（材料学专业论文）mgznyzr系合金组织与性能研究.pdf

辽宁工耩技术天学大硬圭学位论文 摘要 m b 2 5 f 、m b 2 5 e 、m b 2 2 镁合金谯热锻躐热挤压过程中发生了动态再绪敲。再缭 鼯过后，合金组织细化。平均懿粒尺寸在1 0 p m 左右，部分晶粒已达到5 1 t i n 以下。 m b 2 5 一e 在3 5 0 稃结晶退火过程中部分纤维组织转变为等轴细晶组织。平均晶糨 只寸已达到5 1 a m 左右。 t 4 处理合金的塑性显著增加，但硬度有所下降。 t 5 怒理撵离了三种含金静强度与黧性。m b 2 5 - f 麓可这2 9 3 m p a ，醚b 2 5 避酶铘 可达3 5 0 m p a ，r u m 2 2 的魂可达2 7 9 m p a 。 t 6 处理可摊高三种合金与塑性，尤其对合鑫的塑酸提高稷度非常明显，m b 2 5 f 的 6 达裂2 0 + 4 ，黼b 2 5 - e 鲍6 达戮2 0 2 ，2 2 豹5 达要g2 8 。 m b 2 5 e 在高温拉伸时表现出大的延伸率，在2 5 0 时6 可达9 5 ，而m b 2 2 在2 5 0 熹溢羧释拜重惩 枣率稷夸，只鸯3 1 6 。 关键词：m g - z n - z r 合盎、锻造、挤压、时效、高温挝伸 辽宁工稷技术大学太顼士举位论文 i i a b s t r a c 乏 d y r 穗m i cr c c r y s 捻l l i z a f i o no f 凇2 5 - v , m b 2 5 - e , m b 2 2m ga l l o y sw e r eo b s e r v e dd u r i n g h o te x t r u s i o no rh o tf o r g i n g a n da f t e rd r x 9 1 越1 1 5v 糙砖f i a e d t h ea v e r a g eg r a ms i z ei sa b o u t 1 0 a m ，a n ds o m ew e f ef r e e dl e s st h a n5 鞋搬 t h es t r u c t u r a lr e f i n e m e n to fm b 2 5 - ea l l o yw a si m p l e m e n t e db yt h e 娥a n s i t i o no f f i b r o u s - t o - c o a x i a ld u r i n gt h e r e c r y s t a t l i z a t i o na n n e a l i n ga te l e v a t e dt e m p e r a t u r eo f 3 5 0 。c ，a n d a l l e rt h a tt h ea v e r a g eg r a i 琏s i z ew a sa b o u t5 t t m i ： d u r i n gt h et 4t r e a t m e n t , t h ep l a s t i c i t yi n c r e a s e sg r e a t l yb u t t h es t r e n g t hd e c r e a s e s + t h es t r e n g t ha n dt h ep l a s t i c i t yo ft h ef l e ca l l o y si n c r e a s e da f t e rt h et 5t r e a t m e n t , a n d 龇o f m b 2 5 - f , m b 2 5 - e a n d m b 2 2 w a sr e s p e c t i v e l y u p t 0 2 9 3 m p a , 3 5 0 m p a a n d 2 7 9 m p a a f t e rt 6t r e a t m e n t t h es l e i 啦a i i dt h ep l a s t i c i t yo ft h et h r e ea 鞋o y sw e r ei n c r e a s e d m a r k e d l y , e s p e c i a l l yo ft h ep l a s t i c i t y a n dt h e 卷o ft h em b 2 5 - f , m b 2 5 - ea n dm b 2 2w a s r e s p e c t i v e l yu pt o2 0 。4 黼，2 0 2 a n d2 8 。、 d u r i n gt h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r et e n s i l e , t h eso fm b 2 5 - er e p r e s e n t e dh i g h l ya n dc o u l d 酶翠站钙懿2 5 0 c , b u t t h e 鑫o f m b 2 2 w a s o n l y u p t 0 3 1 戳。 k e yw o r d s ：m g - z a - y - z ra l l o y , 轴峨略e x 妊u s i o n ，a # a g , e l e v a t e dt e m p e r a t u r et e n s i l e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 随着世界经济的发展，环境问题和能源问题已成为人们关注的焦点。 