（材料加工工程专业论文）铸造mgliznzr系镁合金组织及性能研究.pdf

摘要 铸造m g l i z n z r 系镁合金组织及性能研究 材料加工工程专业 硕士研究生：刘鹏指导老师：赵平教授 摘要 本论文以轻质镁锂合金材料为研究对象，以均化处理、氢化处理等热处理 手段和混合稀土对m g ，l i z n z r 系镁合金的显微组织和机械性能影响为主要研 究内容，以具有代表性的m g 一71 3 l i 一39 2 z n 一1 z r 、m g 81 6 l i 一41 0 z n 一2 8 6 y - 05 9 z r 21 4 l p c 合金为基础，对镁锂合金材料的合金成分一组织结构机械性能之间的 相互关系和作用规律进行了较深入系统的研究。 论文主要内容为用真空感应熔炼炉配制成分为m g 一71 3 l i 3 9 2 z n 1 z r 、 m g 一8 1 6 l i 一4 1 0 z n 一2 8 6 y - 0 5 9 z r - 21 4 l p c 两种试验合金，对试验合金进行不同条 件下的热处理工艺，结合s e m 、金相( o m ) 及拉伸试验等手段观察分析热处 理前后，铸态和热处理态试验合金的组织变化和机械性能变化，分析热处理和 混合稀土对合金机械性能的影响，探讨试验合金的机械性能变化的影响机制。 研究结果表明： ( 1 ) 镁合金可以通过真空感应炉制得高质量的镁合金铸锭。 ( 2 ) 铸态m g 一71 3 l i 一3 9 2 z n 一1 z r 合金主要由a - m g 相、0 。相( m g l i 2 z n ) 及 g - z r 相组成，且0 + 相( m g l i z z n ) 呈长针条状，头部两端呈尖角状。经过均化 处理后，0 。相( m g l i 2 z n ) 变成短蠕虫状，头部两端呈圆头形状的0 相( m g l i z n ) ， 产生明显的钝化现象。 ( 3 ) 均化处理可以明显提高铸态m g 一7 1 3 l i 一39 2 z n 一1 z r 合金的力学性能，随 着均化处理时间延长，均化态试样的抗拉强度和延伸率逐渐降低，而屈服强度 则是随着时间延长先降低后又升高，这些是由于粗化现象所致。另外，3 0 06 c 4 8 h 的均化态试样其屈服强度o - 。最高。 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 均化处理后，钝化现象与粗化现象都对m g 一71 3 l i 一39 2 z n 一1 z r 合金试样 力学性能起到影响作用，但均化态试样与铸态试样相比较，钝化现象明显起到 了决定性作用；而不同工艺条件下均化态试样相比较，粗化现象又开始起到明 显的影响。 ( 5 ) 铸态m g 一8 1 6 l i 一4 1 0 z n 一2 8 6 y - 0 5 9 z r 一2 1 4 l p c 合金铸态组织为网状结 构，主要由l i 、z n 和r e 在m g 中的固溶体和m g - l i z n r e 块状化合物共同组 成。经过均化处理后，网状结构的部分溶解，随着均化处理时间的延长，网状 结构仍然存在，与铸态显微组织的结构较为相似，且均化处理不能够提高其力 学性能。 ( 6 ) 铸态m g 一8 1 6 l i 一4 1 0 z n 2 8 6 y - 0 5 9 z r 一2 1 4 l p c 合金经过氢化处理，晶界 块状化合物已消失，代之以不连续的、细小的黑色颗粒状组织，且氢化处理可 以明显提高其力学性能。另外，选用4 8 0 4 8 h 可以彻底氢化透试样( 0 1 2 m m ) ， 取得较好的氢化效果。 关键词：镁锂合金，混合稀土，均化处理，钝化现象，氢化处理 a b s t r a c t r e s e a r c ho i lt h e 】i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h ec a s tm g l i - z n z ra l l o y m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n gm a j o r p o s t g r a d u a t e ：l i up e n gs u p e r v i s o r ：p r o f z h a op i n g a b s t r a c t r e s e a r c hw o r k so ft h i st h e s i sa i m sa tt h el i g h tm a g n e s i u ml i t h i u ma l l o y sa n d m a i n l yf o c u s e so nt h ee f f e c t so f t h em i s c h m e t a la n ds o m et h e r m a lt r e a t m e n t ss u c ha s 、 t h eh o m o g e n i z i n gt r e a t m e n t 、t h eh y