轻合金-12-变形镁合金

变形镁合金,象铸造合金那样，变形合金可以按照它们是否含锆而分成两类。但我们一般按不同的变形产品类型（如薄板和厚板合金、挤压合金、锻造合金等）来讨论合金。,为使镁合金更大量地应用于结构上，必须发展变形镁制品，如轧制薄板或厚板、挤压件（棒、杆、型材及管材）和锻件。与铸造产品比较，变形产品具有更低成本、更高强度和延展性以及更多样化的力学性能等优点。镁的挤压技术已取得进展。典型的变形镁合金成分列于下表。,一、常规铸锭冶金,1.加工工艺,由于密排六方的镁变形能力有限，为了在无裂纹发生的前提下使相应坯料得到大的断面减缩，变形的起始工艺常采用热加工。根据合金成份不同，热轧可在300及450间进行。一次热轧道次的压缩率为10-30，热加工时因完全硬化而重新加热的次数为0到5次，依合金而异。AZ31热轧的典型顺序如下：,(i)板坯轧制：开轧温度范围为425450，每道次压缩率为1020，总压缩率为9095。(ii)卷材轧制：开轧温度350440，道次压缩率520，总压缩率为2530，3次中间加热。(iii)最终轧制达到力学性能、尺寸精度和稳定性以及表面质量最优结合，其工序为：开轧温度低于250，每道次压缩率5，总压缩率1525，随后于大约135温度退火。,下表概括了变形镁合金的典型轧制程序。关键之一是注意再结晶晶粒长大温度。,镁的挤压与其它金属类似，商业生产用的标准挤压机吨位为（600）120015000t。下表概括了商业挤压合金的典型挤压程序。,应注意的是，因所用加工温度不同，因而挤制品的力学性能会有很宽的范围。在400以上挤压，挤压合金已发生再结晶。冷挤常在300以下进行，此时在材料内部保留了许多冷加工的显微组织特征，如高密度位错或孪生组织。在再结晶温度以下的温度挤压可使挤压制品获得更好的力学性能(见表)。挤压温度从430降至380，则使AZ31的抗拉强度从245MPa增至300MPa，屈服强度从150MPa增至230MPa，而伸长率由14增至21。,然而，对纯镁来说，挤压温度对力学性能几乎无影响。,2.室温下的力学性能,以下四表分别表示变形镁合金轧制板材、挤压棒材、杆材及型材、挤压管材及锻件的室温下的力学性能。,上表中相关符号含义：O：最软态（退火，再结晶）；H24：应变硬化后退火（中度，50硬）；H26：与H24同，75硬；T8：固溶处理，冷变形并高温人工时效。,上表中相关符号含义：F：加工态；T5；人工时效；T6：固溶处理及人工时效。,a状态符号意义如表4-19所示,a.状态符号意义如表4-19所示,最重要的商业变形镁合金是AZ31B或AZ31C，两者区别在于容许的杂质含量。镁中加铝及锌导致固溶强化并使晶粒细化。例如，由于IMAZ61A较IMAZ31含更高的铝，因此前者是具有极好强度和延展性的挤压和锻造镁合金之一。但较高的铝含量有轧制开裂倾向，故这种合金很少以板材形式供应。,挤压后的ZK60已发展成为一种新型的有前途的变形镁合金。较之Mg-Al基挤压件和锻件来说，该合金最大优点是时效后可得到超过280及210MPa的抗拉屈服强度和压缩屈服强度以及超过10的断裂应变。按强度重量关系，该强度相当于时效状态的铝基7075或7475变形铝合金420MPa的强度值。,3.高温下的力学性能,已开发了高温用的轧制和挤压镁合金，发现加入稀土金属和钍降低晶粒长大及再结晶倾向以及晶界变形能力。由HK31AH24合金制得了第一块镁基合金板材。这是同成分高温铸造合金的冷加工产品。,以下各图分别表示镁合金板材抗拉强度、抗拉屈服强度及断裂应变与温度的关系及IM挤压的镁合金的抗拉强度、屈服强度及断裂应变与温度的关系。温度升高，抗拉强度降低，断裂应变增加。高于350时，断裂应变高达100以上，但应变量与合金成分有关。未发现变形镁合金的低温脆化。众所周知，含钍合金如HM31XA在达到大约370时仍有良好的高温性能。,4.镁锂合金,镁锂合金是最轻的结构金属，在共晶成分范围内具有极优的变形性能和超塑性。共晶成分的Mg-8.5Li合金，其铸态(+)显微组织以基体中分布魏氏组织片的形貌出现。