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溶质元素在镁合金中的m(k-1)值（文献）

C细化Mg-Al系合金的机理是：反应生成的Al₄C₃作为镁的形核核心，使晶粒细化。而Al₄C₃属于高熔点、高稳定性化合物，与镁的晶格匹配度良好。因此一些高熔点、高稳定性的含碳化合物（如SiC、TiC）在细化Mg-Al系合金方面得到了长足的发展。

Zr是镁合金中最有效的晶粒细化剂, 在镁合金中添加锆不仅可以细化晶粒, 而且可以减小热裂倾向, 提高合金的强度、塑性和抗蠕变性。在包晶温度下，Zr在镁中的固溶度为0.6%，在凝固时首先析出α-Zr质点，Mg在α-Zr质点外部形成包晶组织，Mg与Zr两者的晶格常数相近，符合"尺寸结构相匹配"原则，Zr可以作为异质形核核心使镁晶粒显著细化（高含量），也可能是晶核生长抑制作用所致（低含量）。Zr与氧有较强的亲和力，形成的氧化锆质点作为变质剂细化了镁合金。细化晶粒激活了镁合金中的非基面滑移系可以促使晶界滑移，所以大幅度提高镁合金的塑性变形能力。

稀土元素（RE）具有独特的核外电子排布，在冶金、材料领域中具有独特的作用：可净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及力学性能、增强合金耐蚀性能等。大部分RE和镁的原子半径都很接近，根据Hume-Rothery固溶度准则及Darken-Gurry理论，大部分RE在镁中固溶度很小，而钪、钇、钕、铒等在镁中具有较大的极限固溶度。

Ce 属于轻稀土元素，在镁中的固溶度只有0.75%(wt%)，作为最常用的晶粒细化剂，不仅能明显提高镁合金的强度及高温稳定性能还能细化镁合金。晶粒Ce在Mg中的固溶度很小，凝固时Ce 原子几乎不溶于α-Mg基体，除形成Al₄Ce 化合物外，部分Ce易富集于固/液界面前沿，在结晶截面前沿造成成分过冷，促进基体晶粒的均质形核，从而细化晶粒。此外，凝固过程中枝晶间析出的高熔点化合物Al4Ce， 很难作为α-Mg在凝固过程中的异质形核核心， 但它能吸附在α-Mg 晶粒周围阻碍它长大，起细晶强化作用。大量的Ce的添加引起镁合金晶粒粗化的原因可能在于：Ce在镁中的固溶度只有0.75%，当镁合金中Ce的加入量达到0.8%～0.93%时， 在凝固过程中过剩的Ce 与Al 形成大量Al4Ce 化合物，放出大量的结晶潜热，降低了液态金属的过冷度，从而使晶粒细化效果降低，合金开始粗化。

Nd在镁中的固溶度为3.6%，大于Ce的固溶度0.75%，属于轻稀土元素。Nd加入到镁合金中能细化合金晶粒，强化合金的基体，且能使合金的耐热强度提高，铸件组织致密。Nd将富集在结晶前沿的液相中，且降低了固/ 液界面前沿成分的熔点，促进成分过冷的形成，使α-Mg 树枝晶臂细化，二次晶臂间距变小；而且Nd与其他金属形成化合物将会对α-Mg 晶体的生长造成阻碍，并有助于α-Mg枝晶的分枝细化。另外晶粒变细的原因还有可能是镁合金中加入Nd后金属液粘度增加，对流减弱，原子扩散变得困难，因而易于达到较大的过冷度，使晶体的形核过程加快。Nd在Mg中的分配系数小于1，且固溶度随温度降低而降低，因此，Nd元素基本上不固溶于α-Mg 基体中。当镁合金中Nd 的加入量达到0.9%～1.1%时，晶粒细化效果开始降低。

Y属于重稀土，它与Mg 一样，同样具有密排六方晶体结构，原子半径相近，其在Mg 中的固溶度为12.5%。Y 对镁合金的作用在于其能够降低熔体固液界面张力，使形核功下降，临界形核半径减小，形核容易；还可以成为α-Mg 的异质结晶核心，且在凝固过程中能形成高熔点含稀土Y合金相作为非自发结晶的核心，阻碍晶粒的长大；RE合金相的再分配与偏析导致枝晶生长的固/ 液界面前沿成分过冷区增大，从而加快形核速率，使得枝晶间距减小，晶粒细化。Y 在镁合金中的固溶度为12.5%， 比Ce和Nd都要大，当镁合金中Y的加入量达到1.2%～1.6%时，合金凝固时会在晶界出形成大量的第二相，放出大量结晶潜热，减弱了凝固过程的成分过冷程度，使晶粒细化作用减弱。

Er 是一种密排六方结构的重稀土元素，在纯Mg 中的最大固溶度为32.6%，并且随着温度的降低而降低。Er原子半径为0.1757nm，比Mg 原子半径大8.82%，对镁合金可能产生强烈的固溶强化作用；Er 的电负性较低(1.24)，易与镁合金中的电负性较高的Al、Zn 等合金元素形成稳定化合物，强化镁合金基体。Er 在镁中的固溶度高达32.6%，Er加入到镁合金中后，首先固溶到镁基体中，当加入量超过1.2%～2.0%时，凝固过程中过剩的Er形成大量合金化合物，放出大量结晶潜热，降低了液态金属的过冷度，从而使晶粒细化效果降低。

Sc属于稀散元素，其在镁中的固溶度可达25.9%，Sc作为镁合金的强化元素具有较高的熔点，达到1541℃，但其在镁合金中的扩散能力相对于其他Re较差。Sc的密度为3g/cm³，比其他Re 的密度小，更能体现镁合金低密度的特点。Sc的晶格结构和点阵常数决定了它们很难起到异质形核核心的作用，其对镁合金组织的影响尚不清楚，它对镁合金组织的细化作用可能是溶质偏析导致枝晶生长的固/ 液界面前沿产生成分过冷区，从而阻碍枝晶的生长并并增大形核驱动力。

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              Sr元素对镁合金晶粒尺寸的影响                  Sr元素对镁合金晶粒尺寸的影响（Al含量增加）

               Si元素对镁合金晶粒尺寸的影响                     Zr元素对镁合金晶粒尺寸的影响