d r o g e n a t i n gt r e a t m e n te t eo nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e m t w ot y p i c a ll i g h tm a g n e s i u ml i t h i u ma l l o y s ， m g 7 1 3 l i 一3 9 2 z n - 1 z rm a dm g - 8 1 6 l i - 41 0 z n 一2 8 6 y - 0 5 9 z r 2 1 4 l p c ，a r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yf o rt h er e l a t i o n so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h et y p i c a lt e s ta l l o y so f m g - 7 1 3 l i 一39 2 z n l z ra n dm g 一8 ，1 6 l i 一41 0 z n 一2 8 6 y 一0 5 9 z r - 2 1 4 l p ca r cp r e p a r e di nv a c u u mi n d u c t a n c ef u r n a c e ，a n dt h e i rt h e r m a l t r e a t m e n t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r cs t u d i e d ，m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h et e s ts p e c i m e n sw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e du n d e rs e m 、o m a n d t e n s i l et e s ta n dt h ee f f e c t so ft h em i s c hm e t a la n ds o m et h e r m a lt r e a t m e n t so n m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fa l l o y sw e r e a n a l y z e d a n dt h e m e c h a n i s m so f v a r i a t i o nw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh i 曲q u a l i t ym a g n e s i u ma l l o y sc a nb ep r e p a r e di nv a c u u mi n d u c t a n c e ( 2 ) t h ec a s tm g 一7 1 3 l i 一3 9 2 z n - 1 z ra l l o yi sc o m p o s e do fa - m g 、a - z ra n d0 p h a s e ( m g l i 2 z n ) ；t h es h a p eo f0 l i k e sl o n ga c e r a t ea n dt h es h a p e o ft w oh e a d so f i t a p p e a r ss h a r pc o r n e r a f t e rt h eh o m o g e n i z i n gt r e a t m e n t ，p h a s e ( m g l i 2 z n ) t u r n e di n t o0p h a s e ( m g l i z n ) w h i c ha p p e a r ss h o r tv e r m i f o r m ，a n dt h es h o eo ft w o 1 1 荫华大学硕十学位论文 h e a d s c h a n g e di n t o o b t u s ef o r mi nt h i s p r o c e s s t h e r et o o k p l a c ep a s s i v a t i o n p h e n o m e n o n ( 3 ) t h eh o m o g e n i z i n gt r e a t m e n tc a ne n h a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m g 一7 1 3 l i 一3 9 2 z n 一1 z ra l l o yi n e v i d e n c em o r eo v e r , e x t e n d i n gt h et i m eo ft h e t r e a t m e n t ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o np e r c e n t a g eo ft h et e s ts p e c i m e n st u r n e d t ol o w e rg r a d u a l l yi nt h i sp r o c e s st h e r et o o kp l a c ec o a r s e n i n gp h e n o m e n o n a n o t h e r , t h ey i e l ds t r e n g t ho f t h es p e c i m e ni n3 0 0 。