轻金属第一讲

1、 授课教师：吴红艳授课教师：吴红艳电电 话：话Email： 南京信息工程大学南京信息工程大学镁镁钛钛锂锂铝铝铍铍轻金属材料轻金属材料课程描述课程描述选修课总学时：32周学时：2授课方式：讲授考核方式：出勤+课堂+考试课程内容铝、镁及钛的概况铸造镁合金及变形镁合金镁基合金材料及其成型方法 特种镁合金及镁合金的后处理及加工 钛合金材料新技术 变形铝合金及加工技术 参考教材 潘复生 ，轻合金材料新技术，化学工业出版社 ，2008张玉龙，实用轻金属材料手册实用轻金属材料手册 ，化学工业出版社 ，2006陈振华等， 镁合金，化学工业出版社 , 2004 陈振华等， 变形镁合金，

2、化学工业出版社 , 2004 镁镁 及其及其 合金合金 简简 介介镁由菱镁矿、光卤石、盐矿、卤水以及海水中提炼制取，主要通过熔融氯化镁（MgCl2）电解还原得到。在25时纯镁密度为1.76g/m3，密度比铝小，熔点为650。 镁具有密排六方结构，滑移系较少。在250以上由于增加了滑移系，塑性较好。屈服强度和弹性模量较低。在大气中有足够的耐蚀性，在氢氟酸、碱和矿物油中也耐蚀，但在淡水、海水中耐蚀性差。镁合金的特点镁合金的特点p密度小、质量轻；密度小、质量轻；p比强度和比刚度高；比强度和比刚度高；p良好的导热导电性能；良好的导热导电性能；p良好的良好的电磁屏蔽能力；电磁屏蔽能力；p镁的标准电极电位

3、比铝还低，并且它的表面氧镁的标准电极电位比铝还低，并且它的表面氧化膜是不致密的，故化膜是不致密的，故抗蚀性较差抗蚀性较差，铸件均需进，铸件均需进行行表面氧化处理和涂层保护表面氧化处理和涂层保护。镁合金的合金元素镁合金的合金元素Mg合金的合金强化机制合金的合金强化机制与与Al合金大致相同合金大致相同，固溶强，固溶强化和时效硬化是主要强化手段，只是没有化和时效硬化是主要强化手段，只是没有Al合金那样合金那样明显。因此，凡是能在明显。因此，凡是能在Mg中大量固溶的元素，都是中大量固溶的元素，都是强化强化Mg合金的有效合金元素。合金的有效合金元素。合金元素主要有：合金元素主要有：Al、Zn、RE、Li

4、、Ag、Zr、Th、Mn、Ni等，在镁合金中有等，在镁合金中有固溶强化、沉淀强化、细固溶强化、沉淀强化、细晶强化晶强化等作用。等作用。镁合金的合金元素镁合金的合金元素Ag(15.5)，Al (12.7%)，Zn（8.4），），Li（5.7），），Th（4.5）是是高强度高强度镁合金的主要合金元素，镁合金的主要合金元素，如如Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr和和Mg-Nd-Ag系合金。系合金。这类元素形成的这类元素形成的Mg4Al3（Mg17Al12）、）、MgZn2、Mg23Th6和和Mg12Nd2Ag等在等在Mg中有明显的溶解度变中有明显的溶解度变化，是化，是Mg合金的主要强化相，有较强的合

5、金的主要强化相，有较强的时效硬化效时效硬化效应应。镁合金的合金元素镁合金的合金元素Zr（3.8），），Mn（3.4）主要作用是细化）主要作用是细化晶粒，但也有净化合金（消除杂质晶粒，但也有净化合金（消除杂质Fe），提），提高抗蚀性和耐热性的作用。高抗蚀性和耐热性的作用。稀土元素（稀土元素（RE）：）：Y（12.5），），Nd（3.6），），La（1.9），），Ce（0.85），），Pr（0.5%），混合），混合RE（以（以Ce或或La为主）。为主）。镁合金的合金元素镁合金的合金元素稀土元素与镁不仅共晶温度比Mg-Al和Mg-Zn系高，Mg-RE系的固溶体和稀土化合物（Mg9Nd，Mg9Ce等）

