（材料加工工程专业论文）微量sr对az80变形镁合金组织及性能的影响.pdf

摘要 摘要 镁合金作为一种轻质工程材料，具有比重轻、高比强度、高比刚度，以及良好的 铸造性能、良好的电磁屏蔽能力和易于再生利用等系列独特的优点，其结构件在 汽车、飞机、计算机及通讯等设备上获得了日益广泛的应用，因此镁合金被认为是 2 1 世纪最具发展潜力的和前途的材料。但是镁合金是密排六方结构，滑移系少，变 形困难。镁合金除了铸造外，很少有效的方法可以利用，镁合金应用受到限制，为 了克服上述缺点，充分挖掘镁合金的潜力，加速开发镁合金材料对社会经济的可持 续发展有着重要的意义。 本试验利用o m 、x r d 、d s c 、s e m 、e d s 、腐蚀性能和力学性能研究了微量 s r 对a z 8 0 变形镁合金的铸态、一次挤压态和二次挤压态的组织结构和性能的影响。 研究结果表明：铸态时，台金的显微组织主要是a - m g 基体和离异共晶析出的化合 物p m g l 7 a l l 2 相组成，添加o 0 2 s r 和o 1 6 s r 的2 4 和3 4 合金中未发现存在不同于 原始a z 8 0 成分的1 8 合金组织的新相，而添加0 3 0 s r 的4 4 合金中有新的m g l 7 s 2 相生成；添加微量s r 元素，合金晶粒得到明显的细化，且随着s f 含量的增加，细 化程度不断增加，晶界上形成粗大的断续网状结构；合金中的s r 元素几乎都在晶 界上存在而m n 、z n 和a l 元素通过面分布分析也主要存在在晶界上，s r 可能以两 种形式存在于合金中，s r 一方面以固溶形式存在于合金中，影响m 9 1 7 a 1 1 2 相的形态， 作为表面活性元素细化晶粒；方面生成新的化合物相( m g ”s r 2 相) ，m g l 7 s r 2 相 是高温稳定相，提高合金的共晶温度，从而细化晶粒；含s r 的三种合金的抗拉强 度和伸长率较不含s r 的台金分别提高了2 0 2 5m p a 和4 0 1 0 0 。 次挤压茁后，合金的相组成没有发生变化，仍然以基体a m 窟和离异共晶析 出的化合物p m g t 7 a l l 2 相组成，但合金晶粒得到了不同程度的细化：组织发生了动 态再结晶，加s r 的合金再结晶较完全，组织更均匀，挤压流向不及a z 8 0 合金明显； a z 8 0 合金的组织是原始组织和动态再结晶的混合组织。合金的性能与铸态相比， 抗拉强度提高了9 0 一1 2 0 m p a ，伸长率提高2 3 5 倍；一次挤压态时，合金抗拉强度 相差不大，但是伸长率却有明显的提高。 当其他参数不变时，增加挤压比进行二次挤压，二次挤压后，合金都发生了完 全再结晶，合金的抗拉强度和伸长率相比于次挤压又有所提高，最高强度达到 摘要 3 5 0 m p a 但是伸长率变化不明显。晶粒更加细小。但是在二次挤压态下添加0 1 6 和0 3 0 s r 的合金的动态再结晶颗粒有明显的粗大现象。2 4 合金具有抗拉强度 3 5 0 m p a 和伸长率1 3 o 良好的综合性能。从挤压过程来看，在相同的时间内因含 s r 合金的伸长率较高其加工效率较高且易于加工成型，挤压表面光滑明亮。二次挤 压态时，除a z 8 0 合金的伸长率有所下降外，加s r 合金的伸长率略有提高。 通过热处理优化试验，歌得合金最佳的时效处理工艺为1 7 5 x1 6 h ；时效处理 后，合金的抗拉强度都得到明显提高，1 4 和2 “合金的抗拉强度达到了3 7 0 m p a 。但是 合金的拉伸应变有所降低；直接二次挤压后和二次挤压后又进行时效处理的断口分 析表明，合金的断口形貌以韧窝为主，有明显的撕裂棱，几乎看不到解理和准解理， 合金表现为韧性断裂。 合金耐蚀性试验结果表明含s r 量不同的2 4 ，3 8 ，4 4 合金的自腐蚀电位要低于 a z 8 0 合金。合金的腐蚀地位随s r 的增加而有所降低，但是当s r 含量从0 1 6 增加 到o 3 0 时，腐蚀电位降低程度变小趋于平缓，可能是由于粗大m g l 7 s r 2 影响而导 致自腐蚀电位有所提高，综合作用使得腐蚀电位降低程度趋于平缓。加s r 合金随 着s r 含量的增加电流密度增加，腐蚀性能较差。 关键词：镁合金：组织：性能；锶；挤压比：m g l 7 s r 2 相 垒! ! ! ：! 垒! !一 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y s ，a sl i g h ts t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，h a v em a n ys p e c i a la d v a n t a g e s ，s u c h a s1 0 wd e n s i t y ih i g hs p e c m cs t r e n g m ，h i g hs p e c m cs t i f f h e s s ，g o o dc a s t i n gc 印a b i l i t y ， c l e c t r o n l a g n e t i cs h i e l d i n gp e r f o r m a n c ea n de a s yr e c l a m a t i o ne t c s om a g n e