（材料学专业论文）镁合金及其半固态触变成形工艺研究.pdf

摘要 摘要 率论文在前麓初步试验盼基礁上，掩半匿态潮工授术应用予镁台金，研究 了a z 9 1 d 锾台衾巍繇开发戆a s e 6 4 0 耐热镁合金半圆态逐糖懿裁备，= 次魏煞 技术和半阐态坯料在= 次加热过程中的液相产生的机理和组织消化，以及半圆 态压铸的工艺特点，劳在生产瑗甥建半圆态簸嶷戏形工艺匿铸了汽车空压拣 逶抒，对压铸静邂行了葳藿评价。 攫爨镁舍金瞧戏分黪点，采震热捺压热工静方法崩餐了a z 9 1 d 弱a s e 6 4 0 镬合金半麟态坯料。研究了铸态a z 9 1 d 摹畦a s e 6 4 0 镁合龛的挤挺工艺与驻微缎 绶，与拐媲薅锭缀缓秘魄，经过热按压蜃磊粒沿臻压方两被控长，形鼗纾漤状 组织，热挤压过襁未发生明显的褥结龉。 锋对开发懿a s e 6 4 0 耐热镁合金，台金熔燎采用覆盏溶剂绦护的熔甄方法， 摸索出了一套台逶嚣熔炼戮备工艺。分橱了毫穗镁合金审硅元素瀚添燕形式， 实验中采阁铝硅中间台焱，解决了商硅镁合金中碱的添加问题。推导出了硅在 镁熔体中舱溶解遮率公式，指出中阍合金中条状桶箍硅瓣尺寸越小，襄溶辩速 率蘧大，掰需静溶解时溺越少。 铸惑a s e 6 4 0 台宝皆含有g 一氧、m g t v a i l 2 、m 9 2 s i 及m 9 1 2 n d 銎鬟l 捐。在 食金基体上分布肖大量的块状汉字形念斌妞化台物提m 9 2 s i ，憾是出于m 9 2 s i 裰颓蕴糍文，蘧褥合金静塞温力学性熊帮高温辩交瞧髓较骶。遘一步采溺热挤 压加工方式细化糨大的m 9 2 s i 第二棚颗粒，使其均匀弥散分布在基体上，可阻 有教的提凑合金静室濑觏离溢力学设怒。 随著瀣瘦弱嚣裹，瓣蕊态a s e 6 4 0 台鑫斡菝整强度秘麓爨强麓运激簿低，驻 伸率逐渐升高；爨温时抗拉强度达到2 3 5 m p a ，2 5 04 c 时延伸举达到13 5 。 a s e 6 4 0 会佥静室温和离瀑抗拉强震筠德予a s 4 1 含金。对a s e 6 4 0 台金技 牵谈 释断珏逡行宏蕊竣察，束凳疆显缩颈。，炎控箨薅弱的s e m 照片可以观察鄹缓解 璞台殓帮弼窝混合糁 嚣。在渥疫羧爨时疆解理鞭裁为主簧豹凝聚方式。随饕滠 媵的升高，韧窝变得爨漾爨均匀，敝麟韧性特征蜷多，黢憔敝裂特征减少；台 金懿鍪链爝艇，蘸搏攀增大。 箍螫 结合半固态加工的特点，确定了镁台金触变成形二次加热的方法，即直立 式电磁瓣应热热的方式。试验洽磁了二次加热竣祷参数以及a z 9 1 d 合会挤压坯 零 优化熬二次加热工艺参数，麓决了镁食金半戳态坯料二次热热的技术难题。 搽讨了镁台塞半露态坯秘在二次掇热邈毽中液穗产生蛉秘毽，建立了滚穗 体被分数与再终鼹晶靛尺寸稆袭层熔纯厚发瓣关系模型，接导爨了滚楣体积分 数与缚缩晶组织的关系式。对于a z 9 1 d 和a s e 6 4 0 镁合金半固态坯料，在二次 搬热避稷中发生圈复、搿络晶与m g l 7 a 2 浆溶麟，基俸续织交减零捐u g 基溶 奉缝织，燕爨区域为謇a l 医，斑点惩，楚纯楚扶磊绥鑫罴粒静鑫器牙始懿。在 液疆产生藏晶羧滚纯羧缓愎，在螽雾产垒液裙盾球纯鸯羹漆。 试滁证明：增大坯料的塑性变形程度和提黼二次加热的升溢速度可以细化 搭结菇黼粒，增灏一定条件下鹩液相体积分数，从而改善合金坯料纳触变性能， 寄剥予合金的半陵态触变艘形。试验也黢谖了艨提出静渡鼹体积势数与骣结鑫 器藏尺窝表瑟潘倪蓐发瓣荧系模型。 镁含念液态雁铸易产生显微夹杂和气l 等缺隧。赢! 耋固态嚣铸剥不惩，出 于坯料蠛充模具更加平稳，使得夹杂和气孔都很少，避免了产生皮下气孔和疏 松等凝攒缺隆。在生产瑗场袋瘸拳藿态魅变成澎工艺压镣了a z 9 1 d 镁台垒簿汽 车室压壤连抒，零俘缝缓为缨，l 、瓣等赣爨缓织，零馋懿台穆率秽缀合力学翟麓 垮俄子液态压镑。镁合念拳强态压铸套荔产生充獾簌麓，但是通道会理设诗浇 道系统、提高压射比压和模熙温度，可以避免充型缺陷的产生。 关键灏：镁含袅，= 次麓燕，壤缓溪佬， 中阕台垒，半罄悫融变戏形 一嚣。 垒呈! ! 堡垒里! 一一 a b s t r a c t s e m i s o l i dp r o c e s s i n gw a sa p p l i e di n t om a g n e s i u ma l l o yf o r m i n g0 n t h eb a s i s o f p i l o ts t u d y i nt h i s p a p e r , s e m i s o l i d f e e d s t o c k so fa z 9 1 da n da s e 6 4 0 m a g n e s i u ma l l o yw e r ep r e p a r e da n do p t i m i z e dr e h e a t i n gp a r a m e t e r s w e r ee s t a b l i s h e d t h em e l tm e c h a n i s ma n dm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no fs