（材料加工工程专业论文）mgal合金热裂行为研究.pdf

海交通人学博j 学位论文 m g a i 合金的热裂行为研究 摘要 ( 热裂是合金铸造生产中最严重的缺陷之一。m g a l 系镁合金是工业应用最为广泛 的镁合金，其合会铸件在向着薄壁、复杂化方向发展。随之而来的是热裂问题的同益 突出。热裂造成了大量铸件的报废，并严重限制了所设计铸件的尺寸和复杂程度。然 而，目前对m g a 1 系合金在铸造条件下的凝固特性、热裂形成机理以及合金的热裂 倾向性缺少系统的研究，限制了镁合余的发展和应用。另外，目前在铸造凝固过程的 数值模拟中，数学模型主要是以平衡相图为基础，不考虑过冷问题，显然这与真实铸 造凝固情况不符，难以满足对镁合金的凝固行为进行数值模拟的要求。寸一 本文用自行研制的测试系统，测试研究了m g 9 a i z n 合金热裂形成过程中的凝 固行为特征；系统研究了不同加入含量的z n 和r e 对合金热裂倾向性、凝固温度和 显微组织的影响；建立了m g a 1 合金非平衡凝固的微观凝固模型，研究了铸造凝固 条件下m g 9 a i z n 系列合会的凝固行为和热裂形成机理；并对m g 一9 a 1 z n r e 四元合 金在铸态、t 4 和t 6 态的力学性能和微观组织进行了研究。( 研究的目的是为m g a 1 系合金的进一步丌发和研究提供理论和实践依据，为合金在非平衡条件下凝固行为的 计算机数值模拟提供理论基础。 在大量实验探索的基础上，自行开发设计了适用于镁合金的热裂行为微机测试系 统。本系统克服了镁合金在浇注砂型试样时易燃易爆的特点，同时并高精度、高灵敏 度地记录合金凝固过程中的温度、应力和收缩信号，为深入研究镁合金的凝固行为和 热裂形成机理提供了重要的实验手段。 a z 9 1 合金最可能产生热裂的温度在实际凝固结束温度( 本实验条件下为4 2 4 2 ) 附近。合金凝固后期，由于共晶反应导致出现一个“冲击收缩”和相应的“冲击 应力”，而“冲击应力”的出现是a z 9 1 合盒热裂产生的直接诱发因素。 在砂型铸造条件下m g - 9 a 1 一z n r e 系列合金的凝固开始温度略低于平衡液相线温 度，凝固结束温度在m g a 1 合金的共晶温度附近( 略低) 。z n 和r e 的加入量对合金 的凝固丌始温度没有明显影响，但z n 显著降低了合会的共晶温度，r e 的加入使合 盒在凝固初期由于a 1 l i r e 3 相的析出而减慢了冷却速度，但对凝固共晶温度没有影响。 z n 的加入可明冠增大m g 9 a 1 合金的热裂倾阿陛；r e 对m g 一9 a i 的热裂倾向性 影响较小。但当m g 9 a i z n 合金中z n 的加入量超过o 8 w t 时，r e 的加入可以显著 降低合会的热裂倾向性。 ：海交通人学博l ：窜位论立 奁繇考察瓣合龛酝糕戏分范困内( 弘l 。2 w t z n ，0 - - ! 。6 w t r e ) ，z n 的期入不会 改变m g - 9 a 1 舍会铸念组织熬期组贼( a 喇舀一m g ；：a l ”) ，但哿以增加晶爨处捆的 量及其连续牲。芽且飘容易在b 姻内赛集。r e 在m g 一9 a i 和m g 9 a i - z n 食金巾主要 以a i ，r e ；姻形式存在。a i ；，r 段相璺棒状，主要分稚在晶粮内部，z n 在a 1 i 。r 融相中 也有较高的固溶量。一 7 本文在热力学基础上建立了：元台金非平衡凝固的微观模型，解决了合会凝固 区间内形核的连续性和晶粒生长的收敛问题。并给出了一个简单的、可实用化的数值 计算方法，为铸造凝固过程的计算机模拟提供了熨精确的数学模登。戳m g - 9 a i 合会 为例，得融了= 元台命铸造凝固过程的温度、阉福分数、体积变化辅成分偏祈随辩阍 交纯的曲线。裰据铸造条件下合会静凝固特点，提崮将二元合会的铸造凝潮过程划分 为晶糙生长区、棱晶搭桥送帮共品区鑫冬穰念，并详细溱述了不同区闲戆特链t 鼯粒生 长区，晶粒在一定豹过冷发下形按长大，凝爨速度较扶；技晶搓揆区，毒较大麓国捆 分数，枝器( 蠛晶粒) 搭残嚣架，凝固速发减慢，在晶界处形成富会游质元素的小熔 波或泼膜( 溶厦分配系数k 1 ) ；兴晶区，到达共照成分的液姻发生共晶反应，凝固 速度很快，产生大的凝固收缩。通过定量计算得出m g - 9 a i - z n 合金在共鼯区共晶反 应相的收缩速率是合众在凝固区间平均收缩速率的l o 倍左右，即在共晶区内产生一 个“冲击收缩”以及相应的“冲击应力”，此“冲击应力”是导致合愈热裂产生的童 接诱发因索。热裂产生于挟晶区，并在枝晶搭桥区得到扩展。数值模拟结采与实验测 试情况取得了较好的致性。 通过本模型还对含金中的弄成品核和冷帮速度对凝嘲遥程的影晌进行了讨论。 ( 谈为，弄质醋核等合金静滴灞角对凝盈过程豹过冷魔有菇著豹影稿，甭异震晶核的 燕( 表瑟积) 对会念凝嗣遘耧的澎确缀夺。奄冷速低子l o k j s 熬糖况下，逶过提亵 冷去器速度改善合禽熬铸造性貔效渠是有限戆。 对予王烂锩造镁会衾瑟言，不假要鸯良好的可成型性能，煎且保证其良好黝力 学性能t 媳是必霉的。了，本文对m g - 9 a i - z n - r e 系列含愈的铸念、t 4 和t 6 态常温力学 性能和微观组织进彳亍了研究。 ( r e 对铸念m g 一9 h l 合金的强度影响很小，0 4 w t r e 的加入对t 4 态的强度，尤其 是抗拉强度的提高照著。但随着r e 加入量的进一步增加，强度的提高并不明驻。 少量r e ( o 4 w t ) 的加入促进了t 6 态m g 一9 a 1 合金的沉淀析出( 主疆是1 3 相的非连 续析出) ，从而盟著提高了合会的抗拉强度和屈服强度。但融于r e 在m g 啪1 合余中 的圃溶度很低，增加r e 量键使a 1 r e ：，稠的增多，减少了基体中的a l 含量，反丽削 弱了a l 的祈出强亿效聚，觚而降低了态合会的强度。z nt 日淤琵商m g - 9 h l 龠会 的的铸态抗拉强度，尤其是对t 4 和稻念静抗挝强浚稻耩缀强艘静绳赢雯菇礴臻。 