s i i l ma 1 1 0 y s a r ee x t e n s i v e l yu s e di na u t o m o b i l e s ，a i r p l a n e s ，c o m p u t e r s ，c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s a n de t c t h e ya r ek n o w na s t h eg r e e l lp r o j e c tm a t e “a l sh a v i l l gd e v e l o p n l e n tp o 把n t i a l a 1 1 db e s tf u t u r ei nt h e21s tc e n t u r y b u tb e c a u s em a g n e s i u mh a s1 1 c pc r y s t a ls t r u c t u r e ， s l i ps y s t e mi s1 m l e ，p l a s t i cd e r 0 1 m a t i o ni sh a r d e x c l u d i n gc a s t ，v e r ) f e wa v a i l a b l e m a l l u f a c t u r i n gm e t h o d sc a nb ea d o p t e dt h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y si ss t i l l c o n n n e d p o t e n t i a ls h o u l db ef l l l l yr o o t e d t bd e v e l o pm a g n e s i u ma 1 1 0 y sh a si n l p o r t a n t s i g l l i f i c a n c eo nc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y i n t h i sp a p e r ，a z 8 0b a s e da l l o y sw a sc h o s e n ，t h ee 氐c t so fm i c r o c o n t e n ts ro n m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f a z 8 0w m u g h ta l l o y sa ta s c a s ts t a t e ，h o t - e x t r u d i n gs t a t e a 1 1 d r e e x t r u d i n gs t a t e w e r es t u d i e dw i t h0 m ，x r d ，d s c ，s e m ，e d s ，c o r r o s i o n p o t e n t i a lt e s t i n ga n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n g t h er e s u l t ss h o wt h a ta tt h ea s c a s t s t a t e ，m a i np h a s e si nt h ea l l o y sa r e 一m ga n dp - m g l7 a l l 2p h a s e t h ea l l o y sw i t ho 0 2 a n do 16 s r3 ”a l l o y sh a v en oo t h e rp h a s ec o n l p a r e dw i t h1 “a 1 1 0 yw i t ho r i g i n a l c o m p o s i t i o no fa z 8 0a l l o y t h ep h a s e ，m 9 17 s r 2i sf o u n di n4 ”a i l o yw i t ho 3 0 s r t h e 野a i n sa r er e 6 n e d 印p a r e n t l yw i t ha d d i n gm i c r o c o n t e n ts ra n db e c o m es m a l l e ra n d s m a l l e rw i t ht h ei n c r e a s eo fs lp h a s e si nt h eb o u n d a r i e sb e c o m et h i c k e ra 1 1 d n e t - s t r u c t u r ei sf o n e d s ri sa l m o s tg a t h e r e di nt h eb o u n d a r i e sa 1 1 dm n ，z na n da la r e m a i n i ya l s oi nt h eb o u n d a r i e sb yt h ea n a l y s i so fp l a n ed i s t r i b u t i o n s rp o s s i b l yh a st w o s t