材料作为2 1 世纪的支柱已显示出5 个方面的变化趋势：即从黑色金属向 有色金属变化，从金属材料向非金属材料变化，从结构材料向功能材料变 化，从多维材料向低维材料变化，从单一材料向复合材料变化【1 】。镁及镁 合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削 加工，易回收等一系列优点，镁的这些优点使其被誉为“2 1 世纪重要的绿 色工程金属结构材料”，并将成为2 1 世纪重要的商用轻质结构材料，在汽 车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域具有极其重要的 应用价值和广阔的应用前景2 3 】。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁 以其资源丰富日益受到重视，特别是结构轻量化技术及环保问题的需求更 加刺激了镁工业的发展。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热 点 4 1 。 目前，美、日一些发达国家相继出台了各自的镁研究计划，以加强镁 合金的研究、开发及应用。而我国是镁的资源大国、生产大国和出口大国， 但在镁合金的研究、开发及应用方面严重滞后于发达国家。、近期我国已将 有关镁及镁合金的开发、应用与产业化列入国家十五科技攻关项目及8 6 3 计划。这显示我国镁及镁合金的研究、开发已进入一个新的发展时期舻l 。 镁属于密排六方结构金属，常温下塑性变形能力差，很难加工成板、 带、棒及其它型材，因此目前使用的镁合金中，铸造镁合金产品的用量远 大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高的强度，更好的延展 性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此， 研究和开发变形镁合金，有着未来更长远的发展趋势。 1 2 镁及镁合金的特点 1 2 1 镁及镁合金的特点 镁合金是迄今为止在工程应用中最轻的金属结构材料f 6 】。镁于1 7 7 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 年就被发现，并以希腊古城m a g n e s i a 命名。在1 8 8 6 年，德国就开始生产 镁。镁的研究与应用已有二百多年的历史。 镁：元素符号m g ，原子序数1 2 ，属a 族碱土金属。镁有三种同位 素，即7 8 9 9 “m g 、l o 0 0 2 5 m g 和1 1 0 1 2 6 m g 。镁的相对原子量为 2 4 3 0 5 0 。标准大气压下纯镁为密排六方结构f h c p ) 。镁的物理化学性能【7 1 8 j 见表卜1 。 表1 1纯镁的物理化学性质 t a b l e 1 1 p h y s i c a lc h e m i c a lp r o p e r t i e so fp u r em a g n e s i u m 注：表中未注明温度的项目均指室温2 5 ( 2 标准大气压下纯镁的晶体结构为密排六方，镁单胞内沿主要晶面和晶 轴方向的原子排布i s 如图1 。l 中所示。在镁晶胞中镁晶格常数的理论估计 值为，a = o 3 2 09 n m ，c = o 5 2 1l n m ，c a = 1 6 2 36 ，与理论值1 6 33 十分 接近，这表明镁晶格几乎是理想的紧密堆积。 呻 图1 1 金属镁的晶体结构 辽宁工程技术大学疆士学位论文 ( a ) 原予位置( b ) 基面、表面和弱两个晶丽( c ) 几个基本晶面( d ) 基本晶向 f i g 1 1 u n i tc e l lc r y s t a ld f m a g n e s i u m ( a ) - - a t o m i cp o s i t i o n s ；( b ) - - b a s a l p l a n e ，a f a c e p l a n e a n d p r i n c i p a l p t a n e s o f 【1 2 1 0 z o n e ；( c ) - - p r i n c i p a lp l a n e so f 【1 - 1 0 0 z o n e ；( d ) - - p r i n c i p a ld i r e c t i o n s 就滑移系统而言，具有面心立方结构的铝或锅合金有1 2 个几何滑移 系和5 个独立滑移系，胃_ | 【满足协调变形的要求；而镁哭有基面滑移和锥 面孪生，共5 个滑移系，邵3 个几傍澹移系和2 令独立滑移系，这是造成 茭塑性变形困难的主要原因【9 】。由于是体发生塑性变形对淤移蕊总怒原予 排列最密蕊，瓶滑移方向总是沿原予排列最密方向，因此多晶密排六方结 构的镁，其塑性变形在低于4 9 8 k 时，仅限于程基面 0 0 0 1 ) 滑移， 及锥面( 1 0 1 2 ) 孪生【8 】。高于4 9 8 k 时滑移可以在( 1 0 1 1 ) 上进行。当较高温度下( 大于4 9 8 k ) ，由于晶体中( 1 0 - 1 1 ) ( n 2 0 ) 滑移可 以出现，从而使镁在高温下的塑性变形能力增加璩l 。