e m i - s o l i df e e d s t o c kd u r i n g r e h e a t i n gw e r ei n v e s t i g a t e da n d t h ef e a t u r e so fs e m i s o l i dd i e - c a s t i n gf o rm a g n e s i u m a l l o y sw e r ea l s oa n a l y z e d ，i na d d i t i o n ，t h ec o n n e c t i n gr o do fa i rc o m p r e s s o rf o r m o t o r c a rw a sc a s tb y t h i x o f o r m i n g a n dt h eq u a l i t yo f t h ec a s t i n gw a se v a l u a t e d f e e d s t o c k so fa z 9 1 da n da s e 6 4 0a l l o yw e r ed i r e c tc h i l lc a s ta n dt h e nh o t e x t r u d e dt op r e p a r es e m i - s o l i db i l l e t s t h ee x t r u s i o np r o c e s sw a sd e t e r m i n e d i ti s s h o w e dt h a tt h eg r a i n si ne x t r u d e dm a t e r i a l sa r es t r e t c h e da l o n ge x t r u s i o nd i r e c t i o n f o r m i n g f i b e rs t r u c t u r e ，a n dn o a p p a r e n tr e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r sd u r i n gh o t w e x t r u s i o n t h ea s e 6 4 0a l l o yi sa s p e c i a l l yd e v e l o p e d h e a t - r e s i s t a n ta l l o yw i t hh i g hs i l i c o n c o n t e n t ，w h i c hi ss m e l tu n d e rt h ec o v e r i n gf l u xp r o t e c t i o n d i f f e r e n ta d d i t i o nf o r m s o fs i l i c o ne l e m e n tt o m a g n e s i u mm e l ta r ec o m p a r e da n dt h e a 1 - s im a s t e ra l l o y m e t h o di ss e l e c t e d ，w h i c hr e s o l v e st h eh a r d t o d i s s o l v ep r o b l e mo f p u r es i l i c o n 。t h e d i s s o l u t i o np r o c e s so fs i l i c o ni nm a g n e s i u mm e l ti sd i s c u s s e d i ti n d i c a t e st h a tt h e s m a l l e rt h ep r i m a r ys i l i c o ns t r i p si nt h em a s t e r - a l l o y , t h eh i g h e rt h ed i s s o l u t i o nr a t e a n dt h el e s st h ed i s s o l u t i o nt i m e t h e r ea r ef o u r p h a s e sa m g ，m g l t a l l 2 ，m 9 2 s ia n dm g l 2 n d i na s c a s ta s e 6 4 0 a l l o y al o to fm 9 2 s ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dp a r t i c l e sa r e 如u n da n dt h e ? p r e s e n * t h e s h a p eo fc h i n e s ec h a r a c t e r s h o w e v e r , t h ea l l o yh a sl o wm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t r o o mt e m p e r a t u