（材料加工工程专业论文）az91d热处理中β相的析出特征对合金组织及力学性能的影响.pdf

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 g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh a oy u a na n dm a y i n g a p r i l ，2 0 11 2 学位论文版权使用授权书 究所 含任 要贡 明的 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名 日期童。t ，年月夕日 日期：年月 日 砂，f分f 乙 1 2 1 镁合金中的合金元素的作用2 1 2 2 制约m g a 1 合金发展的因素3 1 2 3 镁合金的强化机制5 1 - 3a z 9 1 d 镁合金的热处理6 1 3 1 固溶处理7 1 3 2 时效处理7 1 3 3 均匀化退火一8 1 4 本课题研究的意义及目的l o 1 5 本课题研究的主要内容1 0 1 6 本课题的创新点1 1 第2 章实验方法1 2 2 1 实验材料1 2 2 2 实验设备12 2 3a z 9 1 d 镁合金热处理试样制备1 2 2 4 热处理工艺的确定l3 2 4 1 固溶处理工艺参数1 3 2 4 2 时效处理工艺参数1 3 2 4 3 均匀化退火工艺参数1 3 2 5 组织分析1 4 2 5 1 金相分析( o m ) 1 4 2 5 2 扫描电镜分析( s e m ) 1 4 2 5 3 电子探针分析( e p m a ) 1 5 2 5 4 能谱分析( e d s ) 1 5 2 5 5x 射线衍射分析( x r d ) 1 5 a z 9 1 d 热处理中1 3 相的析出特征对组织及力学性能的影响 2 6 力学性能检测15 2 6 1 硬度试验15 2 6 2 拉伸试验15 第3 章固溶处理对a z 9 1d 镁合金时效态微观组织和性能的影响17 3 1a z 9 1 d 镁合金铸态和固溶态的显微组织1 7 3 1 1 铸态的显微组织1 7 3 1 2 固溶处理后的显微组织1 8 3 2a z 9 1 d 镁合金固溶时效处理后的显微组织一2 2 3 2 1 固溶时间对时效热处理后显微组织的影响一2 2 3 2 2p - m g l 7 a l l 2 相的生长特征2 3 3 2 3 固溶时间对时效处理后p m g l 7 a l l 2 相析出特征的影响一2 4 3 3f 3 - m g l 7 a l l 2 相析出特征对a z 9 1d 镁合金的力学性能的影响2 6 3 4 不同热处理状态下a z 9 1 d 镁合金拉伸断口形貌分析2 7 3 5 本章结论2 9 第4 章冷却方式及时效处理对a z 9 1d 镁合金组织及性能的影响3l 4 1 冷却方式对固溶态显微组织的影响3 l 4 2 冷却方式及时效处理对a z 9 1 d 镁合金微观组织的影响3 2 4 2 1 冷却方式及时效处理对a z 9 1 d 镁合金显微组织的影响3 2 4 2 2 冷却方式及时效处理对p - m g l 7 a l l 2 相析出特征的影响3 3 4 3p m g l7 a l l 2 相析出特征对a z 9 1 d 镁合金硬度的影响3 6 4 4 本章结论3 7 第5 章双级均匀化热处理对a z 9 1d 镁合金组织及性能的影响3 8 5 1 铸锭a z 9 1 d 镁合金显微组织3 8 5 24 3 0 下不同热处理方式对a z 9 ld 镁合金显微组织的影响3 8 5 2 1 固溶时效处理对镁合金a z 9 1 d 显微组织的影响3 8 5 2 24 3 0 下双级均匀化退火处理对镁合金a z 9 1 d 组织的影响4 3 5 2 2 1 双级均匀化处理对镁合金a z 9 1 d 显微组织的影响4 3 5 2 2 2 双级均匀化再时效处理对镁合金a z 9 1 d 显微组织的影响4 5 5 34 4 5 下不同热处理方式对a z 9 1 d 镁合金组织的影响4 8 5 3 1 固溶处理对镁合金a z 9 1 d 显微组织的影响一4 8 5 3 24 4 5 双级均匀化退火及时效处理对镁合金a z 9 1 d 组织的影响5 0 5 4p m 9 1 7 a i l 2 相析出特征对a z 9 1 d 镁合金力学性能的影响5 2 5 4 1 b - m g l 7 a 1 1 2 相析出特征对a z 9 1 d 镁合金抗拉强度的影响5 2 5 4 2p - m g l 7 a i l 2 相析出特征对a z 9 1 d 镁合金硬度的影响5 4 5 4 31 3 - m g l 7 a l l 2 相析出特征对a z 9 1d 镁合金延伸率的影响5 5 h i i i 相中。