此外由于密挥六方晶 体各原子密排程度常蘧辘比c a 壤变化雨交化，嚣此在镁中鸯拜入班，l n ， a g 等元素可以使轴比降到1 6 1 8 ，从两激话了棱柱滑移系 1 0 1 0 ) ， 使镁会金在较低的温度下也具有好的延展性 1 1 1 。故可用两种方法提高镁合 金的塑性变形能力。一是提高形变温度，使新滑移系开动；二是通过动态 再结晶及超塑性d 2 i 。 镁的拉伸屈服强度和压缩屈服强度不同，0 压：o 拉= 0 5 o 7 ，即拉 伸和送缩时的滑移系统或诲调变形的机构数囊各不框弼。拉伸时只裔基磷 0 0 0 1 ) 参与滑移，弼压缩时除基西敦终，其锥露( 1 0 f 2 也参加孪生变形。此外，镁不产生宏观屈服。一般情况下郝是j e 常大的晶粒的基面 0 0 0 1 产生局部的穿晶断裂。 同时值得注意的是晶粒细化改善镁合金屈服强度与延展性的巨大的 作用与潜力。晶粒细化w 以作为改善多晶镁合金变形结构特征，提高合金 僬能的主要途径之一【1 3 舯。晶粒愈细小，愈难造成裂纹的形成和开裂所 需的应力集中，而怠裂纹在各个不同取向晶歉蠢传播也更困难。 另外黠粒纲佬裂一定程度可以保证多晶镁会金具有延展性转变能力， 纯镁的晶粒细化到8 1 a m 以下时，其脆性塑性转变温度可以降到室温f ”】。 蓿采用适当合会化及快速凝固工艺将晶粒细化到1 扯m 时，甚至在室温下镁 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 合金亦具有超塑性，其延伸率可达1 0 0 0 。 由此可见晶粒细化是提高镁及合金的强度和韧性的一举两得的有效 方法之一。根据h a l l p e t c h 公式【17 】： o = o o + k d l ，2 式中6 为多晶体屈服强度，o o 是位错在晶体中运动的总阻力，大体相 当于单晶体强度，d 为晶体中的各晶粒的平均直径，k 为晶界对强度影响 程度的常数，与晶体结构有关，与温度关系不大。由于镁的k 值较一般的 金属( 如铝) 的值要大，故它的晶粒细化效果更加的明显【1 8 】。 变形镁合金就是典型利用晶粒细化工艺获得细小晶粒，来调整材料的 组织和性能，获得变形性能优异材料的镁合金。 1 2 2 镁及镁合金的性能特点 镁的熔点为9 2 3 k ，纯镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，镁合金的密度为1 7 5 - 1 9 0 g c m 3 ，比铝合金轻3 6 ，比锌合金轻7 3 ，比钢轻7 7 f 1 9 2 0 2 1 1 。因而其 比强度和比刚度较高：具有良好的切削加工性能和铸造性能；高纯镁合金 还具有优良的耐腐蚀性能；另外还具有优良的阻尼性、电磁屏蔽性等性能 【22 1 。 镁及镁合金的性能特点2 3 2 4 2 5 】如下： ( 1 ) 因其低的密度，采用镁合金可以减轻结构重量，降低能源消耗， 减少污染排放，增大运输机械的载重量和速度。 ( 2 ) 镁在碱性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。镁的化学活性 很强，在空气中易氧化，且生成的氧化膜疏松，所以镁合金必须在专门的 熔剂覆盖下或保护气氛中熔炼，加工车间和制粉车间要特别注意防火。 ( 3 ) 比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同，用镁合金制造 刚性好的整体构件，十分有利。镁合金的焊接性能和抗疲劳性能也不错。 另外，镁合金还具有传热性好及电磁屏蔽性好的特点，这是镁合金能够应 用于电子产品的重要原因。 ( 4 ) 有高的振动阻尼容量，即高的减振性、低惯性。由于镁合金对 振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另外， 冲击能量吸收好，比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后，能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 吸收冲击能量而不会产生断裂。 ( 5 ) 在高温和常温下都具有较好的塑性，因此可用压力加工的方法 获得各种规格的棒材、管材、型材、锻件、模锻件和板材以及压铸件、冲 压件和粉材等。 ( 6 ) 具有优良的切削加工性能。镁合金比其它金属的切削阻力小， 在机械加工时，可以用较快的速度加工，且加工尺寸精度高。 ( 7 ) 镁在铸造工艺方面具有较大的适应性，几乎用所有的特种铸造 工艺都可以铸造。 ( 8 ) 镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性 能，而塑料很难在不降低其机械性能的情况下再生使用。镁台金与其它金 属相比，熔点低，比热小，在再生熔解时所消耗的能源是新材料制造所消 耗能源的4 。 正是由于上述镁合金的优点，使得镁合金被广泛地应用于体育器材、 机械、电子、交通、仪表及航天航空等领域 2 6 1 。 1 3 镁合金的分类 1 3 1 镁合金成分与牌号的标记方法 表l - 2 镁合金牌号中的元素代码 t a b l e 1 - 2e l e m e n td e s i g n a t i o n sf o rm ga l l o y s 由于各国标准不同，合金体系略有不同，镁合金的标记也有多种，但 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 人们习惯于采用美国a s t m 镁合金命名法来对镁合金编号，目前国际上尚 没有统一的镁合金编号体系。