（材料加工工程专业论文）微量sb对mg8zn4al03mn镁合金显微组织及阻尼性能的影响.pdf

摘要 摘要 目前应用最广的a z 9 1 合金具有较高的室温强度，优良的铸造工艺性能以及低成 本等优点，但这种合金的高温力学性能差，长期的使用温度不能超过1 2 0 。虽然具 有良好高温性能的m g a i s i 和m g a i r e 合金已被开发出来，但它们的铸造性能差 或者成本较高限制了其在铸造方面的应用。因此，开发出低成本并且具有良好高温性 能的新型镁合金显得越来越重要了。而本文研究的m g ，8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金正是最有 希望满足以上需要的合金系。 s b 是一种低价格并且在镁合金中具有良好应用前景的合金元素，目前己有人将其 应用在a z 9 1 合金中。但它对m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金的影响目前国内外尚未见报道。 另外，镁是所有金属材料中自身阻尼性能最好的，通过变质处理( 合金化) 能够显著提 高其力学性能，但变质处理( 合金化) 对其阻尼性能影响方面的研究却很少。 本文采用金相组织观察( o m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、能量 散射光谱( e d x ) 、显微硬度、动态机械热分析仪( d m a ) 等分析手段，系统地研究了添 加不同含量的s b 以及不同的热处理工艺对m g 一8 z n 4 a i 一0 3 m n 镁合金显微组织及阻 尼性能的影响。 对铸态组织研究结果表明：加入微量s b 后m g 。8 z n 4 a i ，0 3 m n 合金的显微组 织由基体c 【( m g ) 固溶体，白色的三元相m 9 3 a i z n 6 、z ( m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 ) 以及黑灰色的共晶 c t ( m g ) 组成。与无变质m g - 8 z n - 4 a i 一0 3 m n 合金相比，加入s b 的合金中生成了两 种新相m 9 3 a 1 z n 6 相及m 9 3 s b 2 相。 j n x 0 3 s b 可显著细化m g 一8 z n 一4 a i 一0 3 m n 合金的铸态组织，晶粒大小由1 2 0 1 3 0 1 a m 减少到5 0 6 0 j m 加入不同量s b 后， m g 一8 z n 一4 a i - 0 3 m n 合金晶界上的三元相均呈断续状分布，其中，加入o 3 s b 的合金 中三元相的分布比较均匀。随着s b 加入量的增加，m g - 8 z n - 4 a i 一0 3 m n 合金基体 的显微硬度呈增加的趋势。s b 的加入量为0 1 、o 2 、0 3 、o 4 、o 5 时， m g 一8 z n - 4 a 1 0 3 m n 合金基体的显微硬度增加量分别达2 6 、6 9 、8 _ 8 、9 r 8 、 1 1 5 ；s b 的加入促进了a l 、z n 原子向基体a ( m g ) 中的扩散。随s b 加入量的增 加，基体a ( m g ) 中a 1 、z n 原子的含量也逐渐增加。 对热处理结果研究表明：加入不同量s b 的m g 8 z n 一4 a i 0 3 m n 合金经固溶处 摘要 理1 2 h 后，加入s b 合金基体组织中的三元相分布都比铸态时的要均匀，且有一部分 三元相溶入了基体中。 加入不同量s b 的合金经固溶处理后各合金的显微硬度较铸 态时都有明显的提高，加入0 1 s b 、0 2 s b 、o 3 s b 、0 , 4 s b 和0 5 s b 合金的 显微硬度分别升高：4 4 5 、7 0 4 、1 3 3 6 、4 7 4 和4 4 5 。固溶处理后添加o 3 s b 合金的显微硬度最高。人工时效可明显提高加入变质剂s b 后台金的显微硬度。其 中加入o 3 s b 合金对效后的显微硬度最高。总的来看，合金的显微硬度随时效时 间的延长呈现出先增大后减小的变化规律，而且合金的硬度曲线峰值大致都出现在8 小时处。 对阻尼性能研究表明：加入s b 降低了m g 8 z n 一4 a i 0 3 m n 合金在低温下的阻 尼性能，但提高了合金在高温下( 8 0 ) 的阻尼性能。随着温度的升高，无论是经s b 变质后的合金还是无变质台金中都出现了明显的温度内耗峰，只是出现的温度不同。 其中无变质合金中出现在1 0 0 c 左右，而s b 变质后的合金则大约出现在1 2 0 c 左右。 s b 的加入推迟了合金中内耗峰的出现温度。a 1 5 t i b 的加入不仅提高了含金低温下 的阻尼性能而且提高了合金在高温下的阻尼性能。在o 1 h z 的低频下，0 2 5 a 1 5 t i b 变质合金在室温时即表现出了q 4 一o 0 t 的高阻尼性能。同s b 一样，加入r e 虽然 降低了合金在低温下的阻尼性能，但明显提高了其在高温下( 8 0 o ) 的阻尼性能。由 于高温下合金中相界面的软化及粘性滑动，不同r e 加入量合金在高温下均存在一个 温度内耗峰，只是出现的温度不同。r e 的加入推迟了温度内耗峰的出现温度。