随着固溶时间的延长，a z 9 1 d 中的合金元素在扩散机制的作用下在基体 中趋向均匀分布，晶粒也逐渐长大。固溶处理后经2 0 0 x1 6 h 时效处理时，随 固溶时间的延长，晶界处析出1 3 - m g l7 a l l 2 的数量逐渐增加。lo h 时晶内开始大量 的连续析出，抑制了晶界上的不连续析出，从而使晶界处1 3 - m 9 17 a i l 2 的数量减少。 继续延长时间晶内连续析出增加的同时1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 开始粗化长大。2 4 h 时由于元 素在基体中分布的较均匀，时效处理时1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 相主要在晶内连续析出，颗粒 状的1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相数量较多且分布比较密集，这对合金硬度和强度的提高很有 利。a z 9 1d 镁合金在4 l5 固溶处理1o h 和2 4 h 再时效处理( 2 0 0 l6 h ) 后合 金抗拉强度的变化出现了两次峰值，与铸态相比，分别提高了2 2 2 和3 4 ，硬 度分别提高了3 5 8 和3 4 7 。与重熔后的合金相比，a z 9 1 d 镁合金铸锭晶粒 较大，故在固溶处理过程中，合金元素分布均匀时，需要的温度较高、时间较长。 故经4 3 0 x 2 8 h 、2 2 0 x 8 h 固溶时效处理后，铸锭的硬度和抗拉强度分别提高 了2 9 4 9 和2 4 0 4 。4 4 5 x 2 2 h 、2 2 0 x 8 h 固溶时效处理后，铸锭的硬度和抗 拉强度分别提高了3 1 0 7 和1 8 9 1 。 固溶处理后的冷却方式对形成过饱和固溶体组织和时效时1 3 - m g l 7 a l l 2 相的 析出特征有较大的影响。冷水冷却时，其温度骤然降低，冷却速度快，一方面第 二相来不及析出或析出量很少，在基体中的固溶效果较佳，获得过饱和度较大的 固溶体；另一方面可以将高温的空位最大限度的冻结下来，提高室温下的空位浓 度，获得空位过饱和的晶体。在1 3 - m 9 17 a 1 1 2 相析出的过程中，a l 原子主要通过 空位来扩散，空位浓度越大，溶质原子扩散的越快，那么b m g l 7 a l l 2 相析出的数 量越多。同时过饱和度大的固溶体具有较大的时效析出驱动力。时效处理时，过 饱和度和空位浓度较大的固溶体，析出1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相的数量较多，形状和层片间 距较小。这对提高合金的硬度贡献很大。在2 0 0 下时效处理时，8 h 之前，随着 时效时间的延长，晶界处析出1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相数量逐渐增多。而l6 h 晶界处 a z 9 1 d 热处理中b 相的析出5 特征对组织及力学性能的影响 1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 相数量减少，说明此时晶内开始了大量的连续析出，此时合金的硬度 达到峰值。继续延长时间晶粒开始长大。提高时效温度至2 2 0 ，晶内连续析出 和硬度峰值提前出现，8 h 合金的硬度达到最高。 在能量起伏和浓度起伏两种机制的交替作用下，固溶时效处理后沉淀相 1 3 - m g l 7 a 1 1 2 主要在晶界处以不连续的方式析出，呈细小的条状；而在晶内以连续 的方式析出，呈颗粒状或短棒状。与铸态相比，固溶时效处理后析出的沉淀相 1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 的尺寸大为减小。晶界处不连续析出的细小条状3 - m 9 1 7 a l l 2 相的宽度 和间距约小于4 0 0 n m ，尤其是当以晶内连续弥散析出为主，颗粒状或短棒状 1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 相的尺寸和间距小于4 0 0 n m 时，对提高合金力学性能的贡献很大。 经双级均匀化退火后，合金组织中偏析3 - m g l 7 a i l 2 相消失，在随炉冷却的过 程中以细小的层片状析出。随着时间的延长，3 - m 9 17 a l l 2 相析出量逐渐增加、尺 寸和层片间距变小，对合金的力学性能贡献很大。一定时间后3 - m 9 1 7 a l l 2 相开始 长大聚集，尺寸和层片间距变宽。