镁合金的成分、组织和性能.ppt

第2章镁合金的成分 组织和性能 2 1概述 工业用镁的纯度可达到99 9 但是纯镁不能用作结构材料 在纯镁中加入铝 锌 锂 锰 锆和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度 可以作为结构材料广泛应用 在20世纪20年代至30年代晚期 镁合金的开发和应用达到第一个高峰 在20世纪50年代 达到第二个高峰 从20世纪90年代至今是第三个高峰 2 2镁合金成分对性能的影响 2 2 1镁合金的合金化特点 1 晶体结构因素根据休谟一饶塞里定则 Hume RotheryRules 金属结构相同 原子尺寸 电化学特征相近 才能形成无限固溶体 镁具有密排六方晶体结构 hcp 其它常用的密排六方金属 如锌和铍 不能满足上述条件 不能与镁形成无限固溶体 只有镉可满足上述条件 在高温 253 下 能与镁形成无限固溶体 2 原子尺寸因素溶质和溶剂原子大小的相对差值在15 以内才可能形成无限固溶体 如图2 1所示 对镁来说 金属元素中约有1 2可能形成无限固溶体 约1 10的金属元素相对差值在15 左右 其它则在15 以外 3 电负性因素溶质元素与溶剂元素之间的电负性相差越大 生成的化合物越稳定 Darken Gurry理论认为 电负性差值大于0 4的元素不易形成固溶体 镁具有较强的正电性 当它与负电性元素形成合金时 几乎一定形成化合物 这些化合物往往具有拉弗斯 Laves 型结构 同时其成分具有正常的化学价规律 拉弗斯相是一种金属间化合物 它借大小原子排列的配合而实现密堆结构 其分子式为AB2 A原子半径大于B原子半径 尽管形成拉弗斯相的主要因素是尺寸因素 但是电子浓度在确定其结构类型和稳定性方面起着重要作用 典型的拉弗斯相包括三种 MgCu2 立方 MgZn2 六方 MgNi2 六方 MgCu2型有LaMg2 MgZn2型有BaMg2 CaMg2 化合物的稳定性可用熔点来表示 表2 1列出镁合金化合物的熔点 可见 Mg17Al12熔点最低 Mg2Si熔点最高 所以 Mg Al合金耐高温性能较差 而Mg Si耐高温性能较好 表2 1镁合金化合物的熔点 4 原子价因素业已指出 当溶质和溶剂的原子价相差越大 则溶解度越小 与低价元素相比 较高价元素在镁中的溶解度较大 所以 尽管Mg Ag和Mg In之间原子价差是相同的 但一价银在二价镁中的溶解度比三价铟在镁中的溶解度要小得多 2 2 2镁合金成分与牌号 目前 国际上倾向于采用美国试验材料协会 ASTM 使用的方法来标记镁合金 镁合金中合金元素代号见表2 2 镁合金牌号中两位数字表示主要合金元素的名义质量分数 其局限性是不能表示出有意添加的其它元素 由于这个原因 这种体系需要改进 后缀字母A B C D E等是指成分和特定范围纯度的变化 如AZ91E表示主要合金元素为Al和Zn 其名义含量分别为9 和1 E表示AZ91E是含9 Al和1 Zn合金系列的第五位 表2 2镁合金中合金元素代号 2 2 3镁合金的分类及热处理 镁合金的分类有三种方式 化学成分 成形工艺和是否含锆 根据化学成分 以五个主要合金元素Mn Al Zn Zr和稀土为基础 组成基本合金系 Mg Mn Mg Al Mn Mg Al Zn Mn Mg Zr Mg Zn Zr Mg RE Zr Mg Ag RE Zr Mg Y RE Zr Th也是镁合金的一种合金元素 组成合金系 Mg Th Zr Mg Th Zn Zr Mg Ag Th RE Zr 因Th具有放射性 基本不再使用 按有无Al 分为含Al镁合金和不含Al镁合金 按有无Zr 可分含Zr合金和不含Zr合金 根据加工工艺划分 镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类 见图2 2 两者没有严格的区分 铸造镁合金如AZ91 AM20 AM50 AM60 AE42等也可以作为锻造镁合金 图2 2镁合金的分类 目前国外在工业中应用较广泛的镁合金是压铸镁合金 主要有以下4个系列 AZ系列Mg Al Zn AM系列Mg Al Mn AS系列Mg Al Si和AE系列Mg Al RE 我国铸造镁合金主要有如下三个系列 Mg Zn Zr Mg Zn Zr RE和Mg Al Zn系列 