随 着测试频率的升高，无论是变质合金还是无变质合金的阻尼性能均不断下降，这表明 m g 一8 z n 一4 a 1 0 3 m n 合金在低频下具有更好的阻尼性能。加入变质剂后 m g 8 z n - 4 a 1 - 0 3 m n 合金的阻尼机制主要是界面阻尼机制和位错阻尼机制。可动位错 密度越高，晶粒越细，晶界和相界越多，阻尼性能越好。二者迭加的结果决定了 m g 一8 z n 一4 a i 一0 3 m n 合金的宏观阻尼行为。 关键词：m g 一8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金，s b ，显微组织，热处理，阻尼性能 i i a b s t r a c t e f f e c to fs bo nm i c r o s t r u c t u r ea n dd a m p i n gc a p a c i t y o f m g 一8 z n - 4 a i - 0 3 m nm a g n e s i u m a l l o y a b s t r a c t a z 9 1a l l o yw h i c hi sw i d e l yu s e da tt h ep r e s e n tt i m eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h a m b i e n t t e m p e r a t u r es t r e n g t h ，g o o dc a s t i n gp r o p e r t ya n d l o wc o s t h o w e v e ri ti su n s u i t a b l e f o ru s ea tt e m p e r a t u r e sa b o v e1 2 0d e g r e ed u et oi t sp o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa te l e v a t e d t e m p e r a t u r e a l t h o u g hm g - a i s ia n dm g a 1 - r ea l l o y sw e r ed e v e l o p e df o ra p p l i c a t i o na t e l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，t h e i rl i m i t e dc a s t a b i l i t yo rh i g h e rc o s th a sr e s t r i c t e dt h e i rc a s t i n g a p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt od e v e l o ps o m en e wm a g n e s i u ma l l o y sw i t hl o w c o s ta n d h i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tr o o ma n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e t h ea l l o yo f m g 一8 z n 一4 a i - 0 3 m ns y s t e mi sp r o m i s i n g t om e e tt h ea b o v e r e q u i r e m e n t s t h el o wc o s ts bi sa n a l l o y i n ge l e m e n t t h a th a sb e t t e rp r o s p e c to f a p p l i c a t i o ni nm a g n e s i u m a l l o y s a tp r e s e n t ，i th a s b e e nu s e di nt h ea z 9 1m a g n e s i u m a l l o yt oi m p r o v e i t sh e a t r e s i s t a n c e h o w e v e r ，t h ee f f e c to f s bo nt h em g 一8 z n - 4 a i 一0 3 m nm a g n e s i u m a l l o yw a s n o t r e p o r t e di n s i d ea n do u t s i d eo f c h i n a o t h e r w i s e ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo f m a g n e s i u m i st h e b e s ti nt h em e t a l l i cm a t e r i a l s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a g n