a s t m 命名法规定镁合金名称由字母一数字- 字母三部分组成。第一部分由两种主要合金元素的代码组成，按含量高低 顺序排列，元素代码 2 7 1 见表1 2 。第二部分由这两种元素的质量分数组成， 按元素代码顺序排列。第三部分由指定的字母如a 、b 和c 组成，表示合 金发展的不同阶段。大多数情况下，该字母表征合金的纯度，区分具有相 同名称、不同化学组成的合金。 1 3 2 镁合金的分类 一般来说镁合金的分类依据有三种：合金化学成分、成型工艺和是否 含锆。按化学成分，镁合金主要划分为m g - a 1 、m g - m n 、m g - z n 、m g r e 、 m g z r 、m g - t h 、m g - a g 和m g l i 等二元系，以及m g a i z n 、m g a 1 - m n 、 m g m n c e 、m g r e z r 、m g z n z r 等三元系及其它多组元系镁合金1 2 u ；按 成型工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性 能上存在很大差异。铝、锆是镁合金中的主要合金化元素，根据是否含铝， 镁合金可划分为含铝镁合金和无铝镁合金。同时镁合金也可根据是否含锆 划分为含锆镁合金和无锆镁合金f 7 7 1 。本文所采用的分类根据是镁合金的 成型工艺。根据镁合金的成型工艺，镁合金可以分为铸造镁合金、变形镁 合金及其它新型镁合金。 ( 1 ) 铸造镁合金 目前使用最多的镁合金就是铸造镁合金。镁合金的铸造方法主要有砂 型铸造、金属型铸造、挤压铸造和熔模铸造等。铸造镁合金主要应用于汽 车零件、机件壳罩和电气构件等。铸造镁合金多用压铸工艺生产，其主要 工艺特点为生产效率高、精度高、铸件质量好、铸态组织优良等。近年来， 铸造领域中，一些新的生产工艺和技术，如压力铸造( d i ec a s t i n g ) ，半固 态成型( s e m i s o l i df o r m i n g ) 【2 8 1 技术以及t h i x om o l d i n g 专利技术，都被 用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的进展。 压铸镁合金主要是m g a 1 系合金 2 8 1 ，用a l 合金化使这些合金强化并 具有好的铸造性能，在此基础上加s i ，r e ，c a ，s r 改善高温性能，a z 9 1 是最常用的镁合金，具有良好的铸造性能与最高的屈服强度，但是远未达 逆宁工程技术大学硬士学位论交 7 到最佳状态。 ( 2 ) 变形镁合金 虽然目前铸造镁合金的糟量远远大子变形镁合金，但经过变形雁的镁 会金能够减少缀织缺陷，获得更细、更均匀的组织。与铸造产蒹相魄，交 形镁合金产晶基有更高豹强度和延展性以及更多榉化约力学性熊等特点。 图l 一2 为交形镁舍金与其它材料的性能比较。 图1 2 变形镁合金与铸造镁合金及其它材料的性能比较”】 f i g 1 2p r o p e r t i e sc o m p a r eo fm a g n e s i u mw r o u g ha l i o y sw i t ho t h e rm a t e r i a l s 从图中可以看出，变形镁合金的强度和塑性都普遍优于铸造镁合金， 而变形镁合金的比强度也优于其它金属材料如铝合金，钢材等。 在变形镁合金中，常用的合金系是m g a l 系与m g z n - z r 系。：m g a i 系变形台金一般属于中等强度，璧性较高的变形镁合金，铝含量约为 0 - 8 ，典趟的含金为a z 3 l ，a z 6 l 和a z 8 0 会金，出予m g 。a 1 合金具有良 好的强度，塑牲和耐腐蚀综合性能，而且价格较低，因此是最常用的合金 系列。m g z n z r 系变形镁合金一般属于高强度材料，变形能力不如m g a 1 系合金，常要用挤压工艺生产，典型合金z k 6 0 合金3 0 1 。 镁合金的变形方式主要有挤压、轧制和锻造，由于镁合金通常为密排 六方结构，常温下变形非常困难，为了得到较大交形量而不产生裂纹，镁 合金的变形通常采掰热鸯工。为了使镁舍金能够大量用作结构材料，开展 交形镁合盒款研制非常必要。 ( 3 ) 其它额型镁合金 其它新型镁合金有快速凝固镁合金 a t 】、镁基非晶合金、镁基复合材料、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 镁合金生物材料等。这些新型镁合金在生产应用和日常生活中具有重要的 地位。 1 4 镁合金的应用现状 因为镁合金的众多优点，已经广泛应用于汽车、通信、电子、电器、 航空、航天、国防及军事装备、交通、冶金、化学、化工等行业，被誉为 “2 1 世纪的绿色工程材料”【32 1 。 虽然镁从发现至今已有近两百年的历史，但镁工业的发展速度比较缓 慢，正如著名材料专家c a h n 3 3 1 所指出的，“在材料领域中还没有任何材料 象镁那样存在潜力与现实如此大的颠倒”。尽管两次世界大战( 特别是二战) 一度刺激了镁工业的发展，战时镁产量的增长速率非常高，然而战后又处 于停顿和倒退状态。如1 9 0 0 年镁产量仅有1 0 吨，在一战的第一年也不过 3 5 0 吨，而在1 9 1 8 年即一战的最后一年，其产量猛增到30 0 0 吨，1 9 2 0 年 又回落到3 3 0 吨，二战开始的1 9 3 9 年，镁的产量达到3 20 0 0 吨，1 9 4 4 年 更是高达2 2 80 0 0 吨，但是战后很快降为每年约1 00 0 0 吨的消费水平。