c 4 8 hi st h em a x i m u m ( 4 ) a f t e rt h eh o m o g e n i z i n gt r e a t m e n to f t h ec a s tm g 一7 1 3 l i 一3 9 2 z n - 1 z ra l l o y , t h ep a s s i v a t i o np h e n o m e n o na n dc o a r s e n i n gp h e n o m e n o nb o t hi n f l u e n c e dt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fm g 一7 1 3 l i 3 9 2 z n 一1 z r a l l o y b u tc o m p a r i n gt h e h o m o g e n i z e da l l o y sw i t ht h ec a s ta l l o y , t h ee f f e c t so ft h ep a s s i v a t i o np h e n o m e n o ni s m o r ea p p a r e n t b e s i d e s ，c o m p a r i n gt h eh o m o g e n i z e da l l o yi nd i f f e r e n tw o r kc r a f t s ， t h ec o a r s e n i n gp h e n o m e n o ni sm o r ea n dm o r ea p p a r e n t ( 5 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec a s tm g 一8 1 6 l i 一4 1 0 z n 2 8 6 y 一0 5 9 z r 一21 4 l p c a l l o ya p p e a r sm e s hs t r u c t u r e ，w h i c hc o m p o s e do f t h es o l i ds o l u t i o no f l i 、z na n dr e i nm ga n dt h ec o m p o u n do fm g l i z n r e a f t e rt h eh o m o g e n i z i n gt r e a t m e n to ft h e c a s tm g 一81 6 l i - 4 1 0 z n - 2 8 6 y - 0 5 9 z r - 2 1 4 l p c ，t h em e s hs t r u c t u r ej u s to c c u r r e d d i s s o l v e dp a r t i a l l y , a n de x t e n d i n gt h et i m eo ft h et r e a t m e n t ，i ts t i l le x i s t e d b e s i d e s ， t h eh o m o g e n i z i n gt r e a t m e n tc a n n o te n h a n c et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h e m g 一816 l i 一4 10 z n 2 8 6 y - 0 5 9 z r - 2 14 l p ca l l o y ( 6 ) a f t e rt h eh y d r o g e n a t i n gt r e a t m e n to ft h ec a s tm g 一8 1 6 l i 一4 1 0 z n 一2 8 6 y o 5 9 z r - 2 1 4 l p ca l l o y , t h ec o m p o u n do fm g l i z n r eh a sd i s a p p e a r e d w h i c h t u r n e di n t ot h ed i s c o n t i n u o u sa n de x i g u o u sg r a n u l a rs t r u c t u r e ，a n dt