e s i u m a l l o y sc a n b e i m p r o - v e e d b ym o d i f i c a t i o n t r e a t m e n to b v i o u s l y n e v e r t h e l e s s ，s t u d yo fe f f e c to fm o d i f i c a t i o n t r e a t m e n to nt h ed a m p i n g c a p a c i t y i sv e r yf e w i nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n t so fa d d i n gv a r i o u sa m o u n to fs ba n dc o n d u c t i n gd i f f e r e n t h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so nm i c r o s t r u c t u r e sa n dd a m p i n gc a p a c i t yo fm g 一8 z n 一4 a l 一0 3 m n b a s e da l l o yw a ss t u d i e db yu s i n gm e a s u r e m e n t so fo p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e ( o m ) ，x - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n e l e c t r i cm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d x ) ，m i c r o - h a r d n e s s t e s ta n dd y n a m i cm e c h a n i c a l a n a l y s i s ( d m a ) t h ea s - c a s tm i c r o s t r u c t u r eo fm g - 8 z n - 4 a i - 0 3 m nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a t ：( 1 ) t h em i c r o s t r u c t u r e so f m g - 8 z n 一4 a i - 0 3 m nb a s e da l l o y sw i t hs ba d d i t i o ni s c o n s i s t e do f m a t r i x c t ( m g ) s u p e r s a t u r a t i n gs o l i ds o l u t i o n ，w h i t e “m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 ) a n dm 勘 a 1 z n 6t e r n a r y - p h a s e sa n db l a c k g r a ye u t e c t i ca ( m g ) p h a s e s ( 2 ) t w on e w p h a s e s ( m g z a i z n 6 a n dm 9 3 s b 2 ) w e r ef o r m e di nt h ea l l o y sw i t hs ba d d i t i o nc o m p a r e dw i t ht h ea l l o yw i t h o u ts b a d d i t i o n ( 3 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo fm g 一8 z n 一4 a 1 - 0 3 m na l l o yc a nb er e f i n e do b v i o u s l yb yt h e a d d i t i o no f0 3 w t s b i t s g r a i ns i z er e d u c e sf r o m1 2 0 1 3 0 9 mi n t h e o r i g i n a la l i c yt o 5 0 - 6 0 “r n ( 4 ) t h em o r p h o l o g yo fx ( m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 ) a n d 平( a 1 2 m g s z n 2 ) t e m a r y - p h a s e so nt h e g r a i n b o u n d a r i e s c h a n g e s f r o m q u a s i c o n t i n u o u sn e t s h a p e o ft h e o r i g i n a la l l o y t o d i s c o n t i n u o u s s h a