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1、上海交通大学SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 镁及镁合金的概述读书报告学生姓名: 学生学号 : 专业: 上海交通大学(c) (d) (a) (b) 图 1.1 镁的晶胞 (a) 原子位置 (b) 基面、晶面和 1 2 10 晶带轴的主要晶面(c)1100 晶带轴的主要晶面(d) 主要晶向镁及镁合金的概述1. 绪论20 实际末，由于人们对节能、环保的共识和迫切需求，同时也由于镁的冶炼技术、表面保护技术的发展，世界各国对镁的开发和利用给予新的重视。镁属于轻金属，镁的密度约为铝的2/3，钢的密度的1/4。镁可以通过有效合金化制备合金，最轻的位Mg-Li合金仅为0.95g/c
2、m3，可浮于水面。 随着国际国内镁产品市场开发应用空间的增大，镁资源将发挥更重要的作用，镁可能会成为铜、铝后时代的第一接力棒。近年来，镁合金及其成型技术的研究应用已取得重要进展，镁合金的材料质量不断提高而生产成本得以下降，更能发挥其性能优势的在航空航天和其他高新技术领域有潜在的应用价值。迄今为止，主要的镁合金系有Mg-Al系、 Mg-Zn 系、 Mg-Re 系合金，只要分成两大类铸造镁合金和变形镁合金。2. 镁及镁合金的特性2.1纯镁的特性镁的晶体结构和原子核外层的电子构造决定了镁具有特殊的物理化学性质和力学性能。镁单胞内沿主要晶面和晶轴方向的原子排布如图1.1 所示。在标准大气压和室温下，镁
3、的晶格常数分别为a=0.3202nm，c=0.5199nm，c/a=1.624。其中 c/a 值非常接近由紧密堆积球体得到的理论比值1.632，镁的这种物理结构对理解镁和镁合金的物理冶金非常重要。镁晶格常数a 和 c 与温度的关系如图1.2 所示。室温 (293K) 下镁的密度为1.738g cm-3，接近熔点 (923K)时，固态镁的密度大约为1.65g cm-3，液态镁的密度约为1.58g cm-3。凝固结晶时，纯镁体积收缩率为4.2。固态镁从923K 降温至 293K 时，体积收缩率为5左右。由于镁在铸造和凝固冷却时的收缩量大，从而会导致铸件中形成微孔，使铸件具有低韧性和高缺口敏感性。上
4、海交通大学2.2镁的合金化纯镁的工程应用很少，主要以合金的方式应用。镁合金是最轻的金属结构材料，比重只有 1.8，分别为铝的2/3 和铁的 1/4，其比强度高达133，可以和钛的比强度相媲美，这使得镁合金可用作高强度材料。同时，镁合金因其优良的铸造、挤压、切削和弯曲加工等性能，可以广泛地应用于汽车、电子、纺织、建筑和军事领域。2.2.1 镁合金化的一般规律固溶强化和沉淀强化是镁合金常规的主要强化手段。许多元素对镁的合金化作用是显著的， 凡是在镁中能大量固溶以及固溶度随温度变化有明显变化的元素都是镁合金有效合金化元素。一些工业意义的元素与镁合成二元合金是可以分完三类。完全互溶类（Mg-Cd ）
5、；包晶反应类（Mg-In ，Mg-Mn ，Mg-Zr等） ，此类合金元素可以细化晶粒：共晶反应类（Mg-Al ，Mg-Li ， Mg-Nd 等） ，此类元素主要强化作用。合金元素对镁的力学性能有一定的影响。Al 、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th等这些元素既能提高强度又能提高塑性，Cd、Li 等元素能够提高塑性但是对强度影响很小，Sn、Pb、 Bi、Sb 等元素能够提高强度但是会降低塑性。MgTi 、 MgAg 和 CeMg、SnMg等金属间化合物为简单立方结构，而 MgCu2、MgZn2、MgNi2金属件化合物为Laves 相，还有 Mg2Si、Mg2Sn 等这类化合物为面心立