h eh y d r o g e n a t i n g t r e a t m e n tc a ne n h a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m g 一8 1 6 l i 一4 1 0 z n 一2 8 6 y - 0 5 9 z r - 2 + 1 4 l p ca l l o yi ne v i d e n c e b e s i d e s ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o no f t h eh y d r o g e n a t i n gt r e a t m e n t a r e4 8 0 4 8 h k e y w o r d s ：m g l ia l l o y ，m i s c hm e t a l ，h o m o g e n i z i n gt r e a t m e n t ，p a s s i v a t i o n p h e n o m e n o n ，h y d r o g e n a t i n gt r e a t m e n t 两华大学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1 镁及镁合金的发展与应用 11 】镁的基本特性及应用 金属镁及其合金是迄今为止在工程上应用的最轻的金属结构材料2 1 。在元 素周期表中，镁的原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 2 ，电子轨道分布为 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，属i i a 族碱土金属。镁具有密排六方结构，在2 5 。c 时，a = 33 0 2 a ， c = 51 9 9 a ，c a = 1 6 2 3 5 ，在配位数等于1 2 时，原子半径为1 6 2 a ”。镁的其它 一些重要的物理参数和常见性质见表1 1 3 4 埽口表1 2 5 “。 表1 1纯镁的一些重要物理参数和常见性质4 1 t a b l e1 1s o m ei m p o a a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dc o r m n o n s e n s i b l ec h a r a c t e ro f p u r e m a g n e s i u m 【3 】 4 1 性质数值性质数值 原子序数 1 2沸点k1 3 8 0 3 原子价 2 气化潜热k j k g 。1 5 1 5 0 5 4 0 0 相对原子质量 2 4 3 0 5 0 升华潜热k j k g 。1 6 1 1 3 - 6 2 3 8 原子体积c m 3 - m o l 。 1 4 0 燃烧热k j k 一 2 4 9 0 0 - - 2 5 2 0 0 镁蒸汽比热容 原子直径a 32 0o8 7 0 9 c 。”k g 1 k 1 柏松比 0 3 3 m g o 生成热q 。1 ( j m o l 。 o6 1 0 5 密 室温g c 3 1 7 3 8结晶时的体积收缩率3 9 7 - 4 2 度 熔点g c m 3 1 5 8 4 磁化率l 】，1 0 。3 i n k s 6 2 7 缶3 2 电阻温度系数( 2 7 3 3 7 3 k )固态镁中声音传播速度 3 94 8 0 0 1 0 。3m s 电阻率p 1 1 q m 4 7 标准电极电位 热导率 w m k 。 l5 3 6 5 5 6 氢电极v一15 5 2 7 3 k 下的电导率1 0 “( q m ) 。12 3甘汞电极v18 3 第1 章绪论 续表 性质 数值 性质数值 再结晶温度k 4 2 3对光的反射率 熔点k 9 2 3 1 = o 5 0 0u m 7 2 镁单晶平均线膨胀系数2 8 8 3 0 8 k ) = 1 0 0 0u i t l 7 4 沿a 轴l o 2 7 1 九= 30 0 0u m 8 0 沿c 轴1 06 k 2 43 x = 9 0 0 0u m 9 3 熔化潜热k j k 一 3 6 0 3 7 7收缩固一液4 2 9 5 4 k 下的表面张力n m 1 0 5 6 3 盎 熔点至室温 5 表1 2 纯镁的机械性能7 】 t a b l e1 2m e c h a m c a lp r o p e r t i e so fp u r em a g n e s i u m t l l 【 镁为银白色金属，在2 0 c 时纯镁的密度为1 7 3 8 9 c m 3 ，它的比重大约是铝 的2 3 ，铁的l 4 ；而镁合金的密度为1 3 1 9 9 c m 3 不等，最轻的镁合金( m g l i 合金) 密度仅为0 9 5 9 c m3 【”】，可漂浮于水上。所以用镁合金作结构件，可大大 减轻结构件的重量。