（材料学专业论文）mg8liy合金的组织结构和机械性能.pdf

西华大学硕士学位论文 m g 一8 l i y 合金的组织结构和机械性能 材料学专业 研究生：赵亮指导教师：赵平教授 摘要：m g l i 含金又称为超轻合金，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，而且 还具有赢的比强度、比西t 度和优良的减振性箍及抗高能粒子穿透的笼力，尤其 是其变形性( 可锻性) 比其他镁合金好，因此是兵器、宇航、汽车、电子等领 域的最理想的优选材料。 目前，镁合金已进入一定规模的工业生产阶段。相比之下，对铸造铝锂合 金的研究和开发还相当少。本文在综合论述镁锂合金研究进展的基础上，采用 真空熔铸工艺和真空热处理工艺，对铸造m g 8 l i y 系合金进行热处理工艺的 研究。通过力学性能测试试验，采用光学显微镜、扫描电镜、x 射线衍射仪、 硬度计等现代材料分析测试手段，研究了不同热处理工艺对m g 8 l i y 系合金 组织和性能的影响；分析了不同热处理工艺参数( 雷溶时阚、固溶温度、时效 时间和时效温度) 对合金组织和力学性能的影响程度：探讨了铸造m g 8 l i y 系合金的热处理强化机理。 研究结果表明： 1 铸态m g - 6 8 4 l i 合金主要南8 l i 相和呈长条状的a - m g 相组成。 2 淬火热处理可以大幅度的提高m g - 6 8 4 l i 合金的抗拉强度和屈服强度， 随着淬火热处理温度的升高，m g 6 8 4 l i 合金的抗拉强度，届服强度逐渐增强， 延坤率逐渐降低。 3 m g 一6 。8 4 l i 合金和m g 8 l i x y 系合金在热处理过程中会出现单一g t 相 在表层的偏聚现象，当升温速度大于1 0 m i n ，保温温度在3 0 0 以上，对该 系合金热处理可以使其表层出现伐相的表层偏聚。 4 合金在密封空阗里的热处理过程中，只有试样的表面积和封存空气比例 大于1 4 0 ( m m 。) 才可以使表层患现毯相豹偏聚，冷却速度对偏聚层的致密性 有影响，冷却速度越快，表层仪相偏聚层的致密性越好。 5 稀土y 可以在一定程度上细化m g l i 系合金中a m g 相的组织，随着y 含量的增加，合金的组织发生了重大的变化，生成了新的硬化相7 相；嵩y 豳华大学硕士学位论文 含量超过6 w t 后，大量的y 相会富集在晶界处形成网络结构：当y 含量达到 l o w t 蜃，合金中的g m g 相会消失。 6 y 有效地提高了m g l i 系合金的抗拉强度，屈服强度。当y 的加入量 为4 w t 时，合金的抗拉强度升高1 7 5 ，而延伸率还有4 3 4 ，获得了比较 好的力学性能。 7 5 0 0 c 热处理可以使m g 8 l i - y 系合金获得较好的力学性能，其中 m g 8 l i 2 y 合金的淬火热处理后抗拉强度的最高值可达到2 11 m p a ，相对于铸 态增幅为7 l ，同时其延伸率仍为1 5 6 ，这对于获得性能良好的工程材料 具有重要的意义。 8 随淬火温度升高( 3 0 0 c - - - 5 0 0 c ) ，m g 及y ( m 9 2 4 y s ) 相在p 相中的 固溶程度增加，伴随着b 相晶格常数的降低，合金淬火硬度增加；同时，淬火 温度升高至5 0 0 9 c ，固溶程度增加和了( m 9 2 4 y 5 ) 相的圆球状均匀分布，二者 共同作用使合金抗拉强度有大幅度提高。 9 1 5 0 时效后，一方面由于晶粒长大，另一方面长时间保温时效后m g 和y 在1 3 相中豳溶度降低，a 相和丫相沿p 相晶界析出，导致合金抗拉伸强度 及延 率率有所下降。 关键词：铸造镁锂合金，热处理工艺，力学性能，显微组织，表面偏聚 l l 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t m g - l ia l l o ya l s oi sk n o w na sl i g h t w e i g h ta l l o y ，t h ed e n s i t yo fm a g n e s i u mi s 1 7 3 8g c m 3 ，a sw e l la sl i t h i u mo fo 5 3 8g c c m 3 ，a d d i n gl i t h i u mt om a g n e s i u m ， w h i c hr e d u c e st h ed e n s i t yo fm a g n e s i u m a l l o y ，i m p r o v e t h e s t a b i l i t y a n d p l a s t i c , m a k ei t t ob em o r eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c el i g h t w e i g h ts t r u c t u r a l m a t e r i a l s 。i tn o to n l yh a st h ed e n s i t yo fs m a l l e r ，b u ta l s oh a sah i g hs t r e n g t h ， s t i f f n e s sr a t i oa n de x c e l l e n ta n t i v i b r a t i o np r o p e r t i e sa n dt h e a b i l i t yt op e n e t r a t e l l i 曲一e n e r g yp a r t i c l e s ，i np a r t i c u l a ri t sd e f o r m a t i o n ( f o r g i n go f ) b e t t e rt h a no t h e r m a g n e s i u ma l l o y , s oi tb eu s e di nw e a p o n s ，a e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e ，e l e c t r o n i c s ，a n d o t h e r 蠡。