时效处理后，1 3 - m 9 17 a 1 1 2 相随时间的变化与双 级均匀化退火后的相似，不同的是，相同均匀化条件下，时效后析出1 3 - m 9 17 a i l 2 相数量较多、尺寸较小且分布的更加密集，这对于合金力学性能的提高很有利。 经均匀化退火和均匀化退火再时效处处理后，4 3 0 时合金的布氏硬度和抗拉强 度分别提高了2 5 5 8 、2 9 5 4 和2 5 6 4 、2 7 5 6 。4 4 5 时合金的布氏硬度和 抗拉强度分别提高了2 6 9 6 、3 0 9 8 和2 6 2 8 、2 6 9 2 。 对合金的拉伸断口进行扫描分析发现，经固溶处理后，断口形貌由铸态脆性 的沿晶断裂变为具有一定塑性的穿晶断裂。再经时效处理后，断口形貌又变成脆 性断裂。而均匀化退火后，断口中出现较多的解理台阶和撕裂片，表现为需要能 量较高的穿晶断裂。 关键词：a z 9 1d 镁合金；3 - m g l7 a l l 2 相；固溶处理；时效处理；双级均匀化退火； 力学性能 u a s c a s ta z 91dw e r ea l m o s td i s s o l v e di n t om a t r i xa m gt h o r o u g h l ya f t e rt h es o l u t i o n t r e a t m e n t p r o l o n g i n gs o l u t i o nt i m e ，t h ed i s t r i b u t i o no fa l l o y i n ge l e m e n t si nt h e m a t r i xa p p r o a c h e dt oau n i f o r ms t a t ed u et ot h ed i f f u s i o nm e c h a n i s m ，a n dg r a i n sa l s o g r e wu pg r a d u a l l y p r o l o n g i n gs o l u t i o nt i m e ，t h eq u a n t i t yo fp - m glt a ll2p h a s e d i s t r i b u t e da r o u n dg r a i nb o u n d a r i e si n c r e a s e dg r a d u a l l ya f t e rt h ea g i n gt r e a t m e n ta t 2 0 0 。cf o r1 6 h c o n t i n u o u s l yb e g a np r e c i p i t a t ea tt h ei n n e ro fg r a i n sa t415 f o r10 h ， w h i c hi n h i b i tt h ed i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i n go ng r a i nb o u n d a r ya n dt h eq u a n t i t yo f p - m g l 7 a l l 2p h a s ed i s t r i b u t e da r o u n dg r a i nb o u n d a r i e sr e d u c e d c o n t i n u et oe x t e n d t h et i m e ，c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o na tt h ei n n e ro fg r a i n si n c r e a s e dm e a n w h i l e c o a r s e n e da n dg r e wu p 1 3 - m 9 1 7 a 1 1 2p h a s em a i n l yc o n t i n u o u sp r e c i p i t a t e da tt h ei n n e r o fg r a i n sb e c a u s eo fa l l o y i n ge l e m e n t si nt h em a t r i xd i s t r i b u t e du n i f o r ms t a t ea t 415 f o r2 4 h ，w h i c hw a se x t r e m e l yb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fa z 91d t e n s i l es t r e n g t ha p p e a r e dt w op e a k sa f t e rs