而 朝鲜战争期间，镁的年产量又升至1 1 00 0 0 吨。这从一方面说明了镁在军 工中的广泛应用。镁合金在军事中主要用于飞机零部件及弹药壳体【3 3 4 1 。 到2 0 世纪6 0 年代，镁合金在汽车和交通领域的应用已逐渐引起人们 的重视，但成为真正实用性的工程材料，则是在2 0 世纪8 0 年代之后。2 0 世纪9 0 年代以来，汽车工业出于节能和环保的考虑，对镁及其合金的需 求呈现出快速、稳步上升韵趋势。由于在镁合金的制备、加工成型技术方 面取得了一系列突破，镁合金的生产成本不断降低，使用性能不断提高， 大大促进了镁合金在汽车、电子、通讯、家电等众多行业领域的应用3 5 1 。 1 9 9 9 年全世界原镁的产量约为4 3 万吨，2 0 0 4 年达6 1 7 万吨，预计今后十 年中每年的增长量至少为7 ，这说明了镁在国民经济中得到了越来越广 泛应用。 原镁的年产量虽然超过6 0 万吨，但用于镁合金的生产只占其中的一小 部分。图1 3 为1 9 9 2 年和2 0 0 l 3 6 1 年世界原镁的消费数据。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 l 伽蓉列影蝴费数据铷o l 军漂生埙滔嚣致鸯 图1 3 世界原镁的使用 f i g 1 3 g l o b a lc o n s u m p t i o no fp r i m a r ym a g n e s i u mb yu s a g es e c t o r 1 9 9 2 年原镁产量为2 5 7 万吨，其中有13 用于铸造镁合金，3 用于 变形产品，多数的原镁用于生产铝合金 3 7 1 。到2 0 0 1 年，原镁产量为3 2 9 万吨，其中近4 0 用于铸造镁合金，o 4 用于变形产品。由此可以看出， 目前镁主要还是用于合金化。镁作为最轻结构材料的优势没有真正的发挥 出来，变形镁合金的应用前景相当可观。 目前世界各国已开始重视镁合金的开发与应用，镁及镁合金已被广泛 应用在航天，航空：国防，军工，交通运输，电子件外壳，体育器材和办 公用品等领域，加速开发镁及镁合金已成为必然的趋势。铸造镁合金以其 自身的优点，走在镁基结构材料的前列，形成了一枝独秀的场面，熔炼技 术及铸造合金的耐蚀性得到提高导致其在汽车领域上更加广泛的应用，使 铸造镁合金迎来了一个新的飞速发展时期。变形镁合金则刚刚起步，它具 有比普通铸造镁合金及压铸镁合金更好的力学性能及优良的耐蚀性能，将 具有更好的科研开发应用前景。 无论是在国内还是在国外，镁的应用主要集中在铝合金生产、压铸生 产、炼钢脱硫三大领域，还用在稀土合金、金属还原及其它领域。随着对 镁合金的进一步深入研究以及镁合金越来越广泛的应用，人们对镁合金的 性能和品种提出了更高和更多的要求。根据目前镁合金的应用及发展趋 势，德国的b l m o r d i k e 提出了不同性能要求的镁合金发展方向 3 6 1 ，见 图1 4 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 图1 4 镁合金的发展方向 f i g 1 4m a g n e s i u ma l l o yd e v e l o p m e n t 世界各国高度重视镁合金的研究与开发，美国、德国、日本和澳大利 亚等发达国家相继出台了各自的镁研究计划，将镁资源作为2 1 世纪重要 的战略物质，应用于汽车、计算机、通讯及航空航天等领域的开发研究， 并取得了很多成果。如美国以汽车行业为龙头开拓了镁合金的应用，福特、 通用和克莱斯勒等公司一直致力于新型镁合金离合器壳体、转向框架、制 动器、变速箱体等汽车部件的开发与应用【3 8 3 9 1 。 我国虽然是世界镁资源大国，原镁产量位居世界首位，但多数作为初 级原料低价出口，镁合金的应用开发严重滞后，为把我国的镁资源优势转 化为经济优势，2 0 0 0 年3 月“镁合金开发应用及产业化”被歹入“十五” 国家科技部重大项目。目前全国已有多所高校、研究所及企业参加了镁合 金项目的研究，己初步建立了从镁合金前沿高科技研发到产业化技术开发 的研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术：组建了十余家 有关镁合金及其制品的股份制公司，建立了一批产业化基地。目前中国镁 合金发展战略研究和镁合金标准体系建设工作已经启动，并完成一批标准 的制定。因此镁合金的研究与应用在我国已进入了一个高速发展时期。 1 s变形镁合金研究现状 尽管镁的结构特征使镁合金变形材料的制备具有很大的困难，但镁合 金优异的性能以及在不同领域的特殊用途使其成为合金材料研究与开发 领域中不可或缺的一个重要组成部分，并具有先进性与挑战性。根据i m a ( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u ma s s o c i a t i o n i m a ) 提出的镁工业发展战略图， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 与目前较成熟的生产技术( 如常规合金的传统铸造技术) 以及一些正在发展 的技术( 如提高镁合金抗蠕变性能技术、先迸的薄壁铸造技术和触变铸造技 术1 相比，镁合金的挤压与轧制等塑性变形技术更具挑战性。