l d s a tt h ep r e s e n tt i m e ，d e f o r m i n gm ga l l o yh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nm o d e m a e r o s p a c ep l a n e ，b u ti ti s i n i t i a ls t e pi nc a s tm g l ia l l o ys t u d y b a s e do nd e t a i l r e v i e w so ft h ep r o g r e s so fm g l ia l l o y s ，t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so ft h ec a s t m g - 8 l i x yw a ss t u d i e d 。v a c u u mm e l t i n gm e t h o da n dk a tt r e a t m e n tm e t h o d ，w e r e c a r r i e do u tt o g e t h e r t h ee f f e c t so ft h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa n dh e a tt r e a t m e n t p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e t e s t i n gc a s tm g - 8 l i ya l l o y sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ym e a n so fm e c h a n i c a l p r o p e r t ym e a s u r e m e n t ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n d m i c r oh a r d n e s st e s t e r ，r e s p e c t i v e l y i n f l u e n c eo nm 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 ft h et e s tm g - - 8 l i - - ya l l o y sc a u s e db yd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tp r o c e s s h a sb e e ns t u d i e d 。i n f l u e n c ed e g r e eo fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c ha s s o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，s o l u t i o n t i m e ，a g e i n gt e m p e r a t u r ea n da g e i n g t i m eo n m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h et e s t i n gm g - 8 l i - ya l l o y sh a sb e e na n a l y z e d 。 s i m i l a r l y ，h e a tt r e a t m e n ts t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fc a s tm g - 8 l i ya l l o yh a sa l s o b e e nd i s c u s s e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h em g 一6 8 4 l ic a s t a l l o yi sm a i n l yc o m p o s e db yp l ip h a s ea n da - m g p h a s ew h i c hi se l o n g a t e ds t r i p s 。 2 h e a tt r e a t m e n tc a nb eg r e a t l ye n h a n c e dm g - 6 。8 4 l ia l l o yt e n s i l ea n dy i e l d s t r e n g t h ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r eq u e n c h i n g ，m g - 6 。8 4 l ia l l o yt e n s i l e s t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t hg r a d u a l l yi n c r e a s e d ，t h ee l o n g a t i o n r a t ed e c r e a s e d g r a d u a l l y 西华大学硕士掌位论文 3 m g 一6 8 4 l ia n dm g 8 l i x ya l l o y si nt h ep r o c e s so fh e a tt r e a t m e n tw i l lb ea s i n g l eo 【p h a s ei nt h es u r f a c es e g r e g a t i o n , w h e nt h eh e a t i n gr a t eg r e a t e rt h a n10 m i n , t h et e m p e r a t u r ea t3 0 0 a b o v e ，t h ea l l o yw i l lb ef o u n dt h e 毯一p h a s es u r f a c e s e g r e g a t i o n 4 a l l o yi nt h ee n c l o s e ds p a c eo fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h es p e c i m e ns u r f a c e a r e aa n ds e a l e da i rr a t i og r e a