变形镁合金有Mg Mn Mg Al Zn和Mg Zn Zr 中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比见表2 3 常见压铸镁合金和变形镁合金的化学成分分别见表2 4 表2 5 镁合金热处理采用与铝合金同样的系统标示 常用的有 T4 固溶处理 T5 人工时效 T6 固溶处理后人工时效 表2 3中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比 表2 4压铸镁合金的化学成分 质量分数 表2 5变形镁合金的化学成分 质量分数 2 2 4合金元素对组织和性能的影响 合金元素对镁合金组织和性能有着重要影响 上面已经提到 加入不同合金元素 可以改变镁合金共晶化合物或第二相的组成 结构以及形态和分布 可得到性能完全不同的镁合金 镁合金的主要合金元素有Al Zn和Mn等 有害元素有Fe Ni和Cu等 见图2 3 图2 3合金元素和有害金属对镁的腐蚀速率的影响 3 NaCl溶液 1 铝在固态镁中具有较大的固溶度 其极限固溶度为12 7 而且随温度的降低显著减少 在室温时的固溶度为2 0 左右 铝可改善压铸件的可铸造性 提高铸件强度 但是 Mg17Al12在晶界上析出会降低抗蠕变性能 特别是在AZ91合金中这一析出量会达到很高 在铸造镁合金中铝含量可达到7 9 而在变形铝合金中铝含量一般控制在3 5 铝含量越高 耐蚀性越好 但是 应力腐蚀敏感性随铝含量的增加而增加 2 锌在镁合金中的固溶度约为6 2 其固溶度随温度的降低而显著减少 锌可以提高铸件的抗蠕变性能 锌含量大于2 5 时对防腐性能有负面影响 原则上锌含量一般控制在2 以下 锌能提高应力腐蚀的敏感性 明显地提高了镁合金的疲劳极限 3 锰在镁中的极限溶解度为3 4 在镁中加入锰对合金的力学性能影响不大 但降低塑性 在镁合金中加入1 2 5 锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向 从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能 锰略微提高合金的熔点 在含铝的镁合金中可形成MgFeMn化合物 可提高镁合金的耐热性 由于冶炼过程中带入较多的元素Fe 通常有意加入一定的合金元素Mn来去除Fe 所以 Mn在镁合金中存在有两类作用 一是作为合金元素 可以提高镁合金的韧性 如AM60 此类合金中Mn含量较高 二是形成中间相AlMn和AIMnFe 此类合金中Mn含量较低 迄今为止 镁合金中含AlMn相的结构还不很清楚 Mn与Al结合可形成中间相 AlMn Al3Mn Al4Mn Al6Mn或Al8Mn5 Wei研究了压铸Mg Al基镁合金 认为含Mn相根据形态分两类 一种为花瓣形 另一种为等轴或短棒状 AlMn相在挤压镁合金AM60组织中的结构为具有规则外形的等轴状 4 硅可改善压铸件的热稳定性能与抗蠕变性能 因为在晶界处可形成细小弥散的析出相Mg2Si 它具有CaF2型面心立方晶体结构 有较高的熔点和硬度 但在铝含量较低时 共晶Mg2Si相易呈汉字型 大大降低合金的强度和塑性 硅对应力腐蚀无影响 5 锆在镁中的极限溶解度为3 8 Zr是高熔点金属 有较强的固溶强化作用 Zr与Mg具有相同的晶体结构 Mg Zr合金在凝固时 会析出 Zr 可作为结晶时的非自发形核核心 因而可细化晶粒 在镁合金中加入0 5 0 8 Zr 其细化晶粒效果最好 Zr可减少热裂倾向和提高力学性能和耐蚀性 降低应力腐蚀敏感性 6 钙可细化组织 Ca与镁形成具有六方MgZn2型结构的高熔点Mg2Ca相 使蠕变抗力有所提高并进一步降低成本 但是 Ca含量超过1 时 容易产生热裂倾向 Ca对腐蚀性能产生不利影响 可能提高镁合金Mg 9Al抗应力腐蚀性能 7 稀土元素常用的稀土元素 RE 有Y和混合稀土 MM 混合稀土包括Ce Pr La Nd等 各种稀土元素在镁中的溶解度相差很大 Y在镁中的极限固溶度最大 为11 4 Nd居中 为3 6 La和Ce最小 分别为0 79 和0 52 稀土元素可显著提高镁合金的耐热性 细化晶粒 减少显微疏松和热裂倾向 改善铸造性能和焊接性能 一般无应力腐蚀倾向 其耐蚀性不亚于其它镁合金 Nd的综合性能最佳 能同时