同时，镁合金还具有最高的比强度和比刚度、一定的耐蚀 性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、高的导电和导热性能、无磁性、对电磁波屏 蔽性好、无毒、衰减性能好、尤其是易于回收利用，具有环保特性，被誉为“2 1 世纪绿色工程金属结构材料”【】t - 1 5 1 。近些年来，镁的用途在不断扩大，特别是交 通运输由于节能与环保观念的日益增强，要求减轻交通工具的自重，采用镁合 金制造交通运输工具的零部件，可达到最大的减重效果，同时镁也是制造通常 称之为3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t s ) 产品的良 好材料，因而镁产量在不断的攀升【l “。据统计，全世界原镁产量在2 0 世纪初只 有l o t a ，1 9 8 0 年为3 0 万“a ，1 9 9 8 年为4 5 万t a ，2 0 0 3 年为3 0 0 万t a ( 图1 1 ) 尚华人学硕十学位论文 罂 o g o f i g 1 1c a p a c i t yp r i m a r ym a g n e s i u m 图11 全世界原镁产量”1 1 1 2 镁合金的分类及压用 作为质轻的结构件，镁合金的应用领域十分的广泛( 图12 ) ，而作为镁的 第二大应用领域的镁合金压铸件在汽车等运输工具中的应用所占比例最大，为 7 0 ，在其他工业产品中的应用比例分别为：手提工具1 0 ，计算机办公用具 1 0 ，其它产品1 0 【1 8 。当前，随着航空工业和汽车工业的发展，对轻合金材 料的性能提出了更高的要求。汽车方面，汽车车体重量每减少1 0 0 k g 可以使百 公里油耗减少o 7 l 1 9 】 z o 】。而文献 2 1 中c o l e 认为，使用镁合金结构件每部汽车 有减重1 5 0 k g 的潜力。因此，围绕m g 和m g 基轻质材料的开发，争夺国际商 业市场的竞争日趋激烈。据此，全球压铸镁合金的需求会进一步增加，根据i m a 和h y d r om a g n e s i u m 的统计和预测，镁合金压铸件的产量1 9 9 6 年为51 万“a ， 2 0 0 0 年增至1 0 万t a ，2 0 0 6 年预计将增至2 0 万t a 。图1 3 是根据i m a 和h y d r o m a g n e s i u m 的统计和预测所绘的1 9 9 1 2 0 0 7 年北美和欧洲镁合金压铸件需求量 1 7 1 。 目前，镁合金的种类繁多。根据化学成分的不同，镁合金可分为m g a 1 系 合金、m g z n 系合金、m g r e 系合金、m g - l i 系合金等口“。根据加工方式的不 同，镁合金材料主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类，铸造镁合金包括压 第1 章绪论 2 5 0 2 0 0 g1 5 0 1 0 0 5 0 0 晦1 2c o n s u m p t i o no f m a g n e s i u m 1 8 图1 2 金属镁的主要虑j _ j 领域 9 19 39 5耵 g g0 10 50 7 y e a r f i g 13r e q u i r e m e n to f m a g n e s m ma l l o yd i ec a s t i n g si nu s a a n de u r o p ef r o m1 9 9 1t o 2 0 0 7 f 7 1 图1 31 9 9 1 2 0 0 7 年北美和欧洲镁台金压铸件需求量 铸镁合金和砂型铸造镁合金。我国铸造镁合金主要有m g - z n z r 合金， m g z n 。z r - r e 合金和m g - a 1 一z n 合金三个系列。目前应用最广泛的是压铸镁合金， 国外在工业中应用的压铸镁合金主要有4 个系列2 4 ：a z 系列，m g a i z n 合金； a m 系列，m g a i m n 合金；a s 系列，m g a 1 一s i 合金：a e 系列，m g a 1 一r e 合 两华大学硕士学位论文 金( r e 或m m ( m i s c hm e t a l ) 2 5 2 9 ，其构成比例为：c e5 0 ，l a2 5 ，n d2 0 p r5 ) 。其常用的典型压铸镁合金的应用范围为：a z 9 1 位最常用镁合金，具有 良好的铸造性能与最高的屈服强度，可用于任何形式的部件，如汽车座椅、变 速箱外壳等；a m 6 0 和a m 5 0 用于要求高延伸率和韧性、高抗弯曲性能的工件， 如车轮、车门等；a s 2 1 和a s 4 1 用于较高温度下的强度较高的部件；a e 4 2 用 于高温下高蠕变强度下的部件。 镁资源在全球范围内十分丰富，金属镁可以由菱镁矿、白云石、盐矿以及 海水中提取，其资源具有高度的超国家可获得性( 地壳2 3 ，海水1 1 9 c m 3 ) 。我国是世界上镁储量最大的国家之一，但是中国有关镁合金的开发、研究 还没有真正的开展起来，更没有形成镁合金的深加工和应用的产业i l 】。从图1 2 【l 8 的金属镁的主要应用领域，可以看到，应用于制造镁合金压铸件的镁仅占总产 量的3 0 5 。