z n 键遴了稻态m g - 9 h l 合盒静流淀橱出，少爱z n 可戳显著促进会余瓣嚣连续极出， l f 海交通人学j 尊i j 学位论文 随z n 量的增大，合会趋于连续析出。r e 和z n 元素混合加入m g 一9 a 1 合金并不能起 到理想的混合强化效果。孓 1 关键词：m g - a 1 合金7z n ，热裂，凝固，数学模型，力学性能、 i i i _ j ：海交通人学博i ：学位论义 s t u d yo nh o tt e a r i n gb e h a v i o ro fm g - a la l l o y s h o tt e a r i n gi so n eo ft h em o s ts e r i o u sd e f e c t si nc a s t i n gp r o d u c t i o no fa l l o y s m g - a 1 b a s e da l l o y sa r et h em o s tw i d e l yu s e dc o m m e r c i a lm a g n e s i u ma l l o y s ，o fw h i c hc a s t i n g p r o d u c t sa r ed e v e l o p e dt ob ec o m p l e xa n d t h i ni ns t r u c t u r e a n dh o tt e a r i n gi sb e c o m i n ga m o r es e r i o u sp r o b l e mt h a ne v e rb e f o r e h o tt e a r i n gl e a d st oaq u a n t i t yo fc a s t i n gr e j e e t e d a n dl i m i t st h es i z ea n ds h a p eo ft h ea l l o y h o w e v e r , t h e r ei sl a c ko fg e n e r a la n ds y s t e m i c i n v e s t i g a t i o nf o rt h es o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i e s h o tt e a r i n gm e c h a n i s ma n dt h eh o t t e a r i n gs u s c e p t i b i l i t yo fm g - a 1b a s e da l l o y s ，w h i c hh i n d e r st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f m a g n e s i u ma l l o y s i na d d i t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l su s e dc u r r e n t l yi nt h es i m u l a t i o no f c a s t i n gs o l i d i f i c a t i o na r em a i n l yb a s e do ne q u i l i b r i u md i a g r a m ，a n dt h ef a c to fu n d e r c o o l i n gi si g n o r e d i ti so b v i o u s l yn o tc o r r e s p o n d e n c et ot h es o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n so f t h e p r a c t i c a lc a s t i n gp r o d u c t i o n n l es o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o rd u r i n gt h eh o tt e a r i n gf o r m a t i o no f m g - 9 a i z na l l o y sw a s t e s t e da n da n a l y z e dw i t ht h es y s t e md e v e l o p e db ya u t h o r t h ee f f e c t so fz na n dr ew i t h d i f f e r e n ta d d i t i o n so nt h eh o tt e a r i n gs u s c e p t i b i l i t y , s o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ea n d m i c r o s t r u c t u r ew e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y m i c r o m o d e lf o rs o l i d i f i c a t i o no fm g - a 1a l l o y w a sb u i l tu n d e rt h en o n e q u i l i b r i u ms o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s ，w i t hw h i c hs o l i d i f i c a t i o n b e h a v i o ra n dh o tt e a r i n gm e c h a n i s mo