y l e si nt h ea s c a s ta l i o y s o no n eh a n d ，s rs o l i d - s o l u t e si n t ot h ea l l o y st oa f k c t m g l7 a l l 2p h a s ea n dr e n n et h ea l l o y sa st h ea c t i v es u r f a c ee l e m e n t ，o nt h eo t h e r h a n d ，s r f b r m s 1 1 i g h _ t e m p e r a t u r e s t a b l e m g l7 s r 2p h a s ew i t hm g t h ef b n l l e d p h a s e i s h i g h 。t e m p e 豫t u r es t a b l ep h a s et oi m p r o v et h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r ea n dr e 丘n et h e 昝a i n s t h et e n s i l es t r e n g t h ( u t s ) a n de l o n g a t i o no f t h et h r e ea l l o y sw i t hs ra r eh j g h e rc o m p a r e d w i t ht h ea l l o yw i t h o u ts lt h eu t sa n dt h e e l o n g a t i o no ft l r e ea l l o y sw i t hs ra r e i m p r o v e d2 0 2 5 m p aa n d4 0 1o o r e s p e c t i v e l ya ta s c a s ts t a t e a r e rp r e l i m i n a r yh o t - e x t r u d i n g ( e x t r u s i o nr a t i o f 3 6 ) ，m a i np h a s e sa r es t i l l a m g m a t r i xa n dp m g l 7a 1 】2p h a s e t h e g r a i n sa r er e 矗n e dt od i f 免r e n td e g r e e ，d y n a m i c s e c r y s t a l l i z a t i o n ( d r x ) h a sh a p p e n e d ，d r xo ft h ea l i o y sw i t hs ri sc o m p l e t e dr e l a t i v e l y a n dt h es t r u c t u r ei sm o r eh o m o g e n e o u s e x t r u s i o no r i e n t a t i o ni nt h ea l l o y sw i t hs ri sn o t a sc l e a ra sa z 8 0 a l l o yb u tm i x e ds t r u c t u r eo fo r i g i n a lg r a i n sa n dr e c r y s t a l l i z i n gg r a i n si s a b s t r a cr f o u n do b v i o u s l yi na z 8 0a l l oy ，t h eu t sa n dt h ee l o n g a t i o na r ei m p r o v e do b v i o u s l y c o m p a r e dw i t ha s c a s ta l l o y s ，t h eu t si si m p r o v e d9 0 1 2 0 m p aa n dt h ee l o n g a t i o ni s i n c r e a s e db y2 3 5t i m e s u n d e rt h es t a t eo fp r i m a r yh o t s q u e e z i n 舀t e n s i l es t r e n g t ho f a l la 1 1 0 y sh a sn oo b v i o u sd i 虢r e n c eb u te l o n g a t i o nb e c o m e sb i g g e ra n db i g g e rw i t hm u c h m o r e s o w h i l et h eo t h e rp a r a m e t e r sw e r en o tc h a n g e d ，e x t r u s i o nr a t i ow a sa d d e da n dt h e a 1 1 0 y s 、v e r er e - e x t r u d e d ( e x t n l s i o n r a t i oa f l5 ) d u r i n gr e - e x t r u d