t e rt h a nl 4 0 ( m m 1 ) c a nm a k eas u r f a c es e g r e g a t i o n 毡p h a s e ，t h ec o o l i n gr a t eh a v eac e r t a i nd e g r e eo fi n f l u e n c ea b o u td e n s i f i c a t i o no fc t p h a s e ，c o o l i n gt h ef a s t e r ，t h eb e t t e r 5 yc a nb er e f i n e dg t p h a s es t r u c t u r et o ac e r t a i ne x t e n to ft h em g - l i a l l o y ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eyc o n t e n to ft h ea l l o yi nam a j o ro r g a n i z a t i o n a l c h a n g e ，an e wh a r d e n i n gg e n e r a t i o no f7 一p h a s ew i l lb ef o u n d ；w h e nt h eyi nm o r e t h a n6w t ，al a r g en u m b e ro fym e e te n r i c h m e n ti nt h eg r a i nb o u n d a r y ，n e t w o r k s t r u c t u r ef o r m e d ；w h e nyi n10w t ，t h ea l l o yo ft h eo t - m gd i s a p p e a r 6 。yh a se f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h em 分“a l l o yo ft h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l d s t r e n g t h ；w h e nt h eyi nt h ea m o u n to f4w t ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea l l o y s i n c r e a s e d17 5 w i m4 3 4 e l o n g a t i o n ，t h e r ew a sar e l a t i v e l yg o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s 7 m g - 8 l i ya l l o y s h a v eb e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w i 也5 0 0 ch e a t t r e a t m e n t ，m g - 8 l i 2 ya l l o yh a st h eh i g h e s tt e n s i l es t r e n g t ho f21lm p aa f t e r q u e n c h i n gt r e a t m e n t ，c o m p a r i n gt oc a s t a c h i e v e da ni n c r e a s eo f71 ，w h i l ei t s e l o n g a t i o n a t15 6 ；t h i si sa g r e a ts i g n i f i c a n c e f o r a c h i e v i n ge n g i n e e r i n g m a t e r i a l s 。 8 w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eq u e n c h i n g ( 3 0 0 。ct o 5 0 0 c ) ，m ga n d7 ( 1 v 1 9 2 4 y s ) t ot h epp h a s ei n c r e a s ei nt h es o l u t i o n ，a l o n gw i t ht h el a t t i c ec o n s t a n tp p h a s e ，t h er e d u c t i o no fh a r d e n i n ga l l o yh a r d n e s si n c r e a s e ；m e nq u e n c h i n g t e m p e r a t u r er i s e st o5 0 0 ，w i t ht h es o l u t i o nd e g r e e sa n d 丫( m 9 2 4 y s ) o ft h ec i r c u l a r s p h e r i c a lu n i f o r md i s t r i b u t i o n ，t h ea l l o yt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s es h a r p 。 9 a f t e ra g i n ga t15 0 cf o r2 4h o u r s ，g r a i nw i l lg r o wu p ，m ga n dyi nt h eb p h a s es o l u t i o nd e c r e a s e s ，0 la n dyp h a s ew i l lp r e c i p i t a t ea l o n gw i t hbp h a s eg r a i n b o u n d a r y ，a l lw h i c hl e a da l l o yt e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nd e c r e a s e d k e yw o r d s ：m g l ia l l o y , h e a tt r e a t m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , m i c r o s t r u c t u r e ， s u r f a c es e g r e g a t i o n i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：乞瓤日期沪譬s 协 导师签 日期：。