fm g - 9 a i z na l l o y sw a ss t u d i e du n d e rc o m m e r c i a l c a s t i n gs o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s m e e h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ei na se a s t ，t 4 a n dt 6o fm g - 9 a 1 z n r ea l l o y sw e r ea l s os t u d i e d s u b j e c to ft h i sr e s e a r c hi st op r o v i d e t h es u p p o r tb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h e m g a 1b a s e da l l o y s ，a n da l s ot h eb a s i so fm a t h e m a t i c a ls o l i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o nu n d e r n o n - e q u i l i b r i u ms o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s b a s e do nt h eq u a n t i t i e so fe x p e r i m e n t a la t t e m p t s ，ac o m p u t e rt e s t i n gs y s t e mw a s d e v e l o p e d ，w h i c hw a ss u i t a b l et ot h ei n v e s t i g a t i o no ft h eh o tt e a r i n gb e h a v i o ro f m a g n e s i u ma l l o y s m a g n e s i u ma l l o y sa r ew i t hh i 出s u s c e p t i b i l i t yt oc o m b u s ta n de x p l o d e w h i l ep o u r i n gi n t ot h es a u dm o l d w h i c hw a sw e l ls o l v e di nt h i ss y s t e n i t h ei n f o r m a t i o n o ft e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n ds h r i n k a g ec a nb er e c o r d e ds i m u l t a n e o u s l yw i t hh i g hp r e c i s i t n 海交通人学博l ：学位论文 a n da c c u r a c yd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o no ft h ea l l o y s w h i c hp r o v i d e da n i m p o r t a n t e x p e r i m e n t a lm e t h o df o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fs o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o ra n dh o tt e a r i n g m e c h a n i s m t h et e m p e r a t u r e a tw h i c hh o tt e a r i n go c c u r r e dm o s tp r o b a b l yi na z 9 ja l l o yi st h e p r a c t i c a le n d s o l i d i 聊n gt e m p e r a t u r e ，w h i c hw a sa b o u t4 2 4 2 i nt h ec u r r e n t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s s h o e ks h r i n k a g ea n dar e l e v a n ts h o c ks t r e s so c c u r r e d ，w h i c hw a s c a u s e db ye u t e c t i ct r a n s f o r m a t i o na tt h ee n do fs o l i d i f i c a t i o n t h ea p p e a r a n c eo fs h o c k s t r e s sw a st h ei n d u c e m e n tf o rh o tt e a r i n go f a z 9 la l l o y u n d e rt h es o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o no fs a n dm o l dc a s t i n g ，t h es t a r t - s o l i d i 柳n g t e m p e r a t u r eo f m g - 9 a 1 一z n r es y s t c r na l l o y sw a ss o m el o w e rt h a nt h el i q u