o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t s t h et e n s i l es t r e n g t ho fa z 91dw a si n c r e a s e d2 2 2 a f t e rs o l u t i o nt r e a t e da t415 c f o r1o hf o l l o w e db ya g i n gt r e a t m e n ta t2 0 0 f o r16 hc o m p a r e dw i t ht h a to ft h e a s c a s t ，w h i l ei n c r e a s e d3 4 a tt h es a m et e m p e r a t u r ef o r2 4 h a l s ot h e c o r r e s p o n d i n gh a r d n e s sw a si m p r o v e d3 5 8 a n d3 4 7 ，r e s p e c t i v e l y b e c a u s et h e g r a i ns i z eo fa z 9 1dm a g n e s i u ma l l o y i n g o t i s l a r g e r ，w h i c hn e e d e dh i g h e r t e m p e r a t u r ea n dl o n g e rt i m ew h e ne l e m e n t sd i s t r i b u t e du n i f o r m t h eh a r d n e s sa n d t e n s i l es t r e n g t hw a si m p r o v e d2 9 4 9 、2 4 0 4 a n d3 1 0 7 、18 9 1 a f t e rs o l u t i o n t r e a t e da t4 30 。cf o r2 8 ha n d4 4 5 f o r2 2 hf o l l o w e db ya g i n gt r e a t m e n ta t2 2 0 cf o r 8 h t h e r eh a s m a j o r i n f l u e n c eo n f o r m i n gs u p e r s a t u r a t e do r g a n i z a t i o na n d p r e c i p i t a t i o nf e a t u r eo fb - m g l7 a li2p h a s ea f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n tb yq u e n c h i n g i i i a p p e a r e da h e a d ，t h eh a r d n e s so fa l l o yr e a c h e dt h eh i g h e s ta t8 h w i t ht h et w om e c h a n i s mo fe n e r g ya n dc o n c e n t r a t i o nf l u c t u a t i o nw o r k i n g t o g e t h e r ，t h e1 3 - m g l7 a ll2p h a s ed i s c o n t i n u o u s l yp r e c i p i t a t e di ng r a i nb o u n d a r i e si n t h ef o r mo ff i n es t r i ps h a p e ，w h i l ec o n t i n u o u s l yp r e c i p i t a t e da tt h ei n n e ro fg r a i n s w i t hg r a n u l a ro rs h o r tr o ds h a p ed u r i n gt h ea g i n gp r o c e s sa f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n t s t h es i z eo fp r e c i p i t a t e dp m 9 17 a i l 2p h a s eg r e a t l yr e d u c e da f t e rs o l u t i o na n da g i n g t r e a t m e n t sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ea s c a s t t h ew i d t ha n ds p a c eo ff i n e s t r i p b - m g l7 a ll2p h a s ed i s c o n t i n u o u s l yp r e c i p i t a t e di ng r a i nb o u n d a r i e sw e r el e s st h a n 4 0 0 n m ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 9 1dw e r ei m p r o v e dd r a m a t i c a l l y e s p e c i a l l yw h e nt h ew i d t ha n ds p a c eo fg r a n u l a ro r s h o r tr o dp - m g l 7 a l l 2p h a s e c o n t i n u o u s l yp r e c i p i t a t e da tt h ei n n e ro fg r a i n sw e r el e s st h a n4 0 0 n m a f t e rh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gt r e a t m e n t ，t h en e ts e g r e g a t i o n3 - m g l 7 a l l 2p h a s e d i s s o l u t e di n t o0 【一m ga n dt h el a m e l l a rs h a p ep - m g l 7 a i l 2p h a s ep r e c i p i t a t e da g a i n d u r i n gt h eh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gc o o l i n gp r o c e s s p r o l o n g i n gs o l u t i o nt i m e ，t h e q u a n t i t yo fb m g l 7 a l l 2p h a s ei n c r e a s e dg r a d u a l l y , t h es i z ea n dl a m e l l a rs p a c i n g b e c a m es h o r t e r ，w h i c hw a se x t r e m e l yb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fa z 91d 1 3 - m 9 17 a l1 2p h a s eb e g a ng r o w i n gu pa n dg a t h e r e da f t e r2 8 h ，t h es i z ea n d l a m e l l a rs p a c i n gb e c a m ew i d e r a f t e ra g i n gt r e a t m e n t ，t h eq u a n t i t yo f d m g l 7 a l l 2 p h a s eb e c a m el a r g e r ，t h es i z eb e c a m es h o r t e ra n dd i s t r i b u t e dm o r ei n t e n s i v e ，w h i c h w a se x t r e m e l yb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 91d t h e h a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t hw a si m p r o v e d2 5 5 8 、2 9 5 4 a n d2 5 6 4 、2 7 5 6 a f t e rt w o - s t e p h o m o g e n i z a t i o na n dt w o - - s t e ph o m o g e n i z a t i o nf o l l o w e db ya g i n g t r e a t m e n ta t4 3 0 c a n dt h eh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t hw a si m p r o v e d2 6 9 6 、 3 0 9 8 a n d2 6 2 8 、2 6 9 2 a t4 4 5 。 