1、第二章鎂合金的成分、組織和性能，2 .1概述，工業(yè)鎂的純度可達99.9，但純鎂不能用作結(jié)構(gòu)材料。純鎂加上鋁、鋅、鋰、錳、鋯、稀土形成的鎂合金，強度高，可以廣泛用作結(jié)構(gòu)材料。20世紀20年代和30年代后期鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用達到了第一個頂峰。20世紀50年代達到了第二個高峰。從20世紀90年代到現(xiàn)在是第三個高峰。2 .2鎂合金成分對性能的影響，221鎂合金的合金化特征，(1)晶體結(jié)構(gòu)元素根據(jù)休謨的超細規(guī)則(HumeRothery Rules)，金屬結(jié)構(gòu)相同，原子尺寸，電化學(xué)特性相似，才能形成無限的固溶體。鎂有高密度的六字晶體結(jié)構(gòu)(hcp)，鋅和鈹?shù)瘸Ｓ玫钠渌呙芏攘纸饘俨荒軡M足這些條件，不能形成

2、鎂和無限固溶體。只有鎢才能滿足這些條件，在高溫(253)下，鎂和無限的固溶體可以形成。(2)原子尺寸因素溶質(zhì)和溶劑原子大小之間的相對差異在15以內(nèi)才能形成無限的固溶體。如圖2-1所示，鎂的情況下，金屬元素中約有12個可以形成無限的固溶體，約110的金屬元素相對差異約為15，其余為15。(3)電負性因素溶質(zhì)元素和溶劑元素之間的電負性差異越大，生成的化合物越穩(wěn)定。DarkenGurry理論認為，由于電負性差異大于0.4的元素，很難形成固溶體。鎂具有較強的正電荷，形成負電性元素合金時幾乎必須形成化合物。牙齒化合物往往具有Laves型結(jié)構(gòu)，同時其成分具有正常的化學(xué)價定律。拉福斯相是一種金屬間化合物，通

3、過大小原子排列的協(xié)調(diào)，形成比AB2，A原子半徑，B原子半徑更大的分子式密集的結(jié)構(gòu)。拉巴斯相形成的主要因素是尺寸因素，但電子濃度對確定結(jié)構(gòu)類型和穩(wěn)定性有重要作用。典型的拉弗斯像有三種：MgCu2(立方體)、MgZn2 (6個字符)和MgNi2 (6個字符)。MgCu2類型lamg 2；MgZn2具有BaMg2、CaMg2?；衔锏姆€(wěn)定性可以用熔點來表示，表2-1列出了鎂合金化合物的熔點。您可以看到Mg17Al12熔點最低，Mg2Si熔點最高。因此，Mg-Al合金的耐高溫性不好，Mg-Si的耐高溫性好。表2-1鎂合金化合物的熔點，(4)原子價因素指出溶質(zhì)和溶劑的原子價差異越大，溶解度越低。與低價元

4、素相比，高價元素中的溶解度很大。因此，Mg-Ag和Mg-In之間的原子擴散是相同的，但一價銀對二價鎂的溶解度遠小于三價銦對鎂的溶解。222鎂合金成分和等級，目前國際上傾向于用美國實驗材料協(xié)會(ASTM)使用的方法表示鎂合金。鎂合金的合金元素代碼見表2-2。鎂合金等級的兩位數(shù)字表示主要合金元素名義質(zhì)量分數(shù)。其局限性在于，不能進行故意添加的其他元素表達。為此，牙齒體系需要改進。后綴A、B、C、D、E等是指成分和特定范圍純度的變化。例如，AZ91E表示主要合金元素Al和Zn，公稱含量分別為9和1，E表示AZ91E包含9Al和1Zn合金系列的5個委托。表2-2鎂合金的合金元素代號，223鎂合金的分類和

5、熱處理，鎂合金的分類由三種茄子方法組成：化學(xué)成分、整形工藝和是否含有鋯。根據(jù)化學(xué)成分，根據(jù)五種主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和稀土組成基本合金系(Mg-Mn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Zn-Mn、MG-Z)Th還構(gòu)成鎂合金的合金元素、合金系：Mg-Th-Zr、Mg-Th-Zn-Zr、Mg-Ag-Th-RE-Zr。由于放射性的原因，默認情況下不再使用Th。根據(jù)Al分為Al鎂合金和Al鎂合金。根據(jù)是否有Zr，可以區(qū)分Zr合金和Zr合金。根據(jù)加工工藝的劃分，鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩個茄子主要類別(見圖2-2)。兩者沒有嚴格區(qū)分，鑄造鎂合金(如AZ91、AM20、AM50、AM60