i d u so f m g - 9 a i a l l o y t h e i re n d - s o l i d i f y i n gt e m p e r a t u r e sw e r en e a rf s o m el o w e r ) t h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r e s o fm g - a la l l o y t h ea d d i t i o n so fz na n dr eh a dl i t t l ee f f e c to nt h es t a r t s o l i d i 助n g t e m p e r a t u r e s z na d d i t i o n sc a nd e c r e a s et h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r eo fa l l o y se v i d e n t l y ；r e a d d i t i o n sl o w e dt h ec o o l i n gr a t ea tt h ei n i t i a l s t a g eo fs o l i d i f i c a t i o nc a u s e db yt h e p r e c i p i t a t i o no f a l l i r e 3p h a s e , b u th a dn oe f f e c to nt h ee n d - s o l i d i 明n gt e m p e r a t u r e z na d d i t i o n si n c r e a s e dt h eh o tt e a r i n gs u s c e p t i b i l i t yo fm g - 9 a 1a l l o ye v i d e n t l y , w h i l e r ea d d i t i o n sh a dl i t t l ee f f e c t h o w e v e r , r ea d d i t i o n sc o u l dd e c r e a s eh s c d i s t i n c t l yo nt h e c o n d i t i o n so f z na d d i t i o n se x c e s s0 8 w t a tt h es c o p eo fa l l o y ss t u d i e df o 1 2 w t z na n d0 1 6 w t r e ) ，z na d d i t i o n sh a d n oe f f e c t so nt h ep h a s ec o n s t i t u t eo fa s c a s tm g 一9 a ia l l o y ( 旺一m g ，p - m g t t a i l 2 ) ，b u tc o u l d i n c r e a s et h eq u a n t i t yo fbp h a s ei ng r a i nb o u n d a r i e sa n di t sc o n t i n u i t y i na d d i t i o n s ，z nw a s e n r i c h e di nbp h a s e r ew a sm a i n l yi nf o r mo fa l ji r e 3p h a s ei nm g - 9 a ia n dm g - 9 a 1 - z n a l l o y s r o d - l i k e da i r e 3p h a s em a i n l yd i s t r i b u t e di ng r a i n s ，i nw h i c hah i g h e rc o n t e n to f z nw a sa l s os o l u t e d m i c r o - m o d e l sf o rt h en o n - e q u i l i b r i u ms o l i d i f i c a t i o no fb i n a 巧a l l o yw e r ed e v e l o p e d o nt h eb a s i so ft h e r m o - d y n a m i c s ，w h i c hs o l v e dt h ep r o b l e m so fn u c l e a t i o nc o n t i n u i t ya n d t h ec o n v e r g e n c eo f g r a i ng r o w t hi ns o l i d i 研n gr a n g e as i m p l i f i e da n dp r a c t i c a ln u m e r i c a l c a l c u l 撕o nm e t h o dw a sa l s oi n t r o d u c e d 1 1 1 e vp r o v i d e dm o r ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l s f o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c a s t i n gs o l i d i f i c a t i o n t h ec u r v e so f t e m p e r a t u r e ，s o l i df r a c t i o n ， v o l u m ea n dc o m p o s i t i o n a ls e g r e g a t i o na sf u n c t i o n so ft i