i v a f t e rh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gt r e a t m e n t ，a n dp e r f o r m a n c i n gt r a n s - g r a n u l a rf r a c t u r e w h i c hn e e d e dh i g h e re n e r g y k e yw o r d s ：a z 9 1d m a g n e s i u ma l l o y ；t 3 - m g l 7 a 1 1 2p h a s e ；s o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t ； a g i n gt r e a t m e n t ；t w o - s t e ph o m o g e n i z a t i o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s v 图1 2a z 9 l d 镁合金铸态显微组织4 图1 3 均匀化退火的温度范围( 阴影区) 8 图2 1 拉伸试样示意图1 5 图3 1a z 9 1 d 镁合金铸态显微组织1 7 图3 2 不同时间固溶处理后a z 9 ld 镁合金的显微组织一l8 图3 3a z 9 1 d 镁合金固溶处理前后x r d 物相分析1 9 图3 4 不同固溶时间处理后的元素分布状态2 0 图3 5a z 9 1 d 镁合金固溶处理2 4 h 后在高倍下的显微组织2 1 图3 6a z 9 1 d 镁合金固溶处理后合金中主要元素面扫描分析2 1 图3 7a z 9 1d 镁合金经不同时间固溶处理后再时效后的显微组织一2 2 图3 8 固溶时效后晶界处3 - m g l 7 a l l 2 相的生长特征2 3 图3 9 固溶时效后p - m g l 7 a l l 2 相在高倍下的形态特征2 4 图3 1 0 不同固溶时间下时效后晶界处析出的d 相在高倍下的形貌特征一2 5 图3 1 1 不同固溶时间下时效后晶内析出的1 3 相在高倍下的析出形貌特征一2 5 图3 1 2 不同热处理状态下a z 9 1 d 镁合金的力学性能2 7 图3 1 3 不同时间固溶处理a z 9 ld 镁合金拉伸断口形貌2 8 图3 1 4 不同时间固溶处理再时效a z 9 1 d 镁合金的拉伸断口形貌2 9 图4 2a z 9 1 d 镁合金经不同冷却方式后再时效处理显微组织3 2 图4 3 时效处理后晶界处析出b 相的形貌特征3 4 图4 4 时效处理后晶内析出b 相的形貌特征3 5 图4 5 不同热处理状态下a z 9 1 d 镁合金的力学性能3 7 图5 1 镁合金a z 9 1 d 铸锭与重熔后的显微组织3 8 图5 24 3 0 不同时间固溶处理后a z 9 1 d 镁合金的显微组织3 9 图5 34 3 0 a z 9 l d 镁合金固溶处理后物相分析4 0 图5 44 3 0 a z 9 1d 镁合金固溶处理后合金中主要元素面扫描分析4 1 图5 5 固溶处理后的元素分布状态4 2 图5 64 3 0 a z 9 1d 镁合金经不同时间固溶处理后再时效后的显微组织4 2 图5 74 3 0 a z 9 1d 镁合金经不同时间双级均匀化退火后的显微组织4 3 图5 8 双级均匀化后a z 9 l d 镁合金显微组织2 0 0 x 4 4 图5 94 3 0 a z 9 1d 镁合金经不同时间双级均匀化退火后在高倍下的微观组织 4 5 v i 硕十学位论文 图5 1 04 3 0 a z 9 1 d 镁合金经不同时间双级均匀化退火再时效后的显微组织4 6 图5 1 l4 3 0 a z 9 1 d 镁合金经不同时间双级均匀化退火再时效后在高倍下的微 观组织4 7 图5 1 2a z 9 1 d 镁合金双级均匀化退火后在高倍下的微观组织一4 8 图5 1 34 4 5 经不同时间固溶处理后a z 9 1 d 镁合金的显微组织4 8 图5 1 44 4 5 时a z 9 1 d 镁合金固溶处理后物相分析4 9 图5 1 54 4 5 时a z 9 1 d 镁合金固溶处理后合金中主要元素面扫描分析5 0 图5 164 4 5 a z 9 1 d 镁合金经不同时间双级均匀化退火后的显微组织5 1 图5 174 4 5 a z 9 l d 镁合金经不同时间双级均匀化退火再时效后在高倍下的微 观组织5 2 图5 1 8 两种温度下a z 9 1 d 镁合金的抗拉强度5 4 图5 1 9 