6、、AE42等)也可用作鍛造鎂合金。圖2-2鎂合金的分類，目前國外廣泛使用的鎂合金是壓鑄鎂合金，主要由AZ系列MG-AL-ZN四個系列組成。AM系列mg-al-Mn；AS系列Mg-Al-Si和AE系列Mg-Al-RE。我國鑄造鎂合金主要由Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn系列三個茄子系列組成。變形鎂合金為Mg-Mn、Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr。中國鎂合金編號與美國鎂合金等級的比較見表2-3。常見的壓鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分見表2-4，表2-5。鎂合金熱處理使用與鋁合金系統(tǒng)相同的系統(tǒng)標記。常用的是T4溶液處理，T5人工時效，T6溶液處理后人工時效。表2-3中國

7、鎂合金編號與美國鎂合金等級比較，表2- 4壓鑄鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))，表2-5變形鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))，2 .2.對4合金元素、組織和性能的影響、合金元素、鎂合金的組織和性能有重要影響。如上所述，徐璐其他合金元素的添加可以改變鎂合金共晶化合物或第二相的組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和分布，從而得到完全不同性能的鎂合金。鎂合金主要合金元素Al、Zn、Mn等，有害元素Fe、Ni、Cu等(參見圖2-3)。圖2- 3合金元素和有害金屬對鎂腐蝕率的影響(3NaCl溶液)，(1)鋁在固體鎂中的溶解度更大，最大溶解度為12.7，隨著溫度的降低大大減少，室溫中的溶解度為2.0左右。鋁可以改善鑄件的鑄造性，提高

8、鑄件的強度。但是，如果Mg17Al12沉淀在晶系中，則耐蠕變性能可能會降低。尤其是在AZ91合金中，牙齒析出量會很高。鑄造鎂合金的鋁含量達79，變形鋁合金中鋁含量一般控制在35。鋁含量越高，耐蝕性越好。但是，應(yīng)力腐蝕靈敏度隨著鋁含量的增加而增加。(2)鎂合金中鋅的溶解度約為6.2，溫度降低后溶解度明顯減少。鋅能提高鑄件的蠕變耐受性。鋅含量大于2.5對防腐性能有負面影響。原則上鋅含量一般控制在2以下。鋅提高了應(yīng)力腐蝕的敏感性，顯著提高了鎂合金的疲勞極限。(3)鎂中錳的最終溶解度為3.4。在鎂中添加錳對合金的力學(xué)性能影響不大，但降低塑性，在鎂合金中添加12.5錳的主要目的是提高合金的抗應(yīng)力腐蝕傾向

9、，提高耐蝕性，改善合金的焊接性能。錳稍微增加了合金的熔點，在含鋁的鎂合金中形成了MgFeMn化合物，提高了鎂合金的耐熱性。由于冶煉過程中引進了更多的元素Fe，通常愿意添加一定合金元素Mn來消除Fe。因此，Mn在鎂合金中起兩個茄子的作用。一種可以提高合金元素、鎂合金的韌性(例如AM60)。牙齒合金的Mn含量高。二是形成中間相AlMn和AIMnFe，這種合金中Mn含量低。到目前為止鎂合金中含有AlMn牙齒的結(jié)構(gòu)還不清楚。Mn和Al的組合形成了中間相，例如AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al8Mn5。Wei研究了壓鑄Mg-Al鎂合金，包含Mn的相根據(jù)形態(tài)分為兩類茄子。一個是花瓣形，另一

10、個是等軸或短桿形。AlMn相擠壓鎂合金AM60組織的結(jié)構(gòu)是具有規(guī)則外形的等軸測圖。(4)硅提高了壓鑄的熱穩(wěn)定性和抗蠕變性能。晶界可以形成微小分散的析出相Mg2Si，因此具有CaF2型面心立方體晶體結(jié)構(gòu)，高熔點和硬度。但是鋁含量低時，共晶Mg2Si容易呈漢字形態(tài)，大大減少合金的強度和塑性。硅對應(yīng)力腐蝕沒有影響。(5)鋯在鎂中的最終溶解度為3.8。Zr是熔點高的金屬，具有較強的溶液強化作用。Zr和Mg在同一個晶體結(jié)構(gòu)、Mg-Zr合金凝固后-Zr牙齒析出結(jié)晶時，可以作為非自愿的核芯來作用，微調(diào)晶粒。鎂合金中添加0.50.8Zr的晶粒細化效果最好。Zr降低了熱裂紋傾向，提高了力學(xué)性能和耐蝕性，降低了應(yīng)