p e a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft e r n a r y p h a s ei nt h e a l l o yw i t h0 3 w t s b a d d i t i o ni su n i f o r mr e l a t i v e l y ( 5 ) t h em i c r o h a r d n e s sv a l u e so fm a t r i xo fa l l o y si n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n go fs ba d d i t i o n t h em i c r o h a r d n e s sp e a k - v a l u ei n c r e m e n to f t h em a t r i x o f m g - 8 z n - 4 a 1 0 3 m n - x s ba l l o y r e a c h e s 2 6 ，6 9 ，8 8 ，9 8 a n d1 1 5 1 i i a b s t r a c t r e s 口e c t i v e l yw i t ht h ea d d i t i o no f 0 1 ，o 2 ，o _ 3 ，0 4 a n do 5 s b ( 6 ) t l l ea d d i t i o no f s b c a l lp r o m o t et h ed i f f u s i o no f t h ea t o m so fa la n dz nt oe u t e c t i ca ( m g ) t h cm a t r i xc o n t e n t s o f a ia n dz na t o m si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go f s ba d d i t i o n t h er e s u l t so fh e a tt r e a t m e n t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h ed i s t r i b u t i o no ft e r n a r yp h a s e si nt h e m a t r i x e so fa l l o y sw i t hs ba d d i t i o na r em o r eu n i f o r mt h a nt h eo r i g i n a la l l o ya f t e rt h eh e a t t r e a t m e n to f1 2h r s ( 2 ) c o m p a r e dw i t ht h ea l l o yw i t h o u tm o d i f i c a t i o n , m i c r o - h a r d n e s s p e a k - v a l u e s h a v eo b v i o u s i m p r o v e m e n t a f t e rt h eh e a tt r e a t m e n t n l ei n c r e m e n to f m i c r o h a r d n e s s p e a k - v a l u e so f a l l o y s i s4 4 5 、7 , 0 4 、1 3 3 6 、4 7 4a n d4 4 5 w i t ht h ea d d i t i o n o f o 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 a n d0 5 s br e s p e c t i v e l y t h em i c r o - h a r d n e s so f a l l o yw i t ho 3 w t s b i st h eh i g h e s ta tt h ec o n d i t i o no fh e a tt r e a t m e n t ( 3 ) t h em i c r o - h a r d n e s so fa l l o y 、 ，i t hs b a d d i t i o nc a nb ei m p r o v e d b ya g i n go b v i o u s l y t h em i c r o h a r d n e s so f a l l o y 埘t i l0 3 w t s b i st h eh i g h e s ta f t e ra g i n g i naw o r d ，a st h et i m ei n c r e a s i n g ，t h em i c r o h a r d n e s so f a l l o y s p r e s e n tt h ec h a n g i n gr u l eo fi n c r e a s i n gf i r s ta n dt h e nd e c r e a s i n ga n dt h