两种温度下a z 9 1 d 镁合金的布氏硬度5 5 图5 2 0 两种温度下a z 9 1 d 镁合金的延伸率5 5 图5 2 14 3 0 不同时间双级均匀化处理后a z 9 1 d 镁合金的拉伸断口形貌5 6 图5 2 24 3 0 不同时间双级均匀化再时效a z 9 1d 镁合金的拉伸断口形貌5 7 图5 2 34 4 5 不同热处理状态下a z 9 1d 镁合金的拉伸断口形貌5 8 图5 2 4a z 9 1 d 镁合金高倍下的拉伸断口形貌5 8 v i i a z 9 i d 热处理中b 相的析f j j 特征对组织及力学性能的影响 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼皇i；i i i 皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! ! 皇曼曼曼! 曼璺笪! ! 曼曼! 曼曼量量曼皇曼曼曼蔓苎曼曼! ! 曼 附表索引 表2 1a z 9 1 d 镁合金名义化学成分( 质量分数，) 1 2 表2 2 热处理工艺参数1 3 表2 3 时效处理工艺参数1 3 表2 4 固溶时效处理工艺参数1 4 表2 5 均匀化退火处理工艺参数1 4 表3 1 特殊点能谱分析结果2 1 表5 1 特殊点能谱分析结果一4 0 表5 2 特殊点能谱分析结果5 0 v l i i 硕+ 学位论文 1 1 镁及镁合金的概述 第1 章绪论 镁是地壳中储量最丰富的元素之一，约占地壳组成的2 7 7 ，镁的最主要资 源是海水，海水中含有丰富的镁，含量为0 1 3 ，也就是说每立方米海水中约含 有1 3 k g 镁，因而海水为人们提供了取之不尽的镁资源【1 】。在金属元素中，镁的 储量位居第三，仅次与a l 和f e 。镁的原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 2 ，位 于周期表中第三周期第1 ia 族。镁在2 0 时的密度只有1 7 3 8 9 c m 3 ，与传统材料 相比，镁比所有的金属密度都要小，它的密度是铁的1 5 ，铝的2 3 ，与塑料相近。 是常用结构材料中最轻的金属【2 】。我国的镁资源仅次于澳大利亚居世界第二位， 其中菱镁矿储量占世界的6 0 以上，矿石品位超过4 0 3 1 。所以地球上的镁资源 非常丰富，而我国也是镁资源大国。但是由于镁元素非常活泼，并且纯镁的力学 性能较差，所以传统纯镁的应用非常有限，更是不能满足结构材料的需要。随着 社会的发展，特别是能源和环境等问题的凸现，使人们越来越期望于新材料技术 的突破，以满足社会及工业各部门发展的需求。由于镁元素的一些特殊优点，越 来越多的科学工作者开始致力于镁合金的开发和研究。经过大量科学工作者不懈 的努力，镁合金在社会和工业各部门的应用已经越来越广。与传统的结构材料相 比，镁合金具有以下一些性能特点：比强度高、刚性佳，优于钢、铝等金属； 极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好；优良的热传导性，可改善电子产品散 热问题，特别是对散热要求高的便携式电子产品，如笔记本电脑；非磁性金属， 抗电磁波干扰，电磁屏蔽性佳，不需对产品表面进行屏蔽处理；加工成型性能 好，成品外观美丽，质感佳，无可燃性( 相对于塑料) ；材料可1 0 0 回收，回收 率高，符合环保要求；尺寸稳定，收缩率小，机械性能不易因环境温度变化而 改变，特别是低温性能优良( 相对于塑料) ；与传统结构材料相比，镁合金的制 造能耗要小，尤其是热加工过程中的能耗【4 击】。因而被誉为2 l 世纪“绿色”工程材 料，广泛应用于航空、电子、通讯、计算机以及汽车等工业领域【7 1 ，其用量每年 以15 以上的速度保持快速增长，远远高于其他金属材料的增长速度，正在日益 受到国内外镁及镁合金零部件生产企业、科研院所和政府的高度重视。 镁合金的性能缺点主要表现如下： 镁合金的强度低：虽然镁合金的比强度较高，但其绝对强度还是比较低。 室温下砂型镁态镁的拉伸强度仅为9 0 m p a 左右，且随着温度上升强度急剧下降。 通过合金化、变形、晶粒细化和热处理等手段可以在一定程度上提高了镁合金的 强度，但是目前其屈服强度和拉伸强度还是不高于2 0 0 m p a 和3 0 0 m p a ，比铝合金 a z 9 i d 热处理中p 相的析f i j 特征对组织及力学性能的影响 的强度低。通过快速凝固i s 】和增强体复合强化【9 】可以大幅度提高镁合金的强度， 但要采用这些方法进行大量生产存在很多困难。因此，根据镁合金的特性采用传 统强化方法来挖掘镁合金的潜力具有一定的工程价值，特别是通过热处理手段可 以起到事半功倍的效果。 