8 一2 ，夕 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 镁及镁合金的发展与应用 1 1 1 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。 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 ia 族碱土金属。 镁具有密排六方结构，在2 5 c 时，a = 3 3 0 2 a ，c = 5 1 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 n l 。 镁的其它一些重要的物理参数和常见性质见表1 1 和表1 2 州引。 表1 - 1 纯镁的一些重要物理参数和常见性质1 t a b l e1 - 1s o m ei m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dc o m m 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 2 】【3 】 性质数值性质数值 原子序数 1 2沸点k1 3 8 0 士3 原子价 2 气化潜热似k g 。1 5 1 5 0 5 4 0 0 相对原子质量2 4 3 0 5 0 升华潜热砌k g - 1 6 l1 3 “2 3 8 原子体积, e m 3 m o l 一1 1 4 0 燃烧热付k g 。1 2 4 9 0 0 - - 2 5 2 0 0 原子直径a3 2 0 镁蒸汽比热容c c v j k 9 1 k 1 0 8 7 0 9 柏松比 0 3 3 m g o 生成热q 斛m o l 。 o 6 1 0 5 室澉c m 3 1 7 3 8结晶时的体积收缩率3 9 7 - - 4 2 密度 熔觚c m 3 1 5 8 4 磁化率n 0 。3 m k s 6 2 7 6 3 2 固态镁中声音传播速度 电阻温度系数( 2 7 3 3 7 3 k ) a 0 。 3 94 8 0 0 a n s 1 电阻率脚q m 4 7 标准电极电位 热导率删m 1 k j15 3 6 5 5 6 氢电极1 5 5 2 7 3 k 下的电导率1 0 石( q m ) 1 2 3 甘汞电极 1 8 3 续表 西华大学硕士学位论文 性质数值性质数值 再结晶温度 4 2 3 对光的反射率 熔点k 9 2 3 士1 廿= 0 5 0 0 9 n v 7 2 镁单晶平均线膨胀系数扣1 0 0 0 9 n v 7 4 ( 2 8 8 - 3 0 8 k ) 捂3 0 0 0 m v 2 7 1 8 0 沿a 蝴o 乍1x - - 9 0 0 0 9 i n , 2 4 3 9 3 沿c 枞0 。6 k 1 熔化潜热似k g j 3 6 0 3 7 7 收缩固一液 4 2 9 5 4 k 下的表面张力悄i n 10 5 6 3 室 熔点至室温俄 5 表1 - 22 9 3 k 镁的机械性能【1 1 t a b l e1 - 2m e c h a n 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 1 】 试样规格z 4 m p aa d a 、- 4 p a 6 硬度h b硬度i - i r e 砂型铸件9 1 3 9 02 12 63 01 6 挤压件9 1 3 1 6 5 2 0 5 6 9 1 0 5 5 8 3 5 2 6 冷轧薄板1 8 0 2 2 01 1 5 - - 1 4 02 1 04 5 - - 一4 74 8 - 5 4 退火薄板 1 6 0 1 9 59 - - 1 0 53 1 54 0 4 13 7 - - 3 9 镁为银白色金属，在2 0 时纯镁的密度为1 7 3 8 k g m 3 ，它的比重大约是 铝的2 3 ，铁的1 4 而镁合金的密度为1 3 1 9 k g m 3 不等7 8 1 ，最轻的镁合金 ( m g l i ) 密度仅为0 9 5 k g m 3 ，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，具有环保特性阴j 们，被 誉为“2 1 世纪绿色工程金属结构材料”。 飚华大学硕士学位论文 1 1 2 世界镁资源的分布情况 镁是地球上第夕个最丰富的元素，占地壳的2 ，也是海水中第三个最丰 富的元素。至今已发现了6 0 多种镁矿，但只有自云石、菱镁矿、水镁石、光 卤石和橄榄石具有商业价值n 1 | 。除镁矿之外，海水及盐湖蕴藏大量的镁资源可 供提取嘲。 世晃探明的菱镁矿储量估计为1 2 0 亿吨，我国约3 1 亿吨，水镁石几百万 吨。自云石、橄榄石及含镁蒸发岩的储量是巨大的，我国已探明的囱云石储量 在4 0 亿吨以上。 盐湖镁储量估计几十亿吨，我国青海柴达本的盐湖卤水镁资源储量高达 1 6 亿吨，其中氯化镁的含量高达5 2 。 l m 3 海水中含有近4 9 镁，溶解在海水中的镁总量达6 x 1 0 1 6 t 。 地壳中的镁储量也很丰富( w m g = 2 5 ) ，但可用难度大n 3 豫戢。 表1 - 32 0 0 1 年世界各国镁产量( 万吨) n 鄙n 引 澳大利亚奥地利 巴西 中国希腊印度 l o2 l多7 21 91 0 朝鲜 俄罗斯斯洛伐克 西班牙土耳其其他 3 02 52 51 55 71 3 从表中可以看出我国是世界上镁储量最大的国家之一，但是中圜有关镁合 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n 1 。从图1 2 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，蠢翦镁合金主要的消费是作 为铝的合金化冗素，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含金还具有很大的发展 前景臼霹。 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t a ，1 9 9 8 年为4 5 万t a ，2 0 0 3 年为3 0 0 万t a n 蜘( 图1 1 ) 。 