em i c r o - h a r d n e s s 口e a k v a l u e so f a l l o y si so b t a i n e da ta a g i n gt i m eo f 8h r s t h er e s u l t so f d a m p i n gc a p a c i t ys h o wt h a t ：( 1 ) t h ea d d i t i o no fs bd e c r e a s e st h el o w t e m p e r a t u r ed a m p i n gp r o p e r t i e s ，h o w e v e r , i n c r e a s e st h eh i g ht e m p e r a t u r e ( _ 8 0 c ) d a m p i n g p r o p e r t i e so fm g 一8 z n - 4 a 1 - 0 3 m na l l o y n 坨o b v i o u sd a m p i n gc a p a c i t i e sc o m ef o r t hi nt h e a l l o y sw i t ho rw i t h o u ts ba d d i t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e h o w e v e r , e m e r g i n g t e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n t t h ce m e r g i n gt e m p e r a t u r eo fa l l o yw i t hm o d i f i c a t i o ni s1 0 0 a n d t h a t o f a l l o y w i t hs ba d d i t i o n i sa b o u t1 2 0 c h e n c e ，t h ea d d i t i o no f s bd e l a y s t h ee m e r g i n g t e m p e r a t u r eo fd a m p i n gc a p a c i t yo fm g - 8 z n - 4 a i 一0 3 m na l l o y ( 2 ) t h ea d d i t i o no fa 1 5 t i b i m p r o v e st h el o wa n dh i g h t e m p e r a t u r ed a m p i n gp r o p e a i e s 。t h eh i 曲d a m p i n gp r o p e r t y ( q q = 0 0 1 ) c a nb eo b t a i n e db yt h e0 2 5 w t a 1 5 t i ba d d i t i o na tt h er o o mt e m p e r a t u r ea n d 0 1 h z ( 3 ) t h er o l eo fr ea d d i t i o ni s s a l n et ot h a to fs b ，w h i c hd e c r e a s e st h el o w t e m p e r a t u r ed a m p i n gp r o p e r t i e s a n d i n c r e a s e st h e h i g ht e m p e r a t u r ed a m p i n g p r o p e r t i e s ( 8 0 * c ) o n et e m p e r a t u r ed a m p i n gc a p a c i t yp e a ke x i s t si nt h ef o u ra l l o y sa tt h e h i g ht e m p e r a t u r ea n dt h ee m e r g i n gt e m p e r a t u r e i sd i f f e r e n tb e c a u s et h es o f t n e s s a n d v i s c o s i t ys l i d eo fi n t e r f a c e sa tt h eh i 盐t e m p e r a t u r e t h ea d d i t i o no fr ea l s od e l a y st h e e m e r g i n gt e m p e r a t u r eo fd a m p i n gc a p a c i t yo fm g 8 z n 一4 a 1 - 0 3 m na l l o y ( 4 ) t h ed a m p i n g p r o p e r t i e sd e c r e a s ec o n t i n u o u s l yw i t ht h ei m p r o v e m e n to f t e s t i n g 厅e q u e n c y , w h i c hr e v e a