i n g ， t h ed r xi s c o m p l e t e dt o t a l l yi na 1 1a l l o y s ，t h eu t sa n dt h ee l o n g a t i o na r ea l la l m o s ti n c r e a s e da g a i n c o m p a r e dt op r e l i m i n a r ye x t r u d i n g ，t h eh i g h e s ts t r e n g t h i s u pt o3 5 0m p ab u tt h e e l o n g a t i o n a l m o s td o e sn o t c h a l l g e g r a i n sa r es m a l l e r ， b u lu n d e rt h es t a t eo f r e s q u e e z i n g ，g r a i l l so ft h ea 1 1 0 y sw i t ho 1 6 m a s s a n do 3 0 m a s s s rb e c o m eb i g g c r o b v i o u s l y ，t e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs rb u tt h ee l o n g a t i o nd o e sn o t t h ea l l o yw i t ho 0 2 s ro b t a i n st h eb e s tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ew i t ht h eu t s 3 5 0 m p aa 1 1 dt h ee l o n g a t i o n1 3 0 f r o mt h ep r o c e s so fe x t r l l s i o n ，t h ea l l o y sw i t hs r h a v eh i g h e re l o n g a t i o n ，m a c h i n i n ge m c i e n c yi sb e t t e ra n dm ea 1 1 0 y sa r ee a s yt ob e m a n u f a c t u r e d ，t h es u r f a c ei sc l e a n e lt h ee l o n g a t i o no fa z 8 0a l l o yi sd e c r e a s e dal i l f l e t h ee l o n g “o no ft h ea l l o y sw i 也s rh a sb e e ni m p r o v e da p p r e c i a b l y 1 7 5 儿6 hi sm e a s u r e da st h eb e s ta g i n g p r o c e s st h r o u g hp e r f e c th e a tt r e a t m e n tt e s t a r e ra g i n g ，t h eu t si si n l p r o v e da p p a r e n t l y t h eu t so f1 “a n d2 4 a l l o y si sl l p t o 3 7 0 m p a ，b u tt h et e n s i l es t r a i no ft h ea l l o y si sd e c r e a s e d t h ea n a l y s i so ft h et e n s i l e 矗a c t u r em o r p h o l o g yo ft h ea l l o y sb e t w e e nr e e x t r u d i n ga n da g i n gt r e a t m e n ta r e rd i r e c t r e e x t r u d i n gw a sd o n e d i n l p l e sa r er e g n a n t ，t e a “n gr i bi ss e e na p p a r e n t l y ，a n dc l e a v a g e a 士1 dq u a s i c l e a v a g ea r en e a r l yo b s e r v e d t h ea l l o y ss h o wm a i n l yt e n a c i t yf h c t u r e t h er e s u l t so ft h ec o r r o s i o np o t e n t i a lo ft h ea l l o y ss h o wt h a tt h ec o r r o s i o np o t e n t i a l o f2 4 ，3 “a n d4 “a l i o y sw i t hd i f r c r e n tc o n t e n to fs rb e c o m e sl o w e ra n dl o w e rw i t ht h e i n c r e a s eo f s