从图中可以看到，目前镁合金主要的消费是作为铝的合金化元素， 镁合金的开发和应用还具有很大的发展潜力。因此，利用我国丰富的镁和稀土 资源，开发具有中国特色的新型镁合金还具有很大的发展前景口“。 1 2m g l i 合金的研究状况 m g l i 合金又称为超轻合金，镁的密度为1 7 3 8 9 c m 3 ，锂的密度为 o ，5 3 8 9 c m 3 ，在镁金属中加入锂，可降低镁合金的密度，改善合金的塑性和稳定 性，成为一种性能较为优异的超轻结构材料。它不仅具有较小的密度，一般为 1 - 3 5 1 6 5 9 c m 3 ，比普通镁合金轻1 4 1 3 ，比铝合金轻1 3 1 2 ，而且还具有 高的比强度、比刚度和优良的减振性能及抗高能粒子穿透的能力，因此是兵器、 宇航、汽车、电子等领域的最理想的优选材料【3 ”。 1 2 1m g l i 合金的历史与现状州 1 9 1 0 年，德国m a s i n g 在研究“、n a 、k 与m g 相互作用时，意外地发现 m g 和l i 发生有趣的结构转变，并认为该结构是超结构。1 9 3 4 1 9 3 6 年，德、 美、英三国研究者相继单独研究了镁锂合金的结构转变，测定了二元合金相图， 证实了锂含量达5 7 时出现h c p b c c 结构转变。1 9 5 4 年，f r e n c h 等提出了完整 精确的m g l i 二元平衡相图。1 9 4 2 年，美国冶金学家提议向镁基合金种添加金 第l 章绪论 属锂，使镁基合金的点阵结构由h c p 变成b c c 结构，以期在改善合金的加工性 能的同时进一步降低镁基合金的密度。由于军事的需要，美国b a t e l l e 研究所曾 进行了大规模的m g l i 系台金研制工作，试验熔铸批次达1 7 0 0 次，研究目标是 开发比重低、比刚度、比强度高、成形加工方向性不明显的超轻合令。其后一 段时间，镁锂合令的研究相对处于低潮，这与十多年来关于镁锂合金的力学性 能和时效强化的研究效果不理想有关。但是，仍然取得了一些进展，洛克希德 导弹与航空公司和m 公司利用n a s a 报告中的l a l 4 1 信息，开发了飞机用 m g l i 合金零件，另有镁锂合金用于制造宇宙飞船中电气仪表框架、外壳、防 护罩以及防宇宙尘壁板等。 近4 0 年的m g - l i 合金研究结果给人以启迪。m g l i 系合金有系列尚待解 决的问题，要通过一般重金属元素的添加来获得低密度、高比强度兼有其它优 良性能( 稳定性、耐蚀性等) 的超轻合金看起来是比较困难的。因此，8 0 年代 中期开始，人们着手探索通过其它途径来改善此合金性能的可能性。这些途径 包括m g l i 基复合材料、m g l i 合金的快速凝固( r s p ) 工艺、m g l i r e 系合 金等方面。同时，人们并未放弃传统的提高合金性能的各种尝试，即常规元素 添加、冷热加工、时效热处理等方面。德国人k s c h e m m e 等人首次使用激光对 m g - l i a i 合金进行表面热处理。日本人近年来对m g - l i 合金的研究较多，进行 了m g l i 合金添加常规元素、稀土元素( r e ) 的性能及时效机理、冷热加工性 能等方面的研究，并取得一定成果。据报道日本学者研制了- - z o o 超轻镁合金比 重为o 9 5 9 c m 3 ，比水还轻。该合金可以在室温下进行冷轧成形，薄材厚度仅为 o 0 4 r a m ，可用于航天以及诸如笔记本计算机等需要使用坚固而又轻质材料的电 子产品。许多添加其它金属元素具有较高强度的m g l i 合金的塑性却很低。因 此，近年来m g l i 合金超塑性的研究较多。1 9 8 4 年，前苏联的o a k a i b y s h e v 对m a 2 1 ( m g 一8 1 l i 一5 2 a 1 4 7 c d 0 2 1 m n 1 3 8 z n ) 的超塑性进行了研究，在晶 粒度为1 5 9 m 的材料中获得了超塑行为；材料的应变速率敏感性指数值m 为 o 5 5 ，在4 5 0 及1 0 - z s “应变速率下获得4 7 5 的延伸率。1 9 9 0 年，美国的p m e t e m i e r 等人采用箔材压焊方法在两相m g 9 0 l i 合金中取得晶粒度为6 - 3 5 9 m 的细晶组织，并在1 5 0 2 5 0 温度区间获得高达4 6 0 的延伸率。后来e m t a l e f f 等又制得晶粒度小于6 p _ m 的m g - 9 0 l i 合金，在1 0 0 下获得4 5 0 延伸率。k 两华大学硕十学位论文 h i g a s h i 和lw o l f e n s t i n e 温轧二元两相m g 一8 5 l i 台金，使得其具有非再结晶结 构材料的最大延伸率，高达6 1 0 。gg o n z a l e d o n e l 等人取得d 为5 9 i n 的 m g 一90 l i 和d 为3 5 u m 的m g 9 0 l i 一50 8 4 c 材料，在2 0 0 和1 0 - 3 s 。