l s t h a tt h eb e r e r d a m p i n gc a p a c i t y c a r lb eo b t a i n e di nt h el o w 疗e q u e n c y ( 5 ) t h em e c h a n i s m o f d a m p i n gc a p a c i t yo fm g 一8 z n 一4 a 1 0 3 m na l l o ya f t e rm o d i f i c a t i o ni sm a i n l yt h ei n t e r f a c e d a m p i n gm e c h a n i s m a n dd i s l o c a t i o nd a m p i n gm e c h a n i s m t h eb e r e td a m p i n g c a p a c i t yc a n b eg o tw h e nt h e h i g h e rd e n s i t yo fm o v a b l ed i s l o c a t i o n ，t h ef i n e rg r a i na n dt h em o r e i n t e r f a c e sa n dg r a i nb o u n d a r i e s n l ec o m _ r n o nr o l eo ft h e t w om e c h a n i s m sd e c i d e st h e m a c r o + s t r u c t u r a ld a m p i n g c a p a c i t yo f m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 3 m nm a g n e s i u m a l l o y k e yw o r d s ：m g - s z n - 4 a i 一0 3 m nm a g n e s i u ma l l o y ，s b ，m i c r o s t r u c t u r e , t h e r m a lt r e a t m e n l d a m p i n gc a p a c i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 早在2 0 世纪7 0 年代初，由于世界范围内的石油危机，汽车制造商们转向寻求利 用镁合金制造汽车部件，以减轻车重，降低油耗【lj 。2 0 世纪9 0 年代以后由于各国环 保部门对汽车尾气排放的限制，镁合金在汽车上的应用急剧增加【2 j 。采用轻质材料 制造某些汽车部件，可显著减轻汽车自重以降低能耗、减少污染、提高效率。有统计 表明汽车自重每降低1 0 0 k g ，油耗就可减少0 7 l k m d ； 汽车自重每减轻1 0 ，燃 油效率可提高5 5 4 1 。近十几年来，镁合金在许多工业领域的应用呈现良好的发展前 景。以往镁的主要用途是生产铝合金，其次用于钢液脱硫、球墨铸铁的生产。但是， 到了1 9 9 0 年，压铸镁台金已上升为仅次与铝合金的第二大用户，压铸镁合金如此之 高的增长率归因于对产品轻量化的要求日益迫切，以及镁合金性能不断地改善及压铸 技术的显著进步。当前，北美、欧洲和日本等发达国家加大投入进行镁合金和镁基复 合材料的开发应用研究，其中包括现有的商业化镁合金，开发中的镁合金和镁基复合 材料。镁合金的应用研究重点从宇航和兵器等领域扩展到民用高附加值产业。 镁合金密度一般小于2 9 e m 3 ，是现有工业应用合金中密度最小的材料，其密度约 为铝合金的6 3 ，锌及钢的2 2 。m g 合金还具有优良的切# l , j m i 和抛光性能。具有 高的比强度和比刚度，高的抗震能力，能承受比a i 合金更大的冲击载荷。其机械加 工性能优良，易加工且加工成本低，加工能量仅为铝合金的7 0 t5 1 ，其耐磨性能比低 碳钢好得多，已超过压铸铝合金a 3 8 0 ，其减振性能、磁屏蔽性能则远优于铝合金， 并且还有高的导热和导电性能，以及无毒性的特点，所以综合性能优良的镁合金可应 用范围遍布于汽车、计算机、通讯等广阔领域。 近年来，汽车成为镁合金应用的重要方面。为了降低能耗，减少汽车尾气造成的 环境污染，利用镁合金是汽车轻量化的有效途径之一。西方的几家大汽车公司都大力 推进镁在汽车工业上的应用，有8 0 以上的镁合金铸件用于汽车工业。现在已有阀壳、 齿轮箱、曲轴箱、车轮、前灯支承托架、离合器壳体、变速箱等几十种零部件大规模 应用于汽车上。表1 列出了目前在汽车中可能应用镁合金的零部件 6 1 。 第一章绪论 表1 目前在汽车中可能应用镁合金的零部件 发动机和传动零部件车体内部零部件 齿轮箱，进气歧管，曲轴箱，汽缸头盖，方向盘，座位零件，后座，仪表盘，驾驶杆 油泵壳，贮油槽，变速箱，支架零部件，刹车和离合器踏板 底盘零部件车身零部件 车轮，发动机托架，后支承托架，前后悬 内螺栓凸缘部分( 铸件) ，车身板材( 变形件) ， 臂 挤压零部件( 挤压件) 除了汽车领域，镁合金应用的另一个重要领域是在“3 c ”产品方面的应用【7 j 。“3 c ” 产品属于镁合金的高端应用领域，指电脑、通讯、家用电子产品。