西华大学硕士学位论文 1 1 3 镁合金的分类及应用 作为质轻的结构件，镁合金的应用领域十分的广泛( 图1 2 ) ，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 n 引。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0 7 l n 7 1 剐。而文献 1 8 】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 5 1 万t a ，2 0 0 0 年增至l o 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 om a g n e s i u m 的统计和预测所绘的1 9 9 1 一2 0 0 7 年北美和欧洲镁合 金压铸件需求量n 9 。 鐾 1 2 o 鬈 o f i g 1 - 1 c a p a c i t yp r i m a r ym a g n e s i u m 1 9 】 图1 1 全世界原镁产量【1 9 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 系合金等呦3 。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 括压铸镁合金和砂型铸造镁合金口。我国铸造镁合金主要有m g z n z r ， m g z n z r r e 和m g - a 1 z n 三个系列。目前应用最广泛的是压铸镁合金，国外 西华大学硕士学位论文 在工业中应用的压铸镁合金主要有4 个系列心“i ：a z 系列，m g a 1 z n ；a m 系 列，m g - a 1 - m ma s 系列，m g - a 1 一s i ；a e 系列，m g a 1 ，r e ( r e 或m m ( m i s e h m e t a l ) ，其构成比例为：c e5 0 ，l a2 5 ，n d2 0 ，p r 5 ) 。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。 电絮群厂苴蚀应鼽烈 2 l， 殍缺酌球化刑 31 帆 作为铝台盒串豹 广竞絮1 2 l f i g 1 - 2c o n s u m p t i o no fm a g n e s i u m 图1 2 金属镁的主要应用领域 2 2 钧 _ 鲁 翮 o p 1 0 0 ， s o o 。 一 。 9 1尊39 5叠7辅o y e a r 匕l i r o p e u s a 伪舯 f i g 1 3r 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 si nu s a a n de u r o p ef r o m1 9 9 1t o 2 0 0 7 n 9 1 图1 31 9 9 1 - 2 0 0 7 年北美和欧洲镁合金压铸件需求量n 鲫 1 1 4 镁是未成熟行业 西华大学硕士学位论文 虽然镁合金的发展有其霸己的优势，但是相对于常用的其他合金还是年 轻的工业。 2 0 0 0 年：钢产量是镁的1 7 5 0 倍，铝产量是镁的5 1 倍1 9 9 0 2 0 0 0 年累计： 钢产量是镁的1 8 2 7 倍，铝产量是镁的5 1 倍乜川。 表l - 4 常用金属的产蹩比较( 万吨) 1 t a b l e l - 4t h ep r o d u c t i o no f c o m m o n l ym e t a l 年份钢铝镁 2 0 0 0 年瑚0 02 0 5 04 0 1 9 9 0 年- - 2 0 0 0 年 2 3 7 5 2 0 06 2 1 0 01 3 0 0 未来世界，镁合金铸件将大量被应用是不容质疑的。我国丰富的镁矿资源 为发展镁合金提供了物质基础。仅举一例说明镁合金的应用前景：专家预测， 2 0 1 0 年轿车耗油量一般要降到2 l 1 0 0k m ，要求二氧化碳排放量减低至9 0 m g 埏。当汽车囱重减少1 0 0 k g 、每行驶1 0 0 k m ，可减少油耗0 4l ，因此汽车 采用更多的镁合金铸件是理所当然的。预计2 0 3 0 年全世界将拥有汽车l o 亿辆， 镁合金铸件的用量也是霹想两知。我国在镁合金方面的研究与应用开发才刚刚 起步，与国外相比有较大的差距。可以确信，镁合金作为最有发展前途的金属 材料将被广泛应用于汽车工业及其他各种产品中心4 l 。 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 0 5 3 8 e c 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 e m 3 ，比普通镁合金轻1 4 l 3 ，比铝合金轻1 3 1 2 ，而且还 具有高的比强度、比霆l 度和优良的减振性畿及抗高能粒子穿透的能力，尤其是 酾华大学硕士学位论文 其变形性( 可锻性) 比其他镁合金号，因此是兵器、宇航、汽车、电子等领域 的最理想的优选材料澄1 。 m g - l i 合金除了具备一般镁合金的特点之外，其独有特点可以归纳为以下 几点驯： l 、合金密度一般在1 3 0 0 - - 一1 5 0 0 k g m 3 1 准- 低于基体密度的镁合金体系。 当镬的密度达3 5 ( 质量分数) 时能浮于水面上。 2 、当l i 含量达到5 5 时，出现体心立方结构的p 固溶体，达到1 1 时形 成单一的b 固溶体，即使l i 含量小于5 5 也能改变晶格参数，提高成形性能。 3 、m g - l i 合金强度较低，抗瘸蚀性和熟稳定性较差，且英二元合金几乎 不可热处理强化。 4 、由于金属“的高化学活性，该合金的熔炼比其他镁合金更加困难。 1 2 。l m g - l i 合会的历史与现状嘲陶 1 9 1 0 年，德国m a s i n g 在研究l i 、n a 、k 与m g 相互作用时，意外的发 现m g 和“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、英三匿研究者相继单独研究了镁锂合金的结构转交，测定了二元合金 相图，证实了镁含量达5 7 时出现b c c 。