6、方金属间化合物。2.2.2 合金化元素的影响溶质原子固溶于基体金属中形成置换式固溶体或间隙式固溶体，可以产生固溶强化或在热处理过程中产生沉淀强化。在镁合金中加入的溶质原子大多形成了置换式固溶体。根据 Hume-Rothery 固溶度规则， 当形成置换式固溶体的固溶原子的半径差超过15%时，原子的尺寸因素将不利于形成固溶体，比较镁原子半径与合金元素的半径的大小，大约有 20 个合金元素可以满足上述条件。1）铝是镁合金的主要合金化元素，Mg-Al 合金为镁合金的主要合金系，Mg-Al 二 元相图见图2.1。在平衡条件下铝在镁中的最大固溶度为11.5%，随着温度的下降固溶度明显下降。铝提高镁合金的抗
7、拉强度、屈服强度和硬度，在10%以内随着铝含量的增加强度和延伸率均逐渐提高，但含量过高时，相会在晶界上析出，从而降低合金抗蠕变性能和耐蚀性能，特别是会引起应力腐蚀。铝能改善合金的铸造性能，但是也会有较高的显微疏松倾向。综合兼顾各项性能，含量在8%9%为宜。图 2.1 镁- 铝二元系平衡相图2）锌锌是镁合金中一个重要的元素，相图如2.2.从 Mg-Zn 相图富 Mg 可见， Zn在 Mg 中的最大固溶度为6.2%，但随温度下降溶解度变化比较小，在 341时产生共晶上海交通大学反应 L（Mg ）+MgZn 。Mg 和 Zn 还可以形成一系列化合物，Zn 能改善合金的铸造性能，对 Mg 有一定的固溶
8、强化作用，但没有沉淀强化作用。Zn 一般都是和Al 一起加入形成 Mg-Al-Zn合金系，当镁铝合金中加入少量锌可显著提高铝在镁中的固溶度，增大合金的固溶强化作用，并提高合金的耐蚀性能。但是含量过高时会显著增加合金凝固时的结晶温度间隔， 因而产生热裂和疏松倾向，对耐蚀性能也有不良影响，因此在 Mg-Al合金中 Zn 的含量一般控制在2.5%一下。图 2.2 镁- 锌二元系平衡相图3）锰锰在镁中的固溶度比较小，最大固溶度为0.9%，在650产生包晶反应。Mg-Mn二元相图见图2.3。锰加入镁合金的作用主要是提高合金的耐蚀性能，因为Fe在 Mg 中是严重降低合金耐蚀性的有害元素，Mn 与 Fe 形
9、成高熔点化合物而从镁熔体中沉淀出来，减小 Fe 对镁合金耐蚀性能的危害，在大多数情况下， 只允许加入微量 （0.15%）即可起到明显作用。Mn 还能细化晶粒，改善合金性能，但易产生偏析和脆性相，降低合金塑形和韧性。图 2.3 镁- 锰二元系平衡相图4）锂Li 在镁中有很大的固溶度，在共晶成分范围形成（+）组织，当Li 含 量超过摩尔分数30%后可获得单相组织，而 相位体心立方结构，因此此时的 合金结构产生了改变，大大提高了Mg 合金的塑形。 Li 加入 Mg 中，可降低合金密度，提高塑性， 产生固溶强化和时效强化，但是熔炼体的氧化和蒸发更为恶化，耐蚀性能严重降低，并产生应力腐蚀。5）锆Mg-Z
10、r 二元相图如图2.4，在 650时产生包晶反应，Zr 早液态 Mg 中的最上海交通大学大溶解度很小， 而在固态Mg 中的固溶度较大。Zr 是 Mg 合金最有效的晶粒细化剂，加入 0.2% 0.3%就能显著细化晶粒改善铸件质量，消除显微缩孔，明显改善合金塑形，稍微提高合金抗拉强度。Zr 还能与 Mg 熔体中的杂质Fe 形成 Zr2Fe3和 ZrFe2化合物沉入底部而净化熔体，从而提高合金的耐蚀性能。但是Zr 也与合金中的合金化元素Al 、Mn 形成金属间化合物， 不仅不能使Zr 发挥作用， 也消耗了合金化元素，因此在 Mg-Al 、Mg-Mn 系合金中不加Zr。图 2.3 镁- 锆二元系平衡相
