I，Purcek G． Flow response of a severe plastically deformed two-phase zinc-aluminum alloy． Mater Sci Eng A，2010，527: 518 ［6］ Ha T K，Son J R，Lee W B． Superplastic deformation of a fine￾grained Zn-0． 3wt% Al alloy at room temperature． Mater Sci Eng A，2001，307: 98 ［7］ Mlek P． The deformation structure of the superplastic Zn-Al al￾loy． Mater Sci Eng A，1999，268: 132 ［8］ Yu J Q，Yi W Z，Chen B D，et al． Binary Alloy Phase Atlas． Shanghai: Shanghai Science and Technology Press，1983 ( 虞觉奇，易文质，陈邦迪，等． 二元合金状态图集． 上海: 上 海科学技术出版社，1983) ［9］ Chen T J，Hao Y，Sun J，et al． Microstructure of casting ZA27 al￾loy． Chin J Nonferrous Met，2002，12( 2) : 294 ( 陈体军，郝远，孙军，等． ZA27 合金的微观组织． 中国有色金 属学报，2002，12( 2) : 294) ［10］ Xu X L，Ji S J，Yu Z W，et al． Cellalar decomposition of ZnAl40 alloy． Mater Mech Eng，2001，25( 2) : 21 ( 许晓磊，季世军，于志伟，等． ZnAl40 合金过饱和固溶体胞 状分解． 机械工程材料，2001，25( 2) : 21) ［11］ Xu X L，Yu Z W，Shi Y Q，et al． Tailing observation on struc￾tural changes of ZnAl40 alloy quenched during aging． J Chin Electron Microsc Soc，2002，21( 4) : 442 ( 许晓磊，于志伟，史雅琴，等． ZnAl40 合金时效过程中组织 结构变化的跟踪观察． 电子显微学报，2002，21( 4) : 442) ［12］ Si F M，Lou H，Yan B，et al． Study on cellular decomposition of Zn-Al based alloy prepared by rapid solidification． Mater Rev， 2007，21( 8) : 154 ( 司富明，娄海，严彪，等． 快速凝固 Zn--Al 合金胞状分解研 究． 材料导报，2007，21( 8) : 154) ［13］ Li Q C． The Theoretical Basis of Castings Formation． Beijing: Machinery Industry Press，1982 ( 李庆春，等． 铸件形成理论基础． 北京: 机械工业出版社，1982) ［14］ Xu Z，Zhao L C． Principles of Solid-State Phase Transformation of Metal． Beijing: Science Press，2004 ( 徐洲，赵 连 城． 金属固态相变原理． 北 京: 科 学 出 版 社， 2004) ·1252·