r ea n dp o o rc r e e pp r o p e r t i e s & e l e v a t e dt e m p e r a t u r ef o rt h ec o a r s e m 9 2 s ig r a i n s b yh o te x t r u s i o nt h em 9 2 s ig r a i n sc a nb er e f i n e da n dd i s p e r s e d u n i f o r m l yi nt h em a t r i x ，w h i c hm a y e f f i c i e n t l yi m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e a l l o y a st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n d y i e l ds t r e n g t ho f a s e 6 4 0 毪l 一 垒堡! ! 堡垒曼! 一 a l l o yd e c r e a s eg r a d u a l l y , a n d t h ee l o n g a t i o nt u r n sl a r g e r ，t h et e n s i l es t r e n g t hi su p t o 2 3 5 m p aa tr o o mt e m p e r a t u r ea n dt h ee l o n g a t i o ni s 1 3 ，5 a t2 5 0 。c 。t h et e n s i l e s t r e n g t h o fa s e 6 4 0a l l o ye x c e l st h a to fa s 41 a l l o yb o t ha tr o o ma n de l e v a t e d t e m p e r a t u r e i tc b eo b s e r v e d t h a tt h e r ei sn oo b v i o u sn e c k i n gi nt h em a c r o s e c t i o n o ff r a c t u r e da s e 6 4 0t e n s i l es p e c i m e n s t h et e n s i l ef r a c t o g r a p h so fa s e 6 4 0s h o w s s o n l ec o m p o s i t ef r a c t u r ef e a t u r e ，i nw h i c hb o t hq u a s i c l e a v a g es t e p sa n d d i m p l e s c a r l b es e e n q u a s i c l e a v a g ei st h o u g h ta st h em a i nf r a c t u r ew a y a st e m p e r a t u r er i s e s ， t h et e n a c i o u sd i m p l e sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e e p e ra n dm o r eu n i f o r m ，a n dm o r e t o u g h n e s sf r a c t u r ef e a t u r e sa n dl e s sb r i t t l eo n e sa r eo b s e r v e d c o r r e s p o n d i n g l y , t h e p l a s t i c i t yo f t h e m a t e r i a lb e c o m e s b e t t e r , t h a ti st os a y , t h ee l o n g a t i o nt u r n sl a r g e r t h e r e h e a t i n g m e a s u r ef o r t h i x o f o r m i n g o f m a g n e s i u ma l l o y , w h i c h i s e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g ，i sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e m i - s o l i dp r o c e s s i n g 。t h e p r a c t i c a lr e h e a t i n ge q u i p m e n ta n dt h er e a s o n a b l ep r o c e s s p a r a m e t e r sf o rr e h e a t i n ga r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hr e s o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e mo f r e h e a t i n gf o rm a g n e s i t u na l l o yf e e d s t o c k 。 