获得分别为 4 5 5 ； d3 5 5 的延伸率。日本藤谷涉等人对铸态m g 一8 l i 合金在3 0 0 下得到 3 0 0 的延伸率。 国内对于镁锂合金的研究已有近1 0 多年的历史，研究工作主要在东北大学、 山东大学、上海交通大学等高校。这些高校主要进行了m g l i 基合金及复合材 料的制备工艺研耕4 0 1 ，电阻炉氩气保护熔炼m g l i 合金及其力学性能研究以 及轧制温度方面的研究【”1 。另外，中科院沈阳金属所在超轻结构镁合金研究方 面做了探讨，研究了m g l i 合金的熔铸工艺、轧制工艺等方面的特性。 1 2 2m g - l i 合金的几个重要体系 m g l i 合金具有令人羡慕的优点( 低密度，高比强度，良好塑性等) ，同时 又存在一些缺点( 强度不高、热稳定性差、耐蚀性能差等) 。添加一般重金属和 轻金属合金元素形成合金元素微量多元化是所用的主要方法，镁锂合金主要有2 大系列4 个小系列。 1 2 2 1m g l i 三元合金系 1 2 2 1 1m g l i a 1 系【3 9 】 此系合金研究得相对较多。j a c k s o n 等首先研究了不同“含量( 4 1 1 ) 挤压材的力学性能，表明相同“含量，随a l 含量增加强度提高，延伸率下降； 相同a l 含量，随“含量增加，强度下降，延伸率上升。“含量增加，力学性 能稳定性提高。b u c k 把注意力集中在相区，其研究表明：m g l i a i 合金具 有较高的强度，经热处理可强化，但高强度总是与极端脆性相伴，并且在低温 ( 8 2 ) 下高强度缺乏稳定性。f r o s t 等也表明了此合金在6 6 和9 3 的温度 下很快过时效。实验还表明，工业合金l a l 4 1 a 在室温下还会发生相的分解， 可见此合金稳定性很差。 另外，从x 射线和相图研究分析时效硬化机理和力学性能不稳定的原因表 明：m g l i ：a 1 为不稳定强化相，在低温下力学性能稳定性差与强化相分解为稳 第1 章绪论 定相a 1 l i 有关。m c d o n a l d 研究了低a l 含量时析出相与时问、温度的关系，指 出在9 5 和1 5 0 。c 之间，平衡相a 1 l i 析出遵守a r r h e n i u s 方程，具有 4 1 8 6 8 4 6 0 5 5 k j m o l 的激活能。a l a m o 等研究了m g 一1 i 2 l i 一0 9 a 1 合盒的结果表 明，相的反应机理如下： p 一+ 口( m g l i 2 a 1 ) + 口 室温 肛+ 0 ( m g l i 2 a 1 ) + a l l i + a 2 0 0 。c 并指出a 1 含量小于o7 时，a 1 l i 相仍为稳定结构。 1 ，2 2 1 2m e l i z n 系 3 9 1 该系合金中，“和z n 含量对性能的影响基本上与m g l i a 1 系相类似，但 强度更高，脆性较小。由于z n 的密度( 6 5 9 c m 3 ) 比a l 的密度( 27 9 c m 3 ) 大， 所以相同百分含量时，含z n 比含a 1 合金的密度稍大。m g ：l i 为8 8 ：1 2 ( 质 量比) 的合金添加1 2 0 z n ，密度为1 4 6 1 7 3 9 c m 3 。f r o s t 等对相区不含 z n 的合金的淬火、时效的研究结果表明，随z n 含量增加，硬化程度增加，达 到峰硬度所需时间缩短，并指出9 5 m g l i 一7 a 1 一s n 和9 m g l i a 1 一z n 两种合金在 9 3 。c 下高强度的稳定性接近工业镁合金。j o n e s 对m g l i 合金口相区不同z n 含量合金的铸态和冷、热轧材的力学性能进行研究，又对有较高强度的m g l i ( 以8 8 ：1 2 ) 一7 5 z n 合金的稳定性改善作了探索。为从相关系上明确时效和稳 定性等问题，w e i n b e r g 测试了4 0 0 c 、3 0 0 。0 、2 0 0 和1 0 0 。c 下的等温截面图， 指出在低z n 情况下有图1 4 的垂直截面图。可见根据组成不同有两种相反应关 系： p o j r0 一( m g l i 2 z n ) 6 _ 口( m g ) + + 0 c l a r k 等对m g 一1 9 5 l i - 1 8 7 2 z n ( 质量分数) 用d e b y e s c h e r r e r 法研究了相关 系，表明0 ( m g l i 2 z n ) 分解产生l i z n 相，并有如下取向关系： ( 1 0 0 ) 口| | ( 1 0 0 ) m g l i 2 z ni i ( 1 0 0 ) l i z n 【1 0 0 】剐【1 0 0 m g l i 2 z n 1 0 0 】u z n 山本厚之对m g 一1 l “一l o z n 合金首次用透射电镜( t e m ) 方法研究了相的变 化，淬火后时效的相析出顺序为：口0 0 ( m g l i 2 z n ) 一口一a + 臼( m g l i z n ) ， 蹦华大学硕士学位论文 稳定相为0 ( m g l i z n ) 与c l a r k 的结果不一致。