从1 9 9 0 年起，电 子产业一直保持着快速增长的势头。电子工业硬件部分的发展与新技术和新产品的开 发紧密相关。目前，日本和台湾在这一领域保持领先地位，除生产笔记本电脑、m d 随身听和数码相机三大采用镁合金最多的产品外，还开发出带镁合金部件的手机、投 影机、电视机外壳、c d 播放机、掌上电脑( p d a ) 、音响等。随着消费者对轻、薄、 短、小以及时尚新潮的要求越来越高，在“3 c ”产品的外壳应用上，镁合金已有逐渐取 代a b s 等材料的趋势。 我国是镁资源大国，具有储量、产量、出口量及成本最低4 个世界第一。我国的 菱镁矿储量约2 7 亿t ，占全球储量的2 25 ，同时，储量巨大的自云石矿和青海的盐 湖，也含有十分丰富的镁资源。但镁合金应用开发严重滞后，8 0 以上作为初级原料 廉价出口，属典型的以牺牲资源和环境为代价的原料出口型工业。 目前，中国已经加入w t o ，汽车市场的竞争会越来越激烈，国外对镁合金的研 究和应用也是刚起步，而国内在资源方面占有绝对优势，研究方面也取得了很大的发 展。随着我国西部大开发战略的实施和加入世贸组织以及国际产业结构的调整，发展 镁合金产业正面l 缶重大的历史机遇与挑战。我国政府对镁合金的发展动向也给予了高 度重视。 尽管镁合金有这么多的优势，但镁合金的应用到目前仍受许多因素的约束。其中， 阻碍镁合金广泛应用的一个重要原因是其蠕变性能和高温性能较差。为了扩大镁合金 的应用范围，高温镁合金的研究开发已成为必然的发展趋势。为此，许多年来，研究 者们一直致力于开发兼有良好的蠕变性能、高温力学性能和压铸性能的新型镁合金。 第一章绪论 一一 1 2 高温镁合金的国内外研究现状 多数镁合金属于密排六方结构，只有四个独立的滑移系。根据v o n m i s e s 喁1 准则， 若多晶体材料产生塑性变形并在晶界上仍保持其完整性，则每个晶粒必须至少有五个 独立的滑移系。蠕变是一个在高温条件下缓慢的塑性变形过程，与常温拉伸过程相比， 在微观机制上不仅滑移系增多而且还有晶界滑移。在蠕变过程中晶界滑移将提供另外 两个有效的滑移系，此时满足v o n m i s e s 准则，合金将发生高温蠕变。目前强化镁舍 金基体以提高镁合金高温蠕变性能的主要手段是固溶强化、析出强化和弥散强化。目 前应用的所有镁合金都是析出型强化合金，开发弥散强化的高温镁合金是扩大镁合金 高温应用的潜在途径【9 1 。 近年来，在高温镁合金的研究领域己经取得了很大进步。例如，m g o z r 合金不仅 在室温下的力学性能有了很大改善，而且其高温性能也得到了极大提高，过去只能耐 1 5 0 。c ，现在能耐3 0 0 c 高温。因为s i 在镁合金中主要形成m 9 2 s i 相，弥散分布在晶 界周围，且m 9 2 s i 具有较高的熔点、热稳定性，只有在4 0 0 c 时才变得不稳定，因此 在m g - a 1 合金中添加一定量的s i 也可以使镁合金高温抗蠕变性能明显提高。但迄今 为止，发展最为成功的高强度、耐热性好的镁基合金是m g y _ n d 基的w e 5 4 ( m g 5 1 y - 3 3 r e ( n d ) - 0 5 z r ) 和w e 4 3 ( m g 一4 0 y - 3 3 r e ( n d ) 一0 5 z r ) 合金【l o 】。 目前，材料研究工作者已经相继开发出了一些适用于一定温度下的高温镁合金 系，主要集中在m g a i 系、m g z n 系和m g r e 系。 1 2 1 m g a i 系高温镁合金 m g - a i z n 系高温镁合金 m g 一9 a 1 0 8 z n ( a z 9 1 ) 合金具有优良的铸造性能、较高的室温强度和良好的抗腐 蚀性能及低成本等优点，是当前应用最广泛的镁合金，但它的高温力学性能差，长期 使用温度不能超过1 2 0 。c 。主要是由于a z 9 1 合金中含铝量较高( 9 ) ，其沉淀强化 相为m 9 17 a 1 1 2 。m g l t a l l 的热稳定性较低( 熔点只有4 3 7 。c ) ，在从室温加热到2 0 0 。c 时， m g lt a i l 2 相的硬度便减少5 0 6 0 t “1 ，从而失去强化作用。 研究表明，提高镁合金高温性能的主要途径【1 2 1 有：在晶界析出细而弥散的析出 相，n n 止n g 滑移；增大晶粒尺寸，以增大扩散距离，使晶界扩散作用降低； 通过固溶强化增大基体的弹性模量；形成的熔点高，热稳定性好第二相。加入富 第一苹绪论 集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界处的晶格空位，改善晶界附近的 组织形态。已发现的表面活性元素如c e 、c a 、s r 、b a 和s b 均能改善镁合金的高温 性能1 1 3 】。 基于上面所提到的方法，加入c a 、s i 、s b 、s n 、b i 、r e t l 4 - 2 1 等元素微合金化a z 9 1 d 台金以提高其高温力学性能。s b 在a z 9 1 合金中的存在方式主要有两种：( 1 ) 固溶 八b m g l 7 a 1 1 2 相；( 2 ) 以m 9 3 s b 2 形式弥散析出，其具有六方d 5 2 结构，热稳定性好 ( 熔点1 2 2 8 c ) 。