m ew e r ec a l c u l a t e dd u r i n gt h e c a s t i n gs o l i d i f i c a t i o no fb i n a r ya l l o y s ，t a k e nm g - 9 a ia sa ne x a m p l e a c c o r d i n gt ot h e s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa l l o yu n d e rc o m m e r c i a lc a s t i n gc o n d i t i o n s ，c a s t i n g s o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fb i n a r ya l l o yw a sd i v i d e di n t ot h r e ez o n e s ，g r a i ng r 9 w t h ， i n t e r d e n d f i t i cc o h e r e n c ea n de u t e c t i c t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tz o n e sw e r ea l s o v 海交通人学博i ：学位论史 d e s c r i b e d i ng r a i ng r o w t hz o n e ，g r a i n sn u c l e ia n dg r e wu n d e rac e r t a i nu n d e rc o o l i n g ， w h i c hl e dt oh i g hs p e e do fs o l i d i f i c a t i o n w i t hs o l i df r a c t i o ni n c r e a s i n gi ni n t e r d e n d r i t i c c o h e r e n c ez o n e ，d e n d r i t e s ( o rg r a i n s ) f o r m e ds k e l e t o na n dt h es p e e do fg r a i ng r o w t hw a s s l o w e dd o w n t h er e m a i n i n gl i q u i df o r m e ds m a l lm e l t i n gp o o lo rl i q u i df i l mi n g r a i n b o u n d a r i e s ，w h i c hw a se n r i c h e dw i t hs o l u t ee l e m e n t ( w h e nt h ec o e f f i c i e n to fs o l u t e d i s t r i b u t i o nk 1 ) he u t e c t i cz o n e ，e u t e c t i ct r a n s f o r m a t i o no c c u r r e di nr e m a i n i n gl i q u i d ， w h i c hw a sw i t ht h ee u t e c t i cc o m p o s i t i o n a l l o y ss o l i d i f i e dw i t hv e r yh i g hs p e e d ，a n dt h i s l e dt oh u g es o l i d i f i c a t i o ns h r i n k a g e f o rm g - 9 a 1 一z na l l o y s ，i tc a nb ec a l c u l a t e dt h a tt h e v o l u m es h r i n k a g er a t eo ft h ep a r to fa l l o yt r a n s f o r m e di ne u t e c t i cz o n ew a sa sa b o u tl0 t i m e sa st h ea v e r a g ev a l u ei nt h ew h o l e s o l i d i f y i n gr a n g e i na n o t h e rw o r d ，t h e r ew a ss h o c k s h r i n k a g ea n dar e l e v a n ts h o c ks t r e s si ne u t e c t i cz o n e ，w h i c hw a st h ed i r e c ti n d u c e m e n tf o r h o tt e a r i n g h o tt e a r i n go c c u r r e di ne u t e c t i cz o n ea n ds p r e a di ni n t e r d e n d r i t i cc o h e r e n c e z o n e t h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n gr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ee f f e c t so fe x t e r n a l n u c l e ia n dc o o l i n gr a t eo nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s sw e r e a l s od i s c u s s e du s i n gt h em