t h em e c h a n i s mo fl i q u i df o r m a t i o n d u r i n gr e h e a t i n gi sa l s od i s c u s s e da n dt h e r e l a t i o n s h i p m o d e lo fr e c r y s t a t l i z e dm i c r o s t r u c t u r ea n dt h i c k n e s so fd i s t o r t i o n b o u n d a r i e so nl i q u i df r a c t i o ni se s t a b l i s h e d f o ra z 9 1 da n da s e 6 4 0s e m i s o l i d f e e d s t o c k s ，d u r i n gr e h e a t i n gr e c o v e r y a n d r e c r y s t a l l i z a t i o n o c c u ri ne x t r u d e d f e e d s t o c kt of o r mf i n ea n dg l o b u l a rg r a i n s t h e nt h ee u t e c t i cp h a s em e l t sa n dt h e m a t r i xt r a n s f o r m si n t om o n o p h a s es o l i ds o l u t i o n t op r o d u c el i q u i dp h a s e ，g l o b u l a r g r a i n sb e g i nt om e l ta l o n gb o u n d a r i e sd r i v e nb yl a t t i c ed i s t o r t i o ne n e r g yo ra 1s o l u t e e n r i c h m e n t t h i si st h eb a s i sf o rt h e s ea l l o y st ob es e m i s o l i dp r o c e s s e d w i t ht i m e o nt h e r e 黻m o r e g r a i n sb e g i nt om e l ta n dt h e yb e c o m em o r eg t o b u l a f it h ec h a n g e f r o mf i b e rt os p h e r eo f p r i m a r yp h a s eg r a i n si sv e r ys l o w b e f o r el i q u i d so c c u l t e n c e a n d g e t sf a s t e ra f t e rg r a i nb o u n d a r i e s m e l t i n g i th a sb e e n p r o v e db y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a tg r a i n sa r er e f i n e dw i t hh i g h p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dp r o p e r l yh i g h e rr e h e a t i n gr a t e ，a n dt h a tt h e s em e a s u r e s i n c r e a s e st h et h i c k n e s so f d i s t o r t i o nb o u n d a r i e sa n dv o l u m ef r a c t i o no f l i q u i dp h a s e u n d e rc e r t a i n h e a t i n gc o n d i t i o n st oi m p r o v et h et h i x o t r o p yo f f e e d s t o c k ，l v 垒呈! ! 