镁合金的塑性差：镁合金的塑性差主要是由镁合金的晶体结构决定的。根 据v o nm i s e s 准则，多晶体材料必须有5 个独立的滑移系才能保证塑性变形时各 晶粒变形的协调。然而多数镁合金具有密排六方结构，对称性低。低于4 9 8 k 时 镁合金的变形通过基面 0 0 0 1 上( 1 1 2 0 ) 方向滑移和锥面 1 0 1 2 ) 上( 10 1 1 ) 力- 向孪生 来实现【1 0 】。当变形量较大时，会沿孪生区域( 尤其在压缩时) 或者沿大晶粒的基面 0 0 0 1 ，产生区部穿晶断裂，因而室温下的冷变形量一般不超过1 0 2 0 。铸造 镁合金的晶粒粗大、存在成分和组织偏析、铸造缺陷多，导致其塑性更差，这些 因素严重影响了工业化生产。有人【2 】通过l n 、l i 和g d 等元素合金化降低镁的晶 轴比( e a ) 和基面滑移的分切应力，提高了塑性变形能力。 镁合金的耐蚀性差：镁的标准电极电位为一2 3 7 v ，比铝( 1 7 l v ) 低，是电 负性很强的金属，其耐蚀性很差。镁在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机 酸甲醇等介质中均会发生剧烈的腐蚀；只有在干燥的大气、碳酸盐、氟化物、铬 酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水和酸的润滑油中才稳 定。镁在室温下很容易被空气氧化，产生一层很薄的氧化膜。这种薄膜多孔疏松， 脆性较大，远不如铝及铝合金的氧化膜坚实致密，耐蚀性很差。在储存和使用过 程中，必须采取适当的措施防止镁的腐蚀，如表面氧化和涂油、涂装等。 镁合金的压铸性能虽比大多数铝合金好，但在铸造过程中成分偏析较为严 重。镁合金中镁及合金元素容易被空气氧化生成热脆性较大的氧化膜，这些氧化 物比重接近或略高于镁合金，容易形成夹杂，造成压铸件的性能不稳定。另外， 镁合金在热处理温度下扩散系数较小，热处理时间较长。 1 2 镁合金力学性能改善的途径 1 2 1 镁合金中的合金元素的作用 与其他金属材料一样，镁合金主要通过合金元素产生的固溶强化、沉淀强化 和弥散强化等作用来提高镁合金的性能。镁合金的主要合金元素有a 1 、z n 、m n 、 z r 、a g 及稀土元素等。一般而言，影响合金元素的固溶度的主要因素为：晶体 结构、原子价及电化学因素。镁由于具有较大的原子半径和较强的正电性，大部 分合金元素在镁中的固溶度很小，且易与镁形成金属间化合物，故镁的合金化元 素相对较少1 。 主要合金元素在镁合金中的作用如下所述【1 2 - 2 1 1 ： 2 金中，z n 元素含量一般控制在2 以下。但最近对高锌镁合金的研究有了显著的 进展，其室温性能接近其他种类的镁合金。 m n 元素的作用：在镁合金中添加锰并不能提高合金的抗拉强度，但是能稍 微提高屈服强度。锰通过除去镁合金液中的铁及其他重金属元素、避免产生有害 的金属间化合物来提高m g a 1 合金和m g a 1 z n 合金的抗海水腐蚀能力，在熔炼 过程中部分有害的金属间化合物会分离出来。此外，锰还可以细化晶粒，而且本 身也起一定的固溶强化作用。镁合金中锰的含量通常低于1 5 ，在含铝的镁合 金中，锰的固溶度仅为0 3 。 稀土元素的作用：r e 对镁合金的屈服强度和抗拉强度都能提高。r e 与a 1 结 合生成a 1 1 1 r e 3 及a 1 2 r e 等化合物，减少了a 1 形成低熔点相m g l 7 a 1 1 2 的数量，有利 于提高镁合金的蠕变性能。重要的是，a l 与r e 的化合物具有很高的熔点，如 a 1 1 l r e 3 熔点为12 0 0 。c ，并且在q m g 中的扩展速度慢，因此具有很高的热稳定性。 z r 元素的作用：对于含z n 、a g 、r e 、y 、t h 的镁合金，可加z r 细化晶粒， 改善性能。但对于含有a i 、m n 的镁合金则不能进行加z r 以细化晶粒。z r 可以清 除熔体中的a 1 、m n 和s i 。 1 2 2 制约m g a 1 合金发展的因素 m g a i 合金沿用了传统的铸造工艺，在工业铸造条件下是一个非平衡的凝固 过程，所获得的合金组织中存在严重的偏析和粗大的1 3 一m g l 7 a i l 2 相沿晶界分布， 严重制约了镁合金性能的发挥。 图1 1 为m g a i 二元相图。以a z 9 1d 为例，在平衡凝固条件下，当合金以 缓慢的速度冷却至相图中液相线时，从液相中开始析出q 相，即：l q 。铝原 子通过扩散使q 相的合金成分趋于均匀化，当冷却到固相线时液相全部转化成q 相，此时组织为成分均匀的固溶体。继续冷却至固溶度曲线以下时，1 3 m g l 7 a i l 2 3 a z 9 1 d 热处理中1 3 相的析出特征对