6、的耐热性也高，原子扩散速度慢，有利于抗蠕变性能，故Mg-RE-Zr和Mg-RE-Mn系合金是耐热Mg合金，可在150250工作。 RE除了提高耐热性外，还能降低液、固二态合金的氧化速度，改善铸造和变形性能。Nd的综合作用最佳，能同时提高室温和高温强化效应；Ce和混合RE次之，有改善耐热性的作用，但常温强化效果很弱；La的效果较差，比不上Nd和Ce。 镁合金的分类镁合金的分类分为两类分为两类，变形镁合金和铸造镁合金。不过，变形镁合金和铸造镁合金。不过，许多镁合金既可做铸造合金，也可做变形合金。许多镁合金既可做铸造合金，也可做变形合金。经锻造和挤压后，变形合金比同成分的铸造合经锻造和挤压后，变形合

7、金比同成分的铸造合金有更高的强度。金有更高的强度。镁合金的热处理类型镁合金的热处理类型T1部分固溶加自然时效；部分固溶加自然时效； T2 铸后退火；铸后退火；T3 固溶加冷加工；固溶加冷加工； T4 固溶处理加自然时效；固溶处理加自然时效；T5 人工时效；人工时效； T6 固溶处理加人工时效；固溶处理加人工时效；T7 固溶处理加稳定化处理；固溶处理加稳定化处理； T8 固溶处理、冷加工加人工时效。固溶处理、冷加工加人工时效。镁合金在汽车工业中的应用镁合金在汽车工业中的应用镁合金在镁合金在3C工业中的应用工业中的应用DVD外壳外壳手机外壳D E L L :D E L L : 支 撑支 撑TFT

8、LCDTFT LCD面板面板的 上 盖 和 机的 上 盖 和 机身 底 座 下 盖身 底 座 下 盖皆为镁合金皆为镁合金镁合金在航空领域中的应用镁合金在航空领域中的应用美军美军B-36重型轰炸重型轰炸机：每架用机：每架用4086Kg镁合金簿板。镁合金簿板。镁合金牌号镁合金牌号变形镁合金牌号冠以，铸造镁合金冠以，后面标以序号。国际上按美国ASTM（American Society for Testing Materials）标准划分镁合金。合金牌号用四位数表示,前两位为英文字母，代表合金系中的主合金化元素，后两位数字则分别代表各合金元素的名义成分（质量分数）。合金中字母与所对应的元素为：A铝，B

9、铋，C铜，D镉，E稀土，F铁，H钍，K锆，L锂，M锰，N镍，P铅，Q银，S硅，T锡，W钇，Z锌。例如AZ91表示Mg-Al-Zn系合金，其中Al的名义成分为9%，Zn的名义成分为1%。变形镁合金变形镁合金主要合金系：主要合金系：Mg-Zn-Zr、Mg-Al-Zn、Mg-RE-Zr、Mg-Mn、Mg-Li系。系。Mg-Zn-Zr系合金系合金 这类合金是热处理强化变形镁合金。MB15为其中的一种。成分：w(Zn)=56%，w(Zr)=0.30.9%，w(Mn)=0.1%。强化相是Mg2Zn3，当加热到400左右，强化相溶于基体。但使质点Zr溶解，要加热到更高温度，一般固溶处理温度为505-515，

10、时效温度160-180。从液态析出的Zr强烈细化晶粒。热处理：固溶+人工时效；热变形+人工时效。后者可提高合金的塑性。 Mg-Zn-Zr系合金系合金应用应用：MB15为高强度变形镁合金，耐蚀性好，热处理工艺简单，制作形状复杂的大型构件，如飞机上的机翼长桁、翼肋等，使用温度不超过150。缺点缺点是焊接性差，不能做焊接件。加入稀土元素Nd-提高耐蚀性和强度；加Y-提高强度；加La-提高室温强度、高温强度和焊接性。Mg-Mn系合金系合金合金中过饱和固溶体析出相为-Mn，故热处理强化作用小。一般使用退火组织。具有较好的耐蚀性和焊接性。MB1的成分：w(Mn)=1.31.5%，高温塑性好。在MB1合金基

11、础上加入少量Ce（0.150.35%），成为MB8。Ce与镁形成化合物Mg9Ce，并呈细小弥散分布于基体中，起强化合金和细化晶粒的作用。MB8有中等强度和较高的塑性。可生产管材、板材、锻件，目前已取代MB1镁合金，用于生产飞机的蒙皮、壁板及润滑系统的附件。使用温度低于200。Mg-RE系耐热镁合金系耐热镁合金Nd、Y、Ce等稀土元素可显著等稀土元素可显著提高镁合金的提高镁合金的工作温度工作温度。重要的合金系有Mg-Nd， 可利用Mg9Nd的沉淀强化作用。Nd含量在3时室温强度可达到最大值。加Mn和Ni可进一步提高Mg-Nd合金的蠕变性能。铸造镁合金铸造镁合金主要合金系：主要合金系：Mg-Zn-