lf a l l i n gt e n d e n c yc a na l s ob es e e nb e c o m i n gg e n t l ew h e nt h ec o n t e n to fs r i sa d d e df r o mo 1 6 t oo _ 3 0 t h er e a s o nm a y b ei sm a tb u l k ym 9 1 7 s r 2 p h a s ea f f e c t st h e a 1 1 0 y st oi m p m v et h ec o r r o s i o np o t e n t i a l t h er e s u l ti st h ec o m p r e h e n s i v ee f r e c t s ，t h e a l l o y sw i ms rh a v eh i g h e rc u r r e n td e n s i t ya n dh a v el o w e rc o r r o s i o nr e s j s t a n t k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p r o p e n i e s ； e x t r u s i o n r a t i o ；s t r o n t i u m ；m g l7 s r 2p h a s e ； v 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭 等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律 责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：7 糸竣杯 岫6 年5 月2 d 日 抑一章绪论 第一章绪论 近年来，随着节能与环保观念的同益增强，保护环境，实现可持续发展，已经 成为世界各个团家共同关心的问题。合理使用、节约和保护资源，提高资源的利用 率，从传统的高消耗模式向可持续发展模式转变，已经受到社会各界的普遍重视。 考虑到上述问题，作为种既新型又传统的材料镁合金因有着其自身的无以比拟的 优点再次成为研究的热点。 1 1 镁及镁合金概述 镁元素在地壳中有丰富的含量，仅次于铝、铁、钙、钠、钾，约占地壳重量的 2 7 。此外，占地球表面积7 0 的海洋也是一个天然的镁资源宝库，据测算，每立 方米的海水中约含有1 3 k g 的镁，仅次于氯元素和钠元素，居第3 位。仅死海一处的 镁，若得到全部开发的话，就可供人类使用2 2 ，0 0 0 年。2 1 。因此，镁的习：发与应用对 人类有着重要的意义。 镁为元素周期表第1 i 主族化学元素。原子序数1 2 ，相对原子量2 4 3 0 5 ，银白色， 密排六方晶格，在2 5 时品格常数：a = o 3 2 0 2 n m ，c = o 5 1 9 9 n m 。品胞的轴比为：c a = 1 6 2 3 7 ，配位数等于1 2 时的原子半径为o 1 6 2 n m ，无同素异构转变，在现有的工程 应用金属中镁的密度最小，为1 7 4 9 c m 3 ，熔化点为6 4 9 ，与铝的熔点相近【3 l 。 镁在2 0 。c 时的体积热容为1 7 8 1 ( d m 3 k ) ，比同等条件下锅【2 4 3 0 ( d m 3 k ) 】，钛 2 3 9 4g ( d m 3 k ) ，镍【4 1 9 2 ( d m 3 k ) 】、铜 3 4 5 9 ( d m 3 k ) 、锌 2 7 2 7 ( d m 3 - k ) ， 铝 2 8 1 5 ( d m 3 k ) ，银 2 4 6 8 9 ( d m 3 k ) 都低，而且合金元素对镁的热容影响也不大， 因此镁及镁合金的一个重要特性是加热升温与散热降温都比其他金属快【4 。9 1 。 镁是金属中电化学顺序最后的一个，因此化学性质非常活泼。在潮湿大气、海 水、无机酸及其酸性盐、有机酸、甲醇等介质中均会引起腐蚀但在干燥的空气、 碳酸赫、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水的 润滑油中却很稳定。在室温下，镁的表面能与空气中的氧发生反应，形成疏松多孔 的氧化镁薄膜，但由于氧化膜比较脆，而且致密系数小于l ，不能象氧化铝薄膜那 样起到保护作用。氧化镁薄膜的致密度系数可按下式计算： 赣 第一章绪论 式中n 1 m 。和m 。镁和氧化镁的相对分子量；pm g 和pm g o _ 一镁和氧化镁的密 度。 镁的室温塑性很差，纯镁单晶体的临界切应力只有( 4 8 4 9 ) 1 0 p a ，且纯镁多晶 体的强度和硬度也很低，因此都不能南接用做结构材料。 纯镁因其性能差在结构件等上面并不采用，主要用途是配制镁合金和其它合 金。工程上主要用的是镁的合金，工程用镁合金具有以下其它合金无以比拟的优 点：( 1 ) 镁合金最大的特点就是比重小，是目前所有商业台金巾最轻的结构材料之 一，密度通常为1 7 5 1 8 5g c m 3 ，约为铝的6 4 ，钢的2 3 。在汽车上如果换用镁合 金零件，可以减轻整车质量，降低燃油消耗。( 2 ) 镁合金具有高的比强度和比刚度。 