与铸造工艺相 比，镁合金热变形f 如挤压、轧制、锻造) 后合金的组织得到细化，铸造缺 陷消除，产品的综合机械性能大大提高，比铸造镁合金材料具有更高的强 度、更高的延展性、更多样化的力学性能。因此，变形镁合金材料有望成 为本世纪新型的高性能结构材料。 变形镁合金往往是通过挤压、锻造或轧制等变形手段以细化合金组 织，提高合金的性能。通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及 锻件产品。 研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质 量的变形镁合金产品，是i m a 在2 0 0 0 年提出的发展镁合金材料的最重要、 最具挑战性且最长远的目标和计划。 西方发达国家十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金材料己 开始向系列化发展，产品应用领域不断扩展。其中美国的变形镁合金材料 体系较为完备，开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁 基复合材料等。美国与世界上最大的镁生产企业一一挪威n o v s kh y d r o 公 司签定了长期合作关系，以保证在2 1 世纪前期镁原料和镁产品的充足稳 定的供应。日本在1 9 9 9 年由教育部、科技部、体育部和丈化部共同组织 实施了“p l a t f o r ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u ma i l o y ” 计划，着重研究镁合金的新台金、新工艺，开发超高强变形镁合金材料和 可冷压加工的镁合金板材。美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品， 如通过挤压+ 热处理后的z k 6 0 高强变形镁合金，其强度及断裂韧性可相 当于时效状态的a 1 7 0 7 5 或a 1 7 4 7 5 合金，而采用快速凝固( r s ) + 粉末冶 金( p m ) + 热挤压工艺开发的m g a i z n 系e a 5 5 r s 变形镁合金，成为迄 今报道的性能最佳的镁合金，其性能不但大大超过常规镁合金，比强度甚 至超过7 0 7 5 铝合金，且具有超塑性( 3 0 0 ，4 3 6 ) ，腐蚀速率与2 0 2 4 一t 6 铝合金相当，还可同时加人s i c p 等增强相，成为先进镁合金材料的典范。 日本1 9 9 9 年开发出超高强度的m g y 系变形镁合金材料，以及可以冷压加 辽宁工程技术大学硕士学位论文 工的镁合金板材。英国开发出m g a 1 一b 挤压镁合金，用于m a g n o x 核反应 堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具优良力学性能和 耐蚀性能的变形镁合金，法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极 薄板材料。 因为本文主要研究的是m g z n y - z r 系合金，故只着重介绍该系合金。 m 卫z n 系合金容易产生晶粒长大，z r 具有细化晶粒作用【40 1 ，是铸态 m g z n 合金中最有效的晶粒细化元素，由此发展了m g z n z r 系合金。由 m g z r 合金相图( 图3 - 5 ) 可知，合金凝固时z r 首先以n z r 质点的形式析出， 在6 5 4 发生包晶反应：l + z r a m g o - m g 包在d z r 质点的外部形 成包晶组织，由于两者均为六方晶型，晶格常数很接近，因此，n - z r 便 成了n m g 的结晶核心，使镁合金细化。 m g z n z r 系合金都可队通过时效处理来强化【叭】，其中的主要强化元 素是z n 们j 。m g z n z r 合金随着z n 含量的增加，结晶温度区间变宽，热 裂倾向增大，焊接性能变差，因此一般不宜用于制作形状复杂的铸件和焊 接结构 4 3 】。 按a s t m 标准m g z n z r 会金主要z k 2 l a 、z k 3 1 、z k 4 0 a 、z k 6 0 a 、 z k 5 1 a 和z k 6 1 等。我国目前只有m b l 5 一个合金牌号，是工业变形镁合 金中对比度最高、综合性能最好、应用广泛的结构合金。在国外，挤压态 z k 4 0 a 和z k 6 0 a 最为常用f 4 4 4 ”。 在m g z n z r 合金中添加稀土元素后，镁合金在凝固过程中将在晶界 处形成化合物相，改善铸件组织，显著提高合金的铸造性能。但是这些化 合物十分稳定，在后续的固溶处理中难以溶解，对铸件力学性能无明显影 响。值得注意的是，添加稀土元素将导致合金强度和塑性下降，主要表现 是在固溶处理过程中，氢扩散到合金基体中，与化合物相中的稀土元素反 应生成弥散分布的稀土氢化物，化合物中的锌被释放出来，重新固溶到基 体中，从而强化合金l 7 1 。 钇在镁中的固溶度较高( 1 2 4 m a s s ) 。钇在镁合金中有细化晶粒作用， 改善高温抗拉 4 5 1 及蠕变性能，改善腐蚀行为【4 6 47 1 。 辽宁工程技术文学硕士学位论文1 3 在熔炼合金过程中，由于高熔点合金元素钇豹加入，使褥液相凝固成 固捅过程中，得到了更多的凝结核，从而使合金的金糨组织得到了纲化， 晶粒度变小。晶粒组织细化后，导致鑫界表瑟积增颜。