11、图6）钙 钙可以细化镁合金的铸造组织，改善抗蠕变性能，对熔体的氧化有一定的的 抑制作用。在Mg-Al-Ca 合金中所形成的金属键化合物（Mg，Al ）2Ca 有良好的热稳定性，并具有与Mg 相似的六方晶体结构，可与Mg 基体形成牢固的界面结合，具有钉扎作用，因而可提高合金抗蠕变能力，在Mg-Zn-Si 合金中加入微量Ca 不仅可以细化晶粒，还可使 Mg2Si 相有粗大的汉字型转变为细小弥散分布的颗粒，提高合金的室温和高 温性能。7）稀土元素稀土元素式镁合金的重要合金元素，各种稀土元素均可与镁形成有限固溶的共晶系，形成高熔点的金属间化合物，可以细化铸锭组织，产生固溶强化，沉淀强化，提高是问强度、
12、高温强度、蠕变抗力，提高耐蚀性能。研究表明稀土细化镁合金的铸锭组织的机理是凝固前沿过冷的呀增大，对耐热性能的提高主要式高熔点金属间化合物对晶界的钉扎作用。2.2.3 镁合金的热处理镁合金和其他金属材料一样，可通过热处理来改善其性能。镁合金常用的热处理方法有退火， 固溶处理和时效等，其热处理状态的表示方法和铝合金相同。热处理的可能性决定与合金在固态加热和冷却过程中组织结构的变化。镁合金在加热过程中铸造组织均匀化以及变形组织的回复、再结晶规律与铝合金的相同。镁合金的固溶化即过过饱和固溶体的分解是镁合金热处理强化的基础，过饱和固溶体的分解过程也符合借此规则，在析出平衡相之前往往出现GP 区火过渡相的
13、过渡阶段，不同镁合金固溶体的分解有不同特点， 比较复杂， 很多问题有待进一步的研究。主要镁合金系过饱和固溶体的分结过程见表 2.1。表 2.1 镁合金中可能的沉淀过程合金系沉淀过程Mg-Al *SSSS 在(0001)Mg上形核的 Mg17Al12平衡沉淀物 ( 非共格 ) 上海交通大学Mg-Zn SSSS GP 区( 共格) MgZn2( 共格) Mg 2n( 半共格 ) Mg2Zn3 ( 非共格)盘状杆状盘状三角晶系0001Mg 0001Mg 0001Mg a=1.724nm (共格) hcp 2)0211(MgZn(1010)Mg b=1.445nm a=0.52nm hcp c=0.5
14、2nm c=0.85nm a=0.52nm,c=0.848nm =138oMg-RE(Nd) SSSS GP区( 共格) (半共格 ) (非共格 ) (Mg-Nd) Mg3Nd? Mg3Nd Mg12Nd 片状 1010Mg hcp fcc bct DO19超结构片状 a=1.03nm 片状 a=0.736nm c=0.593nm (0001)(0001)Mg (011)(0001)Mg (1010)1010Mg (111) 2110Mg Mg-Y-Nd SSSS？(非共格 ) DO19超结构 Mg12NdY ？ Mg11NdY2？六方结构斜方结构体心立方片状片状 (011)(0001)Mg01)(0001)Mg (0001)(0001)Mg 111 1210Mg 1010 1010Mg 1002110Mg 0100110MgMg-Th SSSS ( 共格) ( 不共格 ) Mg3Th? Mg2Th Mg23Th6 hcp (i) 1六方结构 fcc DO19超结构 (ii) 2fcc a=1.43nm 盘片 1010Mg (半共格 ) Mg-Ag-RE(Nd) SSSS 杆状( 共格) （共格杆状）G.P.区六方结构（0001）Mg a=0.963nm，c=1.024nm 0001Mg SSSS 椭球状 ( 共格) (半共格 )