12、Zr、Mg-Al-Zn、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Nd-Ag系。系。含稀土元素的铸造镁合金总数的比例，除个别国家含稀土元素的铸造镁合金总数的比例，除个别国家外，都占半数以上。外，都占半数以上。铸造镁合金中加铸造镁合金中加RE元素，可提高镁合金熔体的流动元素，可提高镁合金熔体的流动性，降低微孔率，减轻疏松和热裂倾向，并提高耐性，降低微孔率，减轻疏松和热裂倾向，并提高耐热性。热性。Mg-Al-Zn系合金系合金Mg-Al合金中铝含量高于4%才有足够数量的Mg17Al12强化相，故一般铝含量要高于7%才能保证合金有足够的强度。 加入Zn提高合金的固溶度，有效提高合金的屈服强度。加入Mn

13、提高耐蚀性，消除杂质Fe对耐蚀性的不良影响。Mg-Al-Zn系合金系合金Al和Zn含量对模铸性能的影响，如图9-17（P138）。在Mg-Al合金中Zn含量在一定范围内易引起热裂。ZM5（一种常用镁铝锌合金）经固溶处理+时效，具有较好的力学性能，用于制作飞机机舱连接隔框、发动机、仪表上的承受载荷的结构件。加稀土的ZM5合金，铸造性能好、减少疏松和热裂倾向，提高了在200下的蠕变抗力和耐蚀性（与变形镁合金影响相同），用于生产飞机发动机前舱和离心机匣。Mg-Zn-Zr系合金系合金Mg-Zn合金中有沉淀强化相合金中有沉淀强化相Mg2Zn3 ，其介稳相，其介稳相MgZn2有强化效果。有强化效果。当当Z

14、n含量含量 时，合金强度时，合金强度 。但超过。但超过6时，强度提时，强度提高不明显，而塑性下降较多。高不明显，而塑性下降较多。加少量加少量Zr可细化合金组织，改善力学性能；加可细化合金组织，改善力学性能；加Cd和和Ag可增大固溶强化作用；加可增大固溶强化作用；加RE可改善工艺性能，可改善工艺性能，但力学性能稍有下降。但力学性能稍有下降。Mg-RE-Zr系耐热铸造合金系耐热铸造合金添加添加稀土稀土使镁合金的工作温度提高到使镁合金的工作温度提高到250300 ，具有具有良好的高温强度良好的高温强度。Mg-Nd中中Mg9Nd有稳定有稳定的沉淀强化效应，介稳相的沉淀强化效应，介稳相- -Mg3Nd抗

15、聚集长大能力强，即使在高温也能抗聚集长大能力强，即使在高温也能保持较高强度。保持较高强度。加入一定量加入一定量Zr可进一步细化晶粒，使组织和性能更可进一步细化晶粒，使组织和性能更稳定，并改善耐蚀性。稳定，并改善耐蚀性。铸造镁合金的生产特点铸造镁合金的生产特点熔炼镁合金在熔炼镁合金在650以下进行，要用以下进行，要用惰性气体惰性气体和保护溶渣和保护溶渣。 熔炼含铝的镁合金（易吸氢）要熔炼含铝的镁合金（易吸氢）要进行脱氢处进行脱氢处理理，否则易产生铸造疏松。，否则易产生铸造疏松。 常用细化晶粒的方法是加六氯乙烷，加入量常用细化晶粒的方法是加六氯乙烷，加入量为为0.025-0.1%。 镁加工性能的优点 1溶化成本只有铝的232压铸生产效率比铝高25，金属模铸造比铝高300500K，消失模铸造比铝高2003镁铸件的表面质量和外观明显比铝好(因为模具的热载荷减小，可降低检查频率)4模具寿命是铝的2倍(或更多，根据模腔形状)5镁脱棋斜角可很小(可取消随后的机加工)，而且表面成形好(因为镁的粘度低)1和铝金属模铸造相比，镁压铸生产有较高的残余废料率镁压铸生产有较高的残余废料率(和铝压铸废料产出率相比)2镁压铸或THIXOMOLD的生产设备的生产设备投资投资很高很高。和铝重力低压硝模等工艺比，镁压铸机很贵(因为需要较高的锁模力和充型射料速度)，当然它的生产率也是前者的