在磊界翱体积不变 盼情况下，菇界只得变窄。在m g z n z r 合金中，含金主要生成耀为m g z n 和m g z n 2 ，其余还有少曩的z r z n 相。毽会金潮入钇后，会金中除了有上 述栩生成外，还有大麓的y - z n 攘和m g y 相生成。由于大量豹y - z n 和 m g y 楣生成，使得生成m g z n 和m g z n 2 相的几率和它们长大的几率交小， 因此含钇合金豹析国相变得更多，受弥数、更细小【4 9 5 0 1 。 另外一些专家展示了研究m g z n y 会金的成果。p a r k 。e s 等报道 m g 一2 3 z u 3 8 y 根据纳米檑的体积分数两定，室温屈服强度从1 5 0 m p a 到4 5 0 m p a ；d h b a e 报道m g 0 7 z n 一4 3 y ( a t ) ，轧麓屠退火态展现出 2 2 0 m p a 的屈服强度，3 7 0 m p a 的麟裂强度，延伸率1 7 。5 t 5 1 】。 薹6 镁含金的塑性翔工技术 近期对变形镁会金的开发，国内外绘予了很大的錾褫，合金向系列化 发展。各工业发达强家都建立了自己的合金系列，如农美窝主要变形镁会 金有m g - a i - z n 的a z 3 1 和a z 6 i ，m g z n z r 系的z k 6 1 和z k 6 0 。，变形镁 合金可以轧制成薄板、厚扳，挤压成捧材、管材、黧材，加工成锻件，性 能在加工成型中不断提高【6 j 。 镁会金常潺下容易脆裂，难以遴行黧性成形搬工，2 0 0 以上时蹩性 明翅提高，2 2 5 以上豺塑性提高更大，所以镁会金寰在2 0 0 1 2 以上成形f 5 期。 ( 1 ) 按压成形( e x t r u s i o n ) 利用水压极可以将镁及镁会金滠挤压或热挤压成捧、管和其它多种截 瓣形状的型材。与销鞠铝一样，镁会金挤压成型王艺优予轧制。挤压具有 细化晶粒作用，同时熊提高材料的强度和惩性。晶粒尺寸随挤藤温度的降 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 低而减小。例如z k 6 0 合金经过4 2 3 k 挤压后抗拉强度上升到5 0 0 m p a 以上， 这可归因于晶粒细化效果。a m 6 0 、a z 9 1 、z k 6 0 和z k 6 1 等镁合金热挤压 件的性能明显优于铸锭，且伸长率高达1 0 以上 5 3 】。k a w a m u r a 等通过快 凝金属粉末中温挤压获得了一种纳米结构块体金属m g 1 z n - 2 y ( a t ) 。 室温下，其o 2 屈服强度高达6 0 0 m p a ，并有5 的延伸率。 由于镁是密排六方结构，低于2 2 5 时，塑性变形限于基面 o 0 0 1 ) 滑移及锥面 1 0 一1 2 ) 孪生，高温下可激活棱柱滑移面 1 0 1 0 ) ，使镁更具延展性，易于塑性变形。所以镁及镁合金的挤 压加工，通常都是在高温下进行的，特别是在动态再结晶温度以上进行的 1 5 4 。镁合金的典型挤压温度为5 7 3 - - 7 2 3 k 之间，同时合理的挤压温度的选 择还和特定的合金牌号和挤压形状有关。 一般镁合金挤压截面收缩比范围在1 0 ：1 1 0 0 ：1 之间。可以通过调 节挤压温度来适应不同挤压比的要求。当挤压温度一定时，形变量越大， 发生静态再结晶所需停留时间越短。停留时间越长，发生静态再结晶所需 形变量越小。另外，停留温度越高越有利于静态再结晶【55 1 。 镁合金的挤压工艺和设备与其它金属的类似，包括正向挤压与反向挤 压。正向挤压采用直接或者间接挤压的方法将工件推过模具型腔；反向挤 压，是使工件穿过模具冲头的外部而成形。图1 - 5 为直接挤压成形工艺用 的主要组件。 挤堪| 茧f 盖簏蔓 气蹲一 辑挂缝科 图1 - 5直接挤压成形工艺用的主要组件 f i g 1 5 s c h e m eo fm ga l l o ye x t r u s i o n 挤压法生产的零件，其力学性能较压铸法生产的要高得多，而且表面 光洁，无需再经打磨，可用于汽车承载件如坐架、底盘框【5 6 1 。 ( 2 ) 等通道角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 细化晶粒是提高金属材料综合力学性能的有效途径。镁合金具有较大 的h a l l 。p e t c h 关系的k 系数，通过晶粒细化，不仅能提高加工的塑性，而 且能提高其强度等，从而获得更多的优良性能。所以镁合金的晶粒细化工 艺具有非常重要的意义。为了得到超细小 晶粒，最近几年发展起来的严重塑性变形 ( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 工艺 作为有效的晶粒细化手段之被应用到 镁合金的加工中来。强烈塑性变形法是在 相对较低的温度下对材料施加较大塑性 变形，使材料组织细化并最终获得超细晶 粒。由于其工艺简单，成本低，所以引起 人们关注【57 1 。目前比较普遍的s p d 工艺 方法主要包括球磨法( m e c h a n i c a lm i l l i n g ， m m ) ，累积轧制法( a c c u m u l a t i v e r o l l - b o n d i n g ，a r b ) ，等通道角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ，e c a e ) 法和高压旋扭( h i g hp r e s s u r et o r s i o n ，h p t ) 法。 