f e e 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 金种添嬲金属铿，使镁基合金的点阵结构由h e p 变成b c c 结构，已期在改善合 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 系合金研制工作，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 轻合金。英后一段时闻，镁锂合金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。但是，仍然取得了一些进展， 洛克希德导弹与航空公司和m m 公司利用n a s a 报告中的l a l 4 1 信息，开 发了飞机耀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 系合金有一系列尚待 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 两华大学硕士学位论文 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爱的可能性。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 ) - 1 - 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。德国入k s c h e m m e 等人首次使用 激光对m g - l i a 1 合金进彳亍表面热处理。翻本人近年来对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( 照) 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一种超 轻镁合金毙重为0 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0 0 4 m 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【3 0 】。许多添加其它金属元素具有较高强度的m g l i 合 金的塑性却缀低。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0 a k a i b y s h e v 对m a 一2 1 ( m g 8 1 l i 5 2 a l _ 4 7 c d 0 。2 1 m n - 1 3 8 z n ) 的超 塑性进行了研究，表明晶粒度为1 5 l x m 的材料中获得了超塑行为，它的应变速 率敏感性指数值m 为o 。5 5 ，在4 5 0 。c 及1 0 。应变速率下获得4 7 5 的延伸率 翳轴。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 一9 0 l i 合 金中取得晶粒度为6 - 3 5 1 x 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。心1 。后来e m t a l e f p 3 3 1 等又制得晶粒度小于6 岬的m g 9 0 l i 合金， 在1 0 0 下获得4 5 0 延伸率。k 。h i g a s h i 和j 。w o l f e n s t i n e 温轧二元两相 m g 8 5 l i 合金，使得其具有非再结晶结构材料的最大延伸率，高达6 1 0 口引。 g g o n z a l e d o n e l 等人取得d 为5 9 m 的m g 9 0 l i 和d 为3 5 9 m 的 m g - 9 。0 l i 一5 0 b 鑫c 材料，在2 0 0 和1 0 q s 叫获得分别为4 5 5 和3 5 5 的延伸 率。嚣本藤谷涉汹3 等人对铸态m g - 8 l i 合金在3 0 0 下得至l3 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究，急阻炉氢气保护熔炼m 分k 合金及其力学性能研 究以及轧制温度方面的研究。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。 两华大学硕士学位论文 1 2 2m g - l i 合金的几个重要体系啪1 m g - l i 合金具有令人羡慕的优点( 低密度，高沈强度，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，主要有2 大系列4 个小系列。 l 、m g l i a 1 系 此系合金研究得相对较多。j a c k s o n 7 3 等首先研究了不同“含量( 4 l l ) 挤压材的力学性能，表明相同l i 含量，随a l 含量增加强度提高，延伸率 下降；相同越含量，随毯含量增加，强伸率度下降，延上升。班含量增加， 力学性能稳定性提高。b u c k 引把注意力集中在6 相区，其研究表明：m g l i a 1 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 。c ) 下高强度缺乏稳定性。f r o s t 端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h 引，可见此合金稳定性很差。 2 、m g - l i z n 系 该系合金警h 和z n 含量对性能的影响基本上与m g 。l i 越系相类似，但 强度更高，脆性较小。由于孙的密度( 6 5 9 c m 3 ) 比a l 的密度( 2 7 9 c m 3 ) 大，所以相同百分含量时，含z n 比含a l 合金的密度稍大。 3 、m g l i a g 系 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b 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6 相区也褥出相同兹结论，并指出 加a g 合金无热处理效果；在伐相区加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 3 合金元素在m g - l i 基舍金中的作用 西华大学硕士学位论文 在m g l i 合金中的合金元素主要有三类：一是固溶度较大的元素，如a g 、 c d 、h g 、z n 、a 1 、i n 、t 1 等，其中研究较多的是灿、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