m 9 3 s b 2 通过弥散分布于基体中起弥散强化作用，弥补了a z 9 1 合金 中强化相m g l 7 a i l 2 的不足，可改善其室温和高温性能。使a z 9 1 合金在1 5 0 2 0 0 。c 区 间的蠕变寿命显著提高，大幅度降低其稳态蠕变速率。b i 可细化m g l 7 a 1 1 2 沉淀相并 可阻止时效过程的m g l t a l l 2 相的非连续沉淀，形成的棒状m 9 3 b i 2 ( 熔点8 2 1 ) 也 可有效提高a z 9 1 的高温蠕变性能。在镁中加入s n 能有效改善铸锭组织，并在基体 中形成具有立方c 1 结构的m 9 2 s n ( 熔点7 7 0 c ) 颗粒相，也能有效提高合金的耐热 性。稀土元素具有净化合金液、改善合金的铸造性能、细化和变质组织、提高力学性 能，以及提高合金的抗氧化和蠕变性能。r e 元素的加入会使m g a 1j 2 沉淀相的数量 减少且细化，还能形成棒状的a i i i r e 3 ( 熔点大约在1 2 4 0 6 c 左右) 相，a i i l r e 3 对a z 9 1 合金的室温极限抗拉强度影响很小，但是可显著提高1 5 0 。c 时的极限抗拉强度和延伸 率，屈服强度随r e 加入而增加。c a 加入到a z 9 1 合金中可以细化枝晶的尺寸和 m g l 7 a l j 2 相。随着c a 量的增加，a 1 2 c a ( 熔点1 0 7 9 c ) 相形成而使m g l 7 a 1 1 2 相的量 减少，从而提高a z 9 1 合金的高温性能。由于c a 溶入到f l - m g l 7 a i l 2 相中，提高了 1 3 - m g l 7 a 1 2 相的热稳定性，同时在基体中形成了弥散分布的m 9 2 s i ( 熔点1 0 8 0 c ) 相 而使合金的热稳定性更高，可使合金的蠕变速率降低2 个数量级。 m g - a i - s i 系高温镁合金 2 0 世纪7 0 年代t 德国大众公司发明了一种靠空气冷却的大功率引擎，这就需要 曲轴箱及进排气管能够在1 5 0 的高温下使用。为此，d o w 公司和大众公司合作开发 了m g a i s i 合金瞄1 ，其主要合金品种有：a s 4 1 和a s 2 1 。 s i 在m g - a j s i 合金中形成m 9 2 s i 相，该相具有高熔点( 1 0 8 0 。c ) 、高硬度( 4 6 0 h v ) 、 低密度( 1 9g t l m ) 和低热膨胀性口3 1 。热稳定分析表明，m 9 2 s i 相在3 0 0 以下相当稳 定，因而可以显著提高镁合金的抗蠕变性能。 但是，m g - a i s i 合金中形成的m 9 2 s i 相往往以汉字块形态出现，使合金的机械性 第一章绪论 能特别是延伸率下降。对含s i 的m g - a 1 合金高温性能研究结果阱1 表明：在m g a s i 粒 子周围产生很大的应力集中，促进显微空洞的萌生和扩展。随着温度的增加其空洞随 之增大，因而使机械性能下降较快。所以，m g a l - s i 合金在提高耐高温性能方面十 分有限。 m g - a 1 s i 合金的另一个缺点是：由于s i 的加入，合金的流动性变差，因为每增 加1 的s i ，m g s i 合金的液相线温度提高4 0 ( 2 这将降低合金的压铸工艺性能。另 外，a s 系镁合金中的a l 含量较低，在压铸条件下成型困难，容易产生热裂，因而其 应用也受到了一定的限制。 针对a s 系列合金的不足，通用汽车公司对m g a i s i 。c a - x 系合金进行了开发。 试验表明【2 5 1 ，通过添加c a 和s r 形成新的金属间化合物( t a g ，a 1 ) 2 c a 可以明显地改善 m g a i s i 系台金的流动性，并提高其抗热裂性能。压铸试验表明，所开发的新型镁 合金已可以满足传动部件的要求。 m g - a i - r e 系高温镁合金 2 0 世纪3 0 年代，人们发现r e 可以提高镁合金的强度。7 0 年代，f o e r s t e r t l 】报道 了加1 的混合稀土提高m g s i 合金耐高温性能试验。此后，开发了用于压铸的a e 4 2 合金，在提高镁合金耐高温性能方面a 1 r e 相比m g a s i 相作用更大【2 甜，合金元素r e 比s i 更为有效。 在m g - a i 合金中加入1 左右的r e 会形成含r e 的化合物，如a l l l r e 3 相、a 1 2 r e 相或a h r e 相，而不会产生m g r e 或m g - a 1 - r e 相，表明在r e 加入量较少时，r e 与m g 难于结合形成化合物；由于r e 与a l 结合生成a 1 一r e 化合物减少了低熔点 m g l v a l n 化合物的数量，有利于提高合金的高温性能，且r e a 1 化合物具有较高的熔 点，如a i i i r e 3 的熔点为1 2 0 0 c ，而且该化合物在m g 基体中的扩散速度慢，因而表 现出很高的热稳定性。 a e 4 2 合金的含a l 量为4 ，根据m g a 1 二元相图：随着a l 量降低，m g a i 合金 的凝固温度间隔增大，流动性降低。不加r e 时，m g 一4 a 1 合金的流动性比a z