镁合金的强度接近于铝合金，但因为镁合金的密度小所以镁合金的比强度明显高于 铝合金和钢，比刚度接近于铝合金1 1 0 _ ”】，因此，在不减少零部件的强度下，可减 轻零部件的重量。与工程塑料相比，虽然镁合金的比重比塑料重，但其单位重量的 强度和弹性率比塑料高，弹性模最很小，所以，在同样的强度零部件的情况下，镁 合金刚度比工程塑料要高得多，零部件能做得比塑料的薄而且轻，且工程塑料难以 回收再利用。 ( 3 ) 镁合金有其良好的铸造性和尺寸稳定性f 】“。镁合金的低密度、 低熔点、低动力学粘度、低比热容、低相变潜热及与铁的反应性很低，压铸时压铸 模的熔损少，使得铸模的使用寿命提高【1 。( 4 ) 具有良好的阻尼系数，吸震性好， 有利于减震和降低噪音。镁合金在受外力时容易产生大的变形，这一特性能使得受 力构件分布更为均匀。在一定场合下，除有利于避免过高的应力集中外，在弹性范 倒内，当受冲击载荷时，所吸收的能量比铝大。镁合金的这个特性与其弹性模量较 低有关，即弹性形变与弹性模量成反比。( 5 ) 镁在一定的条件下可获得满意的耐 腐蚀性，在碱性环境下是稳定的，但是在酸性和氯气环境下易腐蚀，在与其他会属 材料接触并有电解液存在时镁合金会产生电腐蚀，在做零部件应用时也要注意其应 力腐蚀。( 6 ) 镁合金具有优良的切削加工性能，其切削阻力小，切削速度远远高于 其它金属。切削定量金属所需的功率，如以镁合余为l ，则铝合金为1 8 ，铸铁为 3 5 ，低碳钢为6 _ 3 。还有个突出的特点是不需要磨削和抛光，可以得到光洁的表 面。此外，镁合会铸件在受冲击和摩擦时不会起火花【“。”。镁在单位体积下的热焓 低，可使其压铸速度比铝高，且镁铸件的铸造和加工精度高，可以进行高速机械加 工，生产效率高，成本低，适用于汽车工业的大批量生产。( 7 ) 镁合金具有很好的 如一章绪论 抗电磁干扰性，屏蔽性能。镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果 好，因此，使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。个人电脑、移动电话等使 用时会发出高频电磁波，如果电磁波穿过机体外壳，则会导致干扰信号、降低通讯 和运算的质量，同时，还会对人体健康造成危害。采用镁合金制造电子器材外壳不 需要作导电处理，就能获得很好的屏蔽效果。另外，镁制外壳还闻以及时散出器件 运行产生的热量，提高器件的工作效率和使用寿命。在电子产品中使用镁合金很好 地适应了电子器件高度集成化和轻薄短小化的发展趋势。( 8 ) 镁合金可回收性能 好。镁其合金是种环保型材料，对环境无污染，其废料回收利用率高达8 5 以上， 回收成本低，回收利用的费用仅为相应新材料价格的4 左右，符合环保要求。而对 于那些很难回收或回收成本太高的含镁材料，也可进行无害处理。 迄今在工程中应用的最轻的金属结构材料镁合金，以其多种优点，同其它轻 质材料相比，在生产中已取得明显优势，特别是近几年来，随着世界各国能源和环 保意识的增强、镁锭价格的降低、镁合金结构件成型工艺的改进和材料质量的提高； 美国、欧洲、日本等发达国家对汽车交通工具能源消耗、废气污染与噪音限制的不 断升级，镁合金受到汽车工业的青睐，镁合金铸件装车率以每年1 5 的速度递增， 显示出诱人的前景。镁合金被认为是2 1 世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”。 正由于镁合金有以上这些优点使得镁合金正在不同行业得到不同程度的运用， 也使我们对能够开发更多新型优良综合性能的镁合金充满信心。首先，镁合金广泛 应用于汽车行业，用于制造发动机配件、座椅、方向盘等。而且随若汽车工业的发 展，世界上汽车镁合金需求量每年以2 5 的速度增长。据预计，2 0 0 6 年镁合金压铸 件的需求将是1 9 9 6 年的4 倍，达到每年2 0 万吨。据报道，汽车自重减轻l o ，其燃油 效率将会提高5 5 ，故镁合金在汽车行业的应用不仅节约了燃料而且由于镁合金部 件与塑料零部件相比易于回收，可以减少环境污染；其次，目前发展最迅速的电 子行业也是镁台金应用的新领域。近年来，航空、航天和汽车行业对镁合金的大量 需求推动了镁合金生产技术的迅猛发展，使得镁合金的生产和使用成本都大幅度降 低，近而又促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的 应用发展。其中，镁合金应用发展最快的领域是电子信息和仪器仪表行业。电子信 息行业由于数字化技术和大规模集成电路制造技术的发展，市场对电子和通讯产品 的高集成化、轻薄化、微型化、豪华美观和符合环保的要求是越来越高，这使得传 第章绪论 统的工程塑料有些力不从心。镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件的壁厚最 薄可达o 4 m m 1 5 m m ，并保持一定的强度、刚度和抗撞击能力，这非常有利于满 足产品超薄、超轻和微型化的要求，再加上电磁屏蔽和环保等方面的优点，镁合金 成为3 c 产品生产厂家的最佳选择：另外，镁合金对冶金、化工、军事、纺织等行业 的发展起到了重要的作用，它还广泛应用于现代航空、航海业，用于制造发动机及 货舱等，为减轻重量、增大强度做出了重大贡献。 我国是镁资源大国，原镁的年产量达2 0 万吨，然而镁合金及其产品的研究和应 用与国外相比差距较大，8 0 以上作为初级原料廉价出 ，属典型的以牺牲资源和 环境为代价的原料出口型工业。