,基于BattelleMemorial研究所在20世纪30年代及40年代早期广泛的研究工作，开发了体心立方的镁合金LA141A（Mg-14Li-1Al），加入锂（=0.55gcm3）后，密度为1.35gcm3。此后的研究致力于镁锂基合金的时效行为、加工性能及显微组织。LA141A合金用于航空工业。下表总结了相应的工程性能。,据报道，在Mg-14molLi中加入第三组元X如铝、银、镉及锌后，由于可生成共格LiaXb相，因而产生更明显的时效强化效应。对过时效敏感是此合金应用有限的一个原因。,Higashi及Wolfenstine报道，当温度在250-375范围以及所采用的真应变速率在10-5s-1及10-3s-1之间时，Mg-8.5Li合金有超塑性行为。该合金的显微组织由未再结晶的相(40Vol)及相(60Vol)两相混合物组成。这种组织是在200温轧得到的。真恒应变速率试验伸长率可达300610，后一数据是在350时，应变速率为410-4s-1条件下获得的。,在相同试验条件下，观察显微组织和m值与超塑应变量之间的关系发现，在超塑应变条件下，显微组织由起始的带状(+)显微组织转变为均匀分布的、等轴的、尺寸为10m的(+)晶粒，而m值由0.4增至0.7。,据报道，三元Mg-Li-Y合金在相当高的应变速率下出现超塑性。应该指出的是，Mg-Li-Y合金的晶粒尺寸较二元Mg-Li合金小。这可能是加入的钇、有着类似于向RSPMg-Al-Zn合金中加入更高数量级添加剂的影响。因显微组织细化而造成的Mg-Li-Y合金高应变速率超塑性有利于商业成形上的应用。,二、变形镁合金的快速凝固工艺,用快速凝固(RS)方法开发和生产商业镁合金集中在两段时期：第一阶段从1950至1960年，DowChemicalCo采用气体雾化法以及后来用旋转冷却盘法（下图a)；第二阶段从1984年至现在，此阶段由AlliedSignal公司的开发(下图b)所促进，继而由遍布欧美的15个机构进一步研究开发。更近一些时期，RS镁合金在日本引起了注意。,三、镁金属基复合材料,四、结论和展望,近来用常规铸锭冶金(IM)进行的开发已获得了可与另一些结构材料相竞争的镁合金。这些改善包括：,(i)高纯镁合金如AZ91E，与大多数商业铝合金比较，具有类似或更好的耐蚀性。AZ合金系列用于汽车仪表壳体、航空和陆上装置如计算机、移动电话、链锯等。(ii)具有高延展性的镁合金如AM系列，用于能量吸收方面，如操纵盘、轮子、汽车座构架等。,(iii)AE42合金、AS系列和ZC63合金有较好的高温性能，用于工作温度达200的发动机和传动零件。(iv)新型镁合金WE43有极好耐蚀性及在高达300温度下长期暴露时极好的热退化抗力。这种合金可用于航空发动机及传动器零件，并可在赛车上应用。,(v)超轻Mg-Li基合金可用作计算机零件及制造更专用装置的塑料替代品，也可用在强度作为次要条件的场合。(vi)在温度高达350的工作条件下，如发动机零件中的活塞，可用镁基MMCs。,常规工艺对镁基变形结构产品未有实质性的考虑，而对未来变形镁合金来说，快速凝固工艺领域是材料科学、研究及生产中最令人激动的领域之一，预料会出现许多创造性的工作。,尽管常规技术及更先进技术取得进展，镁合金仍未为大多数设计者考虑作为一种重要的替代材料。例如，RSP镁合金的现实应用可能性要以航空及汽车的最终用户重新考虑所用零件的设计和选用为前提。镁合金断裂韧性的缺点及可达到的钝化程度到目前为止仍妨碍这些合金为航空工业所关注。而航空工业的应用则是作为近来变形镁合金商业化的一种潜在推动力。,对显微组织性能关系的初步分析集中于Hall-Petch关系的普遍性上，这种普遍性可作为进一步改进性能的参考。,全球市场对镁前景更具体的预测，即使有的话也是很少的，留下许多问题需要进一步分析。,例如，Davi进行了一项使人感兴趣的关于在现有的汽车应用中镁合金零件替代潜力的研究。他认为，可能用约12-16的镁合金零件是易于实现的，用这种镁合金零件时，相当于17-20的减重潜力。他认为，镁基底盘、缓冲装置及车轮在汽车中占有最大市场潜力。但估计镁基车身减重将超过由底盘、缓冲及车轮减重的3-4，使镁零件的总重量从70kg(小客车)到120kg(大客车)