等通道角挤压法( e c a e ) 是近年来兴起的一种细化合金组织的方法。它 的优点是材料经e c a e 处理后外形不变，细化效果很好，只须几次处理即 可细化晶粒至1 p m 左右，而且它的原理很简单，类似于常规挤压法，同样 变形温度越低，细化效果越好，所不同的是e c a e 的变形为剪切变形。近 年来e c a e 得到了越来越广泛的应用。 目前为止，e c a e 工艺的主要研究和应用的领域有以下几个方面： ( 1 ) 提高材料的塑性得到超塑性材料 5 s l 。主要是得到材料的低温超 塑性，一般材料的超塑性是在较高温度下得到的，通过e c a e 可以降低得 到超塑性的工作温度。 ( 2 ) 提高材料的强度及低温韧性。 ( 3 ) 细化金属间化合物的晶粒，提高材料的低温韧性，从而扩大材 料的可应用性。 m m a b u c h i 等人研究了铸态镁合金a z 9 l 经等通道角挤压处理后的超 辽宁工程技术大学硕士学位论文 塑性性能，所得镁合金的晶粒为o 5 9 m ，基本都是细小等轴晶粒，在 7 x 1 0 一5 s 1 及2 0 0 c 下最大伸长率为9 5 6 5 9 】。 ( 3 ) 锻造成形( f o r g e d l 镁合金锻造性能取决于3 个因素：合金的凝固温度、变形速率及晶粒 大小。锻造温度取决于锻造压力和锻造合金的种类，通常镁合金的锻造温 度在其固相线以下5 5 左右。大多数镁合金可以在5 6 3 6 5 8 k 范围内进行 锻造，但高锌的z k 6 0 合金除外【5 3 1 。 在锻造温度下，a z 3 1 b 、a z 6 1 a 和a z 8 0 a 等合金的晶粒快速长大， 因此通常在逐步降低的温度下进行锻造以细化晶粒。一般每一步锻造操作 后将温度降低l5 - 2 0 k 。影响镁合金锻件力学性能的因素很多，主要包括 变形程度、终锻温度及变形方式等。 常用的锻造镁合金有m g a i z n 系和m g z n z r 系，及某些对高温强度 有特别要求的工件采用含有y 和稀土元素的w e 系列镁合金。 镁合金锻件替代铝合金作为汽车轮毂是镁合金的重要应用。与其它材 质轮毂相比，镁合金锻件具有质量轻、抗疲劳性能好和耐冲击等优点。 ( 4 ) 轧制( r o l l i n g ) 镁合金在室温下塑性很低，轧制加工比较困难，因此用热轧与温轧。 温度是镁合金轧制过程中最重要的工艺参数。低温轧制时，高的应力集中 可导致孪晶形核和切变断裂；轧制温度过高时，晶粒容易长大而使板材热 裂倾向增大。镁合金轧制时的温度范围一般为4 9 8 7 2 3 k ，在此温度区间 和中等应变速率( o 3 s 1 ) 下，易发生动态再结晶而使轧制性能得到明显改 善。 适于轧制的镁合金牌号有m g m n 系的m b l 、m b 8 ，m g a i z n 系的 a z 3 l b ，以及m g l i 系的l a l 4 1 。经轧制的m b l 5 镁合金，晶粒尺寸已达 到1 0 u m 以下，最大延伸率可达3 0 0 以上【6 们，轧制态a z 9 1 镁合金最大延 伸率达到4 5 5 0 5 e 6 。这说明轧制可以细化材料组织，提高材料的超塑性 能力。 轧制镁合金可以生产厚板、中板和薄板。镁合金薄板用于制造汽车车 体组件之外板( 如车门、罩盖、护板、顶板等) ，可大大减轻质量。但目前 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 镁合金板材在耐腐蚀性能方面尚存在一些问题，还有待开发研究，这方面 的工作是很有意义的。 ( 5 ) 二次成形 镁合金的二次成形工艺有弯盐、深拉延、旋压、橡皮板成形、拉延成 形等，其中深拉延最为重要。 1 7课题背景与本文研究内容 变形镁合金在镁合金产量中所占比例很小，而其强度和塑性均高于目 前常用的铸造镁合金，开展变形镁合金的研究有利于扩大镁合金在各行业 中的应用范围。我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少 高性能镁合金板、棒和型材，国防军工、航空航天所用高性能镁合金材料 仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发，因此，研究和开发性能优良、 规格多样的变形镁合金材料仍显得十分重要。 本文所研究的三种材料为变形镁合金中的m g z n - y - z r 系中的m b 2 5 、 m b 2 2 ，并通过锻造、挤压来提高材料的性能。 本文的研究内容如下： ( 1 ) 变形镁合金m b 2 5 f 、m b 2 5 e 、m b 2 2 的组织 ( 2 ) 三种变形镁合金的热处理工艺 ( 3 ) 三种变形镁合金的力学性能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 材料制备与研究方法 2 1合金熔炼 本文工作采用的材料为镁合金m g z n - y - z r 系中的m b 2 5 一f 、m b 2 5 一e 和m b 2 2 合金。 m g z n y - z r 系合金是在m g - z n - z r 系合金的基础上加入稀土y 后制成 的新型镁合金。早在七十年代我国就开始研究变形镁合金，但由于变形设 备落后，材料并没有获得优良的性能。近年来国外众多研究机构在变形镁 合金中取得了巨大的成果，材料的抗