进入2 1 世纪，我国在汽车领域将有极大的发展，预 计到2 0 1 0 年中国汽车年产量将达i 0 0 0 万辆。然而，国内目前只有国产桑塔纳轿车等 少量车型采用了镁合金，用量仅为8 5k 辆，与国外汽车镁合金平均用量4 0k 辆相 比，差距十分悬殊。随着我国西部大开发战略的实施，西部十分丰富的盐湖镁资源 将为镁合金产品的开发及应用提供极为有利的物质基础。发展镁合金产业正面临重 大的历史机遇与挑战。加快镁合金应用与产品制备核心技术的开发，将为“中国制 造”抢占相关领域技术制高点，形成具有国际竞争力的新产业群起到至关重要的作 用。因此，一项十分紧迫而严峻的任务摆在我们面前：实施科技攻关，尽快形成具 有独立知识产权的镁合金深加工技术体系，开发我国自己的镁合金加工产业，变现 在以出口原材料镁锭为主转为出口高附加值的镁台金零件及配套产品。这无论是对 传统产业的改造，形成一批新兴的高科技产业群，促进我国汽车、电子等应用镁合 金产品的工业领域的良性发展，还是对西部大开发战略的顺利实施，迎接加入w t o 带来的挑战，都将具有重大的现实意义和深远的历史意义。如何更好地利用我国的 镁资源，研究镁合金的性质及生产更是摆在我们面前的重大课题。 目前，工业镁合金产品多通过铸造的方式获得。主要的铸造方法有：高、低压 压力铸造、砂模铸造和永久模铸造，并同时开发有新的半固态铸造、半连续铸造等 工艺。根据国际镁协会( i m a ) 分析，虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形产品， 但是铸件在铸造过程中，由于种种原因，不可避免地要产生气孔、组织疏松等缺陷， 影响产品性能。而经过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形产品具有更佳得性能 可以满足更多样化结构件的需求。图1 1 对比了变形镁合金与普通铸造、压铸镁合金 的典型力学性能，变形镁合金材料具有铸造材料无法替代的优良性能，可见变形镁 笙二至堕生一 合金具有更大的优势。因此，作为结构材料的镁合金，开发变形镁合金产品，生产 高质的板、棒、管、型等产品，制定变形镁合金生产的新工艺，对镁合会产品获得 更广泛的应用具有重要的意义，是其未来更长远的发展趋势陋1 引。 图1 1 变形镁台金与砂铸、压铸镁合金性能 f 培1 1 t e n s i l ep r 叩e n i e s o f m a g n e s i u ma l l o y sp r o d l l c e d t h o u g hd j f f e r e n i 眦t h o d s 1 2 变形镁合金研究现状及存在的问题 根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。 前者主要通过铸造获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，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 e c a s t i n g ) 技术，半固态成型 ( s e m is o d f o m u n g ) 技术以及t h i x o m 0 1 d i n gt m 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。与这些工艺生产的铸态材料相比，变形镁合余材料 更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品， 并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的 强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多结构件的需要。因此， 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，是国际镁协在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。通过对比变形镁合金与普通铸造、压铸镁合金的典型力学性能可 知，变形镁合金具有更大的优势。 西方发达国家十分重视变形镁台金的研究与开发，变形镁合材料己开始向系列 叠苫告警oj 一 丝二至堑堡一 - _ - - 一 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，合金 系列有m g a l 、m g z n 、m g r e 、m g l i 、m g t h 等，可以加工成板、棒、型材和 锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁台金、非晶态镁合金及镁基复台材料等。 美国与世界上最大的镁生产企业一挪威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。卜i 本在1 9 9 9 年由教育都、科 技部、体育部和文化部共同组织实施了“p l a t f o r ms c j e n c ca n dt e c h n o l o g yf o r a d v a n c e dm a g n e s i u m a i l o y ”计划，着重研究镁的新合金、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【2 0 】。