o d e l s i tr e v e a l e dt h a tt h ec o n t a c ta n g l e ( c a u s e db ye x t e r n a l n u c l e ia n ds o l i da l l o y ) c a ne f f e c tt h eu n d e rc o o l i n go ft h ea l l o y s e v i d e n t l yd u r i n gt h e s o l i d i f i c a t i o n ，w h i l et h eq u a n t i t yo fe x t e r n a ln u c l e i ( a r e ao fs u r f a c e ) c a u s e dl i t t l ee f f e c t u n d e rt h ec o n d i t i o n so fc o o l i n gr a t el o w e rt h a n1 0 3 k s e c o n d ，i tc a u s e dl i t t l ee f f e c tt o i m p r o v et h ec a s t a b i l i t yo f a l l o yt h r o u g hc o o l i n gr a t ei m p r o v i n g f o rc o m m e r c i a lc a s t i n gm a g n e s i u m a l l o y s ，t h e yr e q u i r en o to n l yw e l lf o r m a b i l i t y , b u t a l s ow e l lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h es t r e n g t hp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e si na sc a s t ，t 4 a n dt 6o f m g - 9 a i - z n - r ef l l o y sw e r ea l s os t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n r eh a dl i t t l ee f f e c to nt h es t r e n g t ho fa sc a s tm g 9 a ia l l o y 0 4 w t r ea d d i t i o nc a n i m p r o v et h es t r e n g t hi nt 4d i s t i n c t l y , e s p e c i a l l yt h et e n s i l es t r e n g t h b u tt h es t r e n g t h i n c r e a s e dl i 砌ew i t hr ef u r t h e ra d d i t i o n s s m a l la d d i t i o n so fr e ( 0 4 w t ) i m p r o v e dt h e p r e c i p i t a t i o n ( i sm a i n l yd i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o n ) o f6p h a s e ，a n di n c r e a s e db o t ht e n s i l e s t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hd i s t i n c t l y b e c a u s eo ft h el o ws o l i ds o l u b i l i t yo fr ei nm g a i a l l o y s ，t h eq u a n t i t yo fa l li r e 3p h a s ei n e r e a s e dw i t hf u r t h e rr ea d d i t i o n s a sar e s u l t ， c o n t e n to f a li nm a t r i xw a sd e c r e a s e d ，a n di t sp r o m o t i o nt ot h ep r e c i p i t a t i o nw a sw e a k e n e d ， w h i c hl e dt ot h es t r e n g t hd e c r e a s i n go fa l l o y si nt 6 z nd e m e n tc a l li m p r o v et h et e n s i l e s t r e n g t ho fa sc a s tm g 一9 a 1a l l o y , a n de s p e c i a l l yt e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hi nt 4 a n dt 6 z np r o m o t e dt h ep r e c i p i t a t i o ni nt 6m g - 9 a ia l l o y l i t t l ea d d i t i o n so fz nc a n p r o m o t et h ed i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o ne v i d e n t l y , a n di td e v e l o p e dt oc o n t i n u o u s p r e c i p i t a