垦垒曼! d u r i n gl i q u i dd i e c a s t i n gs o l i d i f i c a t i o nd e f e c t ss u c h a su n d e r s k i ng a sp o r e sa r e e a s y t oo c c h r ，b u td u r i n gs e m i s o l i dd i e c a s t i n gt h e s ed e f e c t sc a nb ea v o i d e d b e c a u s e m o d e lf i l l i n gf o rt h i x o t r o p i cf e e d s t o c ki sm o r es t a b l e ，t h e r e f o r e ，t h eq u a l i f i c a t i o n r a t i oa n dp r o p e r t i e so fp a r ta r ei m p r o v e d ac o n n e c t i n gr o do fa i r - c o m p r e s s o ro f a z 9 1 da l l o yi s p r o d u c e db yt h i x o c a s t i n ga n di t s m i c r o s t m c t u r ec o m p o s e so ff i n e e q u i a x e dg r m n si n h e r i t e df r o mr e c r y s t a l l i z e ds t r u c t u r e d u r i n gs e m i s o l i dd i e c a s t i n g s o r t i ef i l l i n gd e f e c t sm a yo c c u r ，w h i c hc a nb ea v o i d e dw i t hr e a s o n a b l ed e s i g no f t u n n e rs y s t e m ，a n dt h ei n c r e a s eo f m e t a l p r e s s u r ea n d m o u l d t e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y , r e h e a t i n g ，m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o n ， m a s t e ra l l o y , s e m i s o l i dt h i x o f o r m i n g v 前言 日u罱 镁是目前工程应用中最轻的金属材料，密度仅是铝的2 3 ，具有比强度、 比刚度高，阻尼性能好，切削加工性能好，铸造成形性能好等一系列优点，被称 为2 1 世纪的“绿色”工程材料。采用镁合金可以以相同或更薄的厚度加工出塑 料无法满足刚度和强度的零件，应用于便携式电子器材、通讯器材及高度集成 化和超薄小型化的办公自动化设备。因此也被认为是唯一可与塑料产品竞争的 金属材料。同时，在要求减重节能和环保的汽车工业、航空航天等工业领域， 镁合金也占据着重要地位。 本论文以汽车空压机连杆这一传动系统中要求较高强韧性和抗疲劳性能 的零部件以及对耐热性能要求较高的零部件为应用目标。连杆在使用中总处于 较大的加速度状态，其质量产生的惯性力直接增加了对轴承和轴的载荷，因此 其采用镁合金减重带来的效果就非常突出。镁合金零部件性能主要决定于合金 和成形方法两个因素，因而提高零部件性能主要有两个途径：选用性能更好的 镁合金和采用更先进的加工成形技术。 现有的高性能镁合金通常都含有贵重的合金元素如钇、锆、稀土等，使得 合金价格大幅提高。由于镁的化学活性很高，在熔融状态下较易氧化燃烧，而 且传统的液态压铸方法生产出的零件难以避免气孔和显微疏松等压铸缺陷，这 样生产的零部件强度和韧性低，制约了压铸成形技术和镁合金在汽车性能件上 的应用。而半固态加工技术可能解决这个难题。如果将镁合金在不完全熔融的 半固体状态下加工成形，由于液相比例减少又能降低成形温度，不但消除了镁 合金液态成形时氧化、燃烧的危险性，而且，镁合金零件还具备半固态加工疏 松少、吸气少、尺寸精度高等优点。因此，半固态加工成形工艺被认为是具有 发展前景和市场竞争力的镁合金加工成形技术。 本论文的研究内容来源于国家9 7 3 课题“先进半固态镁合金制备与成形的 基础研究”。本课题组已在国家“8 6 3 计划”的支持下，对金属半固态加工技术 的研究取得了重大进展：自行设计研制了半固态材料制备线和电磁感应二次加 热设备，进行了一定批量的半固态压铸试生产。本论文在已有工作的基础上， x 一 前言 将半固态加工技术应用于镁合金，研究了a z 9 1 d 镁合金和所开发的a s e 6 4 0 耐 热镁合金半霾态坯料豹潮备与二次期热过程中鹣缀织演记税露，以及半强态压 铸的工艺特点，以期扩大镁合金的应用范围，加快镁合金和半固态加工技术在 生产中的应用，推动冀产业化进程。 本论文主要骰了以下凡部分工份： 1 根据镁合金的成分特点，在前期试验摸索基础上，采用热挤压3 h i 的方法 制餐了二次加热后具有触变性熊的a z 9 1 d 椰a s e 6 4 0 镁台金半固态坯料， 研究了a z 9 i d 鞫a s e 6 4 0 镁舍金的揍压工艺与显叛组织。 