英国j r 发出m 分a l ，b 挤压镁合金用于 m a g n o x 核反应堆燃料罐1 2 “。以色列最近也研制出用在航天飞行器上、兼具优良力 学性能和耐蚀性能的变形镁合金。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁台金板、棒 和型材，国防军工、航天航空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、规格多样的变形镁台金材料显得十分重要。 尽管镁合金有诸多优异性能，但是仍然不像铝合金那样已在各方面得到广泛的 应用，主要是因为：镁是密排六方( h c p ) 晶体结构，滑移系少( 3 个) ，冷变形能 力较差，造成了镁及镁合金材料比其它常见金属铝、铁等更差的塑性变形能力，限 制变形镁合金广泛运用。与目前较成熟的镁合金铸造技术( 包括提高镁合金抗蠕变 性能技术、先进薄壁铸造和触变铸造技术等) 相比，镁合金的锻造、挤压、扎制、 拉拔、挤压等塑性加工技术与超塑性成形技术的发展则相列缓慢，造成这种局面的 主要原因有以下几点：( 1 ) 镁合金的塑性变形能力较差，采用传统的塑性加工技术难 以解决这一问题；( 2 ) 对镁合金的塑性变形理论研究不够深入，变形镁合金的研制缺 乏理论指导：( 3 ) 未能发展出行之有效的变形加工成形技术；( 4 ) 相对于铸造产品而言， 变形镁合金的成本更高。 近年来，国家和各级地方政府对镁台金，特别是交形镁合金的研究、开发和产 业化等相当重视，充分发挥我国的镁资源优势是我们的长远目标。 镁的化学性质较活泼，镁标准电极电位很低( 一2 3 6vv ss c e ) 。使得镁及其合 金的耐蚀性较差。耐腐蚀性能差成为镁及其合金广泛应用的另一瓶颈，改善镁合会 的耐腐蚀性能势在必行。目前，提高镁合金耐腐蚀性能的主要途径是为其提供外部 保护即表面处理。如化学转化、阳极氧化、离子注入、激光表面处理、电镀、化 筇一章绪论 学镀等。研究表明2 2 】：环境因素、合金成分、晶粒尺寸、相的尺寸、形貌及分却等 对镁合金的耐腐蚀性能具有重要影响。通过细化技术细化基体相并改善第二相的7 侈 态和分布状况，从而改善镁合金的耐腐蚀性能已成为扩大镁合金应用范围以及高性 能优质镁合金铸件生产关键的技术之一，细化研究具有重要的理论意义及实用价值 【2 3 _ 27 1 。 镁合金还存在一些其他不足：1 ) 弹性模量不高。2 ) 镁的高温强度和蠕变抗力 较差。3 ) 凝同时的收缩率比较大，但相对于铝而言要好。4 ) 电解镁相对于铝而 言，成本高，因而镁的价格要稍高于铝。以上原因势必造成变形生产过程的能耗大， 成本较高，从而失去了竞争优势2 9 。0 1 今后，如何克服镁合会的一些缺点( 如室温下难于变形加工，耐蚀性能差及成 本高等) ，提高镁合金的性能，拓展镁合金的应用潜力，还需开展大量的工作。 顺利解决上诉问题，就可以使得镁合金在多种领域尤其日益发展的汽车工业，电子 工业以及国家的军用企业领域得到愈加广泛的运用。 1 3 含s r 镁合金研究进展 采用添加少量合金元素的微合金化方法细化和改善镁合金组织，从而提高镁合 金性能，目前研究最为广泛。 文献川报道微量的s r 对a z 9 1 具有细化晶粒的效果，在a z 9 l 合金中加入了 o 0 5 s r 的a z 9 1 合金晶粒最细小，而o 1 s r 的a z 9 l 的晶粒有所增大。晶粒细化可能 是由于s r 为“表面活性元素”，在生长界面上形成含s r 的吸附膜，导致品粒生长速 率的降低。低的生长速率反过来使得熔体有更充足的时间产生更多的品核，最终使 晶粒细化。 文献【32 j 报道，s r 可作为m g - a l 合金有效的晶粒细化剂。s r 可显著降低纯镁和 低铝含量m g a 1 合金的晶粒尺寸，对m g 一9 a l 的晶粒细化效果不明显。然而，g r u z l e s k i 和a i i r a v e i 的研究表明，a z 9 1 合金经c 2 c 1 6 处理后，加入o 0 0 5 00 3 叭的s r 对 降低晶粒尺寸和缩松具有明显的效果；n u s s b a u m 等人的研究也表明了s r 对a z 9 l e 的细化作用，同时发现增加s r 的加入量时合金中析出针状的a l 。s r 和m 9 2 s r 的析 出物，在较高的s r 含量下( 大于3 ) 合金中产生相对粗大且高度稳定的含a 1 和 m g 的析出相。 文献【3 3 】报道，g r u z l e s k i 和a l i r a v c i 研究发现，在a z 9 1 中加入s r 后，品粒细化， 第一章绪论 晶界上的m g l7 a 1 1 2 相由连续网状的形态变为不连续的粒状和棒状。在经过c 孕育处 理的a z 9 1 合金中再添加0 0 0 5 一o 0 3 的s r ，发现s r 可进一步细化合金，随s r 含量的 增加，晶粒尺寸从2 2 5 u m 下降到7 5 u m ，然后又逐渐增大到1 5 0 u m 。细化晶粒的原因 是镁合金中添加适量的s r 后，不仅可以降低过冷度，而且易吸附在固液界面的前 沿形成富s r 的