t i o nw i t hz na d d i t i o n si n c r e a s i n g r ea n dz nm i x e da d d i t i o n sc a n tc a u s ei d e a l v i 海交通人学博i ：学位论义 m i xs t r e n g t he f f e c t s k e yw o r d s ：m g - a 1a l l o y s ，z n ，h o tt e a r i n g ，s o l i d i f i c a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l s ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在- 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密留。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：v 修叹 日期：舻2 年7 月，日 指导教师签名：- 知l 吼泓年7 月中 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：屯似 日期：仍祝年朋如 海交通人学博l j 学位论义 第一章绪论 降低能耗、提高能源利用率、减少环境污染及节约地球资源是当今人类社会面 临的重要而迫切的问题。因此加工制造业设计产品时越来越注意产品的轻量化问题。 由于镁合金具有密度小、比强度和比剐度高、良好的抗腐蚀和抗电磁辐射能力、 以及良好的充型流动性和可再生利用性等一系列优点，使其在汽车、电子、家电、通 信、仪表及航空航空等领域的应用日益增多。 1 1 镁及镁合金 i i i 镁及镁合金的性质 1 1 1 1 纯镁的性质 镁为元素周期表第1 i 族化学元素，原子序数为1 2 ，原子量2 4 3 0 5 ，银白色，密 排六方晶格，无同素异构转变”。镁是目前最轻的工业结构材料，在现有的工程用金 属中，镁合会密度最小，通常为1 7 5 1 8 5 e gc m 3 ，约为铝的6 4 ，钢的2 3 ，而其比 强度和l i ：1 日u 度均比铝合金和钢高，其疲劳强度还要高于铝合金【2 】。纯镁的晶体学结构 为密排六方，其晶格参数见表1 1 【3 】o 表卜1 镁的晶格参数 t a b 1 1l a t t i c ep a r a m e t e r so f m a g n e s i u m 1 1 1 2 镁合金的性质 镁合会的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度接近于铝合会。与工程塑料，尤 其是纤维增强塑料相比，镁合金的强度要低，但其弹性模量、比刚度大，并且具有易 于回收的特点。 镁合会的比弹性模量与高强度铝合；= 、合金钢大致相当。铸件的截面刚度随其 第1 负 第章绪论 厚度的立方比增加，所以当截面厚度增至2 倍时，刚度将增大8 倍，因此用镁合会制 造刚性好的整体构件十分有利。4 镁合会具有高的振动阻尼容量，即高的减振性。镁合金在受外力时容易产生大 的变形，因此，镁合金适宜于铸造受猛烈碰撞的零件，如轮毂和传送带轮。 镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度可大大高于其它金属。、切削掉一 定量金属所需的功率，如以镁合金为1 ，则铝合金为1 8 ，铸铁为3 5 ，低碳钢为6 3 。 其另一个突出的特点是不需要磨削和抛光、不使用切削液即可得到光洁的表面【5 1 。 镁合金在铸造方面具有较大的适应性。除砂型铸造外，根据各类合会的特性和 零件的要求，可以采用金属型铸造、压力铸造、壳型铸造、石膏型铸造、低压铸造以 及冷凝树脂砂型铸造等几乎所有特种铸造方式。 1 1 。2 镁的应用 1 1 2 1 镁工业概况 据统计1 6 1 ，2 0 0 0 年世界上镁生产能力约5 3 6 万吨年，2 0 0 1 年为7 6 6 5 力吨年， 若考虑拟建及在建项目，则2 0 0 2 年达9 3 1 万吨年，2 0 0 5 年达到1 4 3 2 万吨年。镁 的主要消费领域为铝合金、钢脱硫及压铸业，约占整个镁消费量的8 5 以上，其中铝 合金约占4 3 ，镁压铸件占3 5 ，钢脱硫占1 0 1 5 。 进入2 l 世纪，镁的最大也是最为持久的热点是作为汽车、笔、记本电脑及其它微 型电器上压铸件的使用。据i m a 和h y d r om a g n e s i u m 进行的统计和预测表明【7 】，镁 合金压铸件的产量1 9 9 6 年为5 1 万吨，年，2 0 0 0 年增至1 0 万吨年，2 0 0 6 年预计将增 至2 0 万吨年。图1 1 为i m a 和h y d r o m a g n e s i u m 于1 9 9 7 年统计和预测的1 9 9 1 2 0 0 6 年世界镁合会压铸件的需求量。压铸业将成为镁的最大最终用户。 1 9 9 1 1 9 9 21 9 9 31 9 9 4 1 9 9 5 1 螨1 9 9 7 1 9 9 s1 9 9 9 2 0 1 1 0 2 0 0 1 2 0 0 2 略2 0 0 4 撇s 狮6 图1 119 9 1 2 0 0 6 年世界镁合金压铸件需求量 f i 9 1 - lr e q u i r e m e n to f m a g n e s i u ma l l o yd i ec a s t i n g o v e r t h e w o r l d f r o m1 9 9 l t o2 0 0 6 第2 吹 乞：k一、村僻攀 海交通人学博l + 学位论史 1 12 2 镁合金在汽车行业中的应用 在汽车行业中的应用一直是镁合金发展的主要推动力量1 8 i ，8 0 年代中后期镁合金 复兴的直接原因就是汽车行业的需求。镁合金在汽车上的应用已经有许多年的历史。 上世纪二十年代镁合会开始用于