2 针对开发的a s e 6 4 0 耐热镁合余，合金熔炼采用覆盖熔剂保护的熔炼方法， 摸索出了一套合邋的熔炼制备工艺。采用光学显微镜、扫始电镜、x 射线 衙麓等现代分耩渊试方法，毳拜究了a s e 6 4 0 台金的组织彩态、籀组藏芋珏微 观结构以及合金元索在合金中的存在形式和所起的作用。采用m t s 力学性 能试验桃，研究ta s e 6 4 0 台金的室温和商激力学性能。 3 。结合半阖态翔工熬特点，确定了镁台金齄楚建形二次麓热的方法，制定了 合理的二次加热工艺参数。 4 探讨了镁合金半固态坯料在二次加热过程中液相产生的桃理，推导出了液 稿液裙体耪分数写孬结鑫组织黔关系式。试黢研究了a z 9 1 d 窝a s e 6 4 0 镁 合愈半固态坯料= 次加热过程中的组织演化；生产现场采用半固态工艺压 铸了汽车空压机逡杆，对压铸件进行了质量评价。 x 1 箜二兰圭苎堡兰 一一 第一章文献综述 1 1 镁的基本性质 镁的原予序数为1 2 ，原子量2 4 3 2 。镁的自由原子的电子排列为1 s ；2 s 2 2 p 6 3 s 2 ， 所以镁通常为两价( m 9 2 + ) 。其晶格是密排的六方晶系，如图1 1 所示。在2 5 。c ， a = 3 2 0 2 a ，c = 5 1 9 9 a ，c a = 1 6 2 3 5 ；在配位数为1 2 时，原子半径为1 6 2a ，原子体 积为1 3 9 9 厘米3 克原子旧】。由于镁属于六方晶 体结构，主滑移面为基面，滑移系少，所以对于多 晶镁，室温及低温塑性较低，容易脆断；温度提高 到1 5 0 2 2 5 。c ，则棱柱面( 1 0 t o ) 和棱锥面( 1 0 _ 1 ) 也 参与滑移，因而高温塑性较好，可进行各类形式的热 变形加工。另外，镁除了以滑移方式进行塑性变形 外，孪晶也起重要的作用，主要的孪晶面是f 1 0 1 2 l , l o t 3 1 3 ”。 ! 一口- l 图1 1 镁的密排六方晶胞结构 f i g 1 1t h e h c p 1 a t t i c eo f m g 作为典型的s 2 结构的镁，是很活泼的金属。镁与卤族元素在有机溶剂或高 温无氧和氮存在条件下反应。常温下能被硫、氮、氧所氧化，发生的反应如下： m g + c 1 2 一m g c l 2 ( 1 - 1 ) m g + s ： o ： m g s m g ，n ： m g o ( 1 2 ) 镁与水的反应如下： m g + 2 h 2 0 = m g ( o h ) 2 + h 2 ( 1 3 ) 镁中所含的大多数杂质对镁的力学性能都有不良影响 6 】。m g o 含量超过 o 1 时会降低镁合金的力学性能。m g o 是难熔的无色结晶物质( 其熔点为2 8 0 0 。c ， 分子量4 0 3 ，密度3 6 5 9 c m 3 ) ，与水反应生成m g ( o h ) 2 ，吸收c 0 2 生成m g c 0 3 。 m g o + h 2 0 = m g ( o h ) 2、i - 4 ) m g o + c 0 2 = m g c 0 3 f 1 - 5 1 第一章文献综述 1 2 镁的合金化及其强化方法 1 2 1 合金元素对镁合金陛能的影响 纯镁的强度很低，只有经过适当的合金化之后，其强度才可以得到显著提 高，作为结构材料在工业中应用。镁的合金化原则是利用固溶强化和时效处理 所造成的沉淀硬化来提高合金的常温和高温性能。因此，所选择的合金元素在 镁中应具有较高的固溶度，并随温度有较明显的变化，在时效过程中形成强化 效果显著的第二相。镁合金的常用合金化元素主要有：铝、锌、锰、稀土金属、 钍、锆、银：添加微量元素铍。镁合金中还可能含有铁、铜、镍等杂质元素。 ( 1 ) 铝：a l 是镁合金化的主要元素，与镁构成共晶系相图。m g a 1 系共晶温度 为4 3 7 。c ，共晶成分为3 2 3 a 1 ，共晶反应为l q m g + 1 3 。0 相为m g i t a i l 2 具有立方晶体结构，a = 1 0 4 6 9l o 5 9 1 a 。a 1 在镁中的固溶度随温度下降具有明 显的变化，从4 3 7 。c 的1 2 6 降到室温下的约1 ，因此利用固溶处理可以获得 过饱和固溶体”。大量的试验表明，在随后的时效过程中，过饱和固溶体不经 过任何中间阶段直接析出菲共裔j j 平篱旧；相m g l 7 a 1 1 2 ，不存在预沉淀或者过 渡相，强化了合金基体。 ( 2 ) 锌：z n 的熔点较低，具有与镁相同的晶体结构( h c p ) 。锌在镁中的极限固溶 度为8 4 ，除了固溶强化作用外，时效强化也很有效。锌加入镁铝系合金中， 使共晶变成分离型。少量锌使固溶体强化，并略提高合金的耐蚀性。但含量超 过2 时，则会扩大合金的结晶间隔，增加了合金的热裂倾向，从而使铸造工艺 变差 7 1 。 ( 3 ) 锰：在铸造m g a i z n 系合金中，通常含有0 1 5 0 5 的m n 。锰与合金 中的杂质铁反应生成a 1 一m n f e 化合物，此化合物沉入熔体的渣中，因而降低了 铁含量，使合金的耐蚀性提高”。 ( 4 ) 稀土金属：由m g r e 的二元相图可知，各种m g r e 的状态图是相似的，它 们有较高的共晶温度( 5 5 2 5 9 3 ) ；r e 在a m g 固溶体中的溶解度在5 0 04 c 以 下几乎没有变化；形成的第二相m 9 9 c e 、m g x n d y 等均为成分一定、晶格复杂 的化合物。它们在高温下比较稳定，不易析出长大，而且这些化合物都有很高 的热硬性一j 。稀土化合物在室温时的显微硬度和镁合金巾常见的m 9 4 a 1 3 、m g z n 2 第一章文献综述 等化合物相比是比较低的，然而在高温时却比它们高的很多。m g - r e 合金有较 小的结晶温度间隔f 最大温度间隔：m g c e 系为5 7 。c ，m g l a 系为7 6 。c ，m g n d 系 为1 0 0 。c ) ，而且它们的共晶体有很好的流动性，所以m g r e 系合金有很好的铸 造性能，其缩松、热裂的倾向均较m g a i 系、m g z n 系小，充型能力也比较好。 m g - r e 合金中加入少量z n ，强化相中固溶了一部分z n ，成为( m g z n ) 9 0 r 1 2 r e ， 具有增加固溶强化和时效硬化的作用。但该化合物常以粗大块状聚集在晶粒边 界构成脆性网络，从而降低了合金的强度和塑性【8 1 。这种晶界相比较稳定，必 须采用热处理及机械处理的方法使其溶解和破碎。另外，稀土元素还可以降低 合金的氧化速率，同时可以使合金具有良好的铸造工艺性和热变形能力。 ( 5 ) 铍：合金中b e 的加入量一般不超过3 0 p p m ，在一定温度下它能明显降低镁熔 体表面的氧化。但含量过多会引起晶粒粗化。1 。 ( 6 ) 杂质元素：常见的杂质元素有f e 、c u 、n i 等，这些元素会大大降低合金的 耐蚀性。 从2 0 世纪8 0 年代以来，镁合金的研究在微合金化领域有了新的进展。微 合金化( m i c r o a l l o y i n g ) 最初是瑞典人n o r e n 于1 9 6 2 年在美国船结构会议中“ 正式提出的。传统上钢中合金元素的添加量通常以1 为单位，通过改变铁基体 的化学成分和组织结构使其性能发生变化。当添加量较少时，对钢的性能影响 较小，则不能成为合金元素。在这种情况下，合金元素需占基体原子数的1 2 0 。但是，如果性能的变化是由能去除有害元素、改变或形成第二相的元素所 引起，那么在大多数情况下只需要很低的原子比例。这时加入合金的浓度约为 0 0 0 1 0 1 。具有这种作用的元素就是微合金化元素( m i c r o a l l o y i n g e l e m e n t s ) 。同其它结构材料一样，镁合金中微量元素的存在也会极大程度地影 响其组织和性能。其中s r 在m g a 卜z n 系合会中的应用就是一个成功的例子。 长期以来，广泛使用的m g a l z n 合金存在晶粒相对粗大( 2 2 5 “m ) 以及孔隙率高 等缺陷。最近的研究发现“，微量的s r ( 0 0 0 5 0 0 3 ) 能使a z 9 1 合金的晶粒 减小到7 5 1 5 0 “m ，孔隙率降低到0 2 5 0 7 5 ，从而大大改善了a z 9 1 合金的 力学性能和铸造工艺性能。 合金化技术对镁合金的发展起到的重要怍用。蜀目前为止，已经形成了以 m g a l 、m g z n 、m g a 卜z n 和一r e 为基体，加入n 、m n 、s i 、c a 、s r 等合金元 3 苎二主圭丛笪竺 素的铸造和变形镁台金系列“。虽然采用快速凝固和粉末冶金等镁合金的制备 工艺能使镁合金的性能有较大幅度的提高” 1 6 1 ，但是这些工艺复杂、成本较高。 作为新一代的结构材料，镁合金要获得广泛的应用，其制备工艺应当具备简单 可靠、成本低廉等特点。因此，着眼于产业化和商业化，开发新型高性能镁合 金应该采用工业上易于实现的合金化技术。 1 2 2 镁合金的强化原理与方法 针对镁合金强度低的缺陷，人们对镁合金的强化机理进行了大量研究，现 已认识到镁合金的强化途径主要有固溶强化、时效强化、弥散强化、晶界强化 以及变形强化等。 ( 1 ) 固溶强化【1 1 1 1 3 l ：合金元素固溶于基体内，改变了基体的原子间结合力，降 低了堆垛层错能，增加了扩散位错宽度，提高扩散激活能，阻碍高温条件下位 错的滑移与交滑移，提高了合金的热强性。根据h u m e r o t h e r y 固溶强化原理， 原子半径间的尺寸和电子结构上的差异决定其强化效果。而且，溶质与溶剂原 子价差愈大，点阵应变差愈大，则强化效果愈显著。 镁合金的n 固溶体可通过固溶强化来提高强度。铝、锌、稀土元素是有效 的固溶强化元素。由于共晶体多集中于晶界区，材料蠕变又发生于此，因而，不 能选用共晶温度低的合金系。m g z n 系的共晶温度约为3 4 0 。c ，加入第三个合 金元素如铝可以提高其共晶温度，m g a i z n 系的共晶温度为4 3 0 。c 左右。 ( 2 ) 时效强化 1 5 , 1 6 】：时效强化是镁合金强化的一个重要方法。当合金元素的固溶 度随着温度的降低而减少时，便可能产生时效强化。满足此条件的镁合金系很 多，但是由于镁原予的半径比沉淀相大，而且沉淀相的晶体结构复杂，使得沉 淀相与基体之间不易产生共格关系。当温度升高时，沉淀相会很快粗化软化， 从而失去强化作用。