口相和各析出相的方位关系为 ( 1 0 0 ) 声i i ( 1 0 0 ) 07 ， 1 0 0 卢i i 【1 0 0 臼 ( 0 0 1 ) | | ( 0 0 0 1 ) a ， 1 1 1 i i 2 1 1 0 口 5 p 鹤 艇3 1 1 0蜘簇 l o3 。 5 07 0 如 u ( 尿子分数) f i g 1 4v e r t i c a ls e c t i o np l a n ep h o t o g r a p ho f m g l i - z na l l o y s 图1 4m g l i z n 三元系垂直截面图 ( i 1 1 ) 卢1 1 ( i 1 2 ) 0 ， 1 0 0 | | 1 i 1 口 12 2 1 3m g l i a g 系例 添加a 1 、z n 等的合金在室温下不稳定，在高温时短时间内失去高强度。改 善这些合金的工作已做了很多，a g 被认为是使合金性能稳定化的最好添加元 素。对口相区含不同a g 的合金的性能作了研究，表明加a g 产生硬化，且随 加入量的增加硬化程度增大。松泽和夫在相区也得出相同的结论，并指出加 a g 合金无热处理效果；在口相区加a g ，屈服强度改善不明显。h u m e r o t h e r y 等和f r e e t h 等对m g 。l i a g 相图进行了研究。r a y n o r 等指出此系中0 相为稳定 相，结构与m g a g 相类似，不能以m g l i 2 a g 形式表示；此系合金在高温下不稳 定与0 相的结构松弛和组成分解无关。 1 2 21 4m g l i 其它2 - 7 l 金系 除以上所述之外，人们还对其它三元系合金进行了探讨。主要有m g l i c d 、 第1 章绪论 m g l i s i 、m g l i z r 、m g l i r e 等。除个别外，一般强度比较低。 1 。2 2 2 四元以上合金系 为解决三元系的稳定性问题以及进一步提高三元系合金的强度，改善高强 度下的脆性及稳定性，在三元系的基础上尝试添加各种台余元素。主要有：在 m g l i a 1 基上添加z n 、a g 、s n 、c d 、c a 、z r 、c u 等元素的四元、五元合金； 在m g l i z n 基上添加a 卧c d 、s n 、c u 等元素的四元合金；还有在m g l i c d 基上添加a g 、c d 、s n 等元素的四元合金。但是，这些尝试都未能取得令人满 意的结果。 1 2 3 合金元素在m g l i 基舍金中的作用 在m g l i 合金中的台金元素主要有三类：一是固溶度较大的元素，如a g 、 c d 、h g 、z n 、a l 、i i l 、t i 等，其中研究较多的是a l 、z n 、c d 、a g ；二是固溶 度较小的元素，如n i 、c o 、c u 、c a 、sr 、b a 、c e 、s i 、g e 、s n 、p b 、s b 、b i 等；三是固溶度很小的元素如k 、b e 、b 、c r 、m o 、w 、v 、t i 、z r 、t h 、f e 、 m n 等：一类元素的强化效果较好，但合金的组织性能稳定性较差，在室温或稍 高于室温时易产生过时效现象；二类元素的强化效果较小，但组织及性能稳定 性好。到目前为止，研究较多的是第一类元素。根据国外研究结果，各元素的 作用如下： a i 4 3 j ：铝在固态镁中有较大的固溶度，且随温度降低而显著减少。因此， 向m g l i 合金中加人铝后，可通过固溶时效处理提高m g l i 基合金强度。这是 因为铝与锂可形成l i a i 化合物，时效时l i a l 相弥散均匀沉淀于( l i ) 基体上， 引起时效强化。但锂及铝的含量对m g l i a 1 合金的时效硬化行为具有重要影响。 从m g - l i a i 合金的时效硬化曲线图中可以看出，m g - 5 l i 1 a i 合金在各种时效温 度下均未出现时效硬化现象。m g 一8 l i 一1 a 1 合金具有明显的时效硬化现象。并且 随着时效温度的提高，达到最大硬度所需要的时间缩短。具有口+ 口两相组织 的共晶型m g - 1 0 l i 一1 a i 合金，其时效硬化规律与m g 一8 l i 一1 a i 合金相似。 m g 1 6 l i 一1 m 合金在室温下出现了时效硬化现象，而时效温度高于3 3 3 k 后，却 没有出现时效硬化现象，这可能是由于该合金的熔点较低，时效硬化相发生重 _ 两华大学硕十学何论文 溶所致。从m g x l i 一1 a i 合金抗拉强度与锂含量的关系曲线得知，具有共晶型组 织的m g 8 l i 1 a 1 合金具有最高的强度。对于时效硬化型m g l i a 1 合金，经过 时效处理后，塑性都明显降低。对于锂含量较高的m g 一1 6 l i 一1 a i 合金，这种现 象更为明显【4 “。 另外，从铝含量对m g l i a 1 性能的影响图得知，m g 一8 l i x a