镁合金时效的过程通常比较复杂，对于工业中的一些镁合 金，其可能的时效序列如表1 1 所示。 ( 3 ) 弥散强化【1 7 叫9 】：利用外加高弥散度、高硬度的质点达到强化效果。与时效强 化不同，这些质点不是由基体脱溶产生的，其热稳定性高、与基体不发生化学 反应、与基体能牢固结合。这些弥散质点具有阻碍位错运动、提高再结晶温度、 形成稳定的亚结构而减缓晶界滑移等作用，使合金热强性提高。 堑二兰查苎竺兰 向合金中添加在凝固过程中能形成密集的中间金属相粒子的合金化元素， 对提高合金蠕变强度起着决定性的作用。这种质点的分布具有很高的弥散度， 如果质点沿着晶界呈网状分布，则质点的弥散能有效的降低蠕变速度。n ) b 止l 时有降低热激活蠕变的能力。另一方面，如果形成这种弥散质点的合金元素还 有固溶强化作用的话，则可以减少晶界上的低熔点共晶混合物量。 表1 1 镁合金中可能的沉淀过程1 5 1 t a b l el 一1p r o b a b l e p r e c i p i t a t i o np r o c e s s e s i nm a g n e s i u m a l l o y s 台金系 沉淀过程 m g - a l s s s s 在( 0 0 0 1 ) m g 上形核的m g l t a i l 2 平衡沉淀物( 非共格) m g - z ns s s s 专g p 区m g z n 2 专m g z n 2 号m 9 2 z n 3 盘状杆状盘状三角晶系 o 0 0 1 ) m g上 0 0 0 1 ) m g o 0 0 1 ) m g a = 17 2 4 n m ( 共格) c p h b = 1 4 4 5 n m a = 0 5 2 n m ( 1 1 2 0 ) m g z “2 c = 0 5 1 n m c = 0 8 5 n m ( 1 0 i o ) m g y = 1 3 8 ( 共格1 c p h ( 半共格1 a = 05 2 n m c = 0 8 4 8 n m ( 半共格、 m g - r e ( n d ) s s s s 专g p 区1 3 ” b 1 3 过饱和a 固 ( m g - n d )m 9 3 n d ?m 9 3 n dm g l 2 n d 溶体片状 c p h t c cb c t d o ，9 超结构 a = l0 3 r t m 1 0 1 0 ) m g 门a = 0 7 3 6 n mc = 0 5 9 3r l r i i f 共格) ( 0 0 0 1 ) 1 3 。 f 0 1 1 1b7 f 非共格) 坝0 0 0 1 ) m g( o 0 0 1 ) m g ( 1 0 10 1 3 。( 111 ) 1 3 ， 1 0 10 ) m g( 2 1 1 0 m g ( 半共格) ( 4 ) 晶界强化：金属及合金中排列不规则的原子在晶界扩散比晶内更快，导致 高温工作时晶界强度明显低于晶内，促进蠕变裂纹沿晶界扩展，形成垂直于受 力方向的晶界断裂。为防止高温下晶界裂纹扩展所采取的强化措施有2 0 2 2 1 ： 用热处理方法改善晶界形状与结构，如利用中间处理获得弯曲晶界；使沉淀 相沿晶界呈颗粒状析出等。 加入表面活性元素，产生内吸附而纯化晶界。b 、z r 和稀士元素l a 、c e 等均 5 第一章交献综述 富集予晶界，填充空位使蠕变过程中的晶界扩散减缓。 ( 5 ) 变影强讫：在低予孬结鑫温爱下进行鎏往燹髟，霞鑫锋患箨中蕴镑密发提 高，而且位错互相缠绕，并形成胞状结构，改变位错组态，彤成超显微不均匀 性而增加位错运动的隰力。变形度越大，材料的变形抗力越大，强度越高。 1 3 镁含金的塑性变形和蠕变 1 3 ，1 镁金金豹形变杭制 ( 1 ) 滑穆 镁怒密舞 六方( h c p ) 金震，在会金化后绝大多数情提下仍保持密辨六方结 构，所以镁及其合金在室温变形时，通常只有单一的滑移面( 0 0 0 1 ) ，它与三个 滑移方向 只能构成三个滑移系，而铝的滑移系有1 2 个。因此镁及熟合 金懿室瀑及低渥塑经较甄。毽是当溪瘦超过2 2 5 对，位错除了在基瑟( 0 0 0 1 ) 上进行滑移外，部分螺位错也将被激活而交滑移至棱柱面f i o t 0 1 和棱锥面 f l o t l l 上，使这些棱楗面和棱锥面也参与滑移，此时镁及其合金的塑性大螺度 提高，可逐行各种形式的熟变形勰二”郅。 f 2 ) 孪生 对于六方结构的金属，当基嚣滢够受隆时除了激活菲基蓬( 接柱嚣掘楼锻瓣 参与漕移辫，形变孪生也是另一重甏的形变机制。形变过程中品格位错滑移至 晶界，与晶界发生作用，形成 1 0 t 2 ) 和 1 0 d ) 孪晶。由于滑动的晶格位错脊可 链蔹孪熬器霹瘊吸牧，毽焉黪变李菇懿产生琢了对合金鹃塑控有掰贡蘸舞，李 晶界的存在也有利于合金抗拉强度的提高倒1 。 ；3 。2 鑫赛对螽粒澎蜜瀚影稳 由于龋界两侧晶粮的晶体取向不同，一个晶糍内的位错滑移难以贯穿至另 一个晶粒。因而，晶界对晶粒的滑移形变起到阻碍作用。毋：糖尺寸越， 、+ j 妻j ： 隧礴终聪藏越大。金蕊枣孝辩在霉瀑下静试验表稠，鑫粒静平均嶷经d 与藩鼹应 力o 。遵从霍尔一佩奇( m l p e t c h ) 经黢公式【2 5