11、力腐蝕敏感性。(6)鈣可以細化組織，Ca和鎂形成六角形MgZn2結(jié)構(gòu)的高熔點Mg2Ca，可以提高蠕變阻力，進一步降低成本。但是Ca含量超過1，容易產(chǎn)生熱分裂的傾向。Ca對腐蝕性能有不利影響，可以提高鎂合金Mg-9Al的應(yīng)力腐蝕性能。(7)稀土元素常見稀土元素(RE)為Y和混合稀土(MM)，混合稀土包括Ce、Pr、La、Nd等。各種稀土元素鎂的溶解度很大，鎂中Y的極限溶解度最大，為11.4。Nd中心，3.6；La和Ce分別最小，分別為0.79和0.52。稀土元素可以大大提高鎂合金的耐熱性，細化晶粒，減少微松和熱裂的傾向，提高鑄造性能和焊接性能，一般鄭智薰應(yīng)力腐蝕傾向，比其他鎂合金耐腐蝕性更強。N

12、d的綜合性能最好，同時提高室溫和高溫強化效果。與Ce混合稀土有改善耐熱性的作用，常溫強化效果弱。La的效果更差，兩者都趕不上Nd和Ce。y和Nd細化粒子以更改變形(滑動和孿晶)機制，從而提高合金的韌性。添加混合稀土可以大大細化ZK60鎂合金的晶粒組織，提高ZK60鎂合金的拉伸強度和屈服強度。Ce不影響鎂合金的應(yīng)力腐蝕特性。RE可提高鎂鋁合金Mg-9Al的抗應(yīng)力腐蝕性能。Fe，Ni，Cu，Co 4茄子元素中鎂的溶解度很低，濃度低于0.2會對鎂產(chǎn)生非常有害的影響，從而加速鎂腐蝕。合金元素對鎂合金性能的影響見表2-6。表2- 6合金元素鎂合金性能的影響，連續(xù)表，2。3鑄造鎂合金的組織和性能，鎂合金鑄

13、造由多種茄子方法組成，包括重力鑄造和壓力鑄造(砂型鑄造、永久鑄造、半永久性鑄造、熔模鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造等)。一般稱為壓鑄模，是為了區(qū)別重力鑄造和低壓鑄造的高壓鑄造。對于具體材料，應(yīng)根據(jù)化學(xué)成分、工藝要求選擇適當?shù)蔫T造方法。合金成分和鑄造工藝等對組織結(jié)構(gòu)有重要影響。合金元素，尤其是稀土元素RE，引起了中間相結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化，對鎂合金的組織和性能有很大影響。2 .3.根據(jù)1 Mg-Al基合金組織、Mg-Al二元相圖(見圖2-4)，Mg-Al基鑄造合金組織在平衡狀態(tài)下由相合(Mg17Al12)組成。Mg17Al12相是剛體中心立方體(bcc)晶體結(jié)構(gòu)，點陣常數(shù)為a=1.05438nm。

14、相數(shù)隨著鋁含量的增加而增加。圖2- 4 Mg-Al二元相圖，2311 Mg-Al-Zn合金，Mg-Al-Zn合金中最典型、最常用的鎂合金是AZ91D，壓鑄組織由相位和晶界析出(見圖2-5)組成。Mg-Al-Zn合金組織成分經(jīng)常發(fā)生晶體內(nèi)偏析現(xiàn)象，首先結(jié)晶部分含有大量Al牙齒，后晶部分含有大量Mg楊怡。晶界的Al含量高，晶體的Al含量低。表面Al含量高，內(nèi)部Al含量低。此外，由于冷卻速度的差異，壓鑄組織的表面組織很緊密，顆粒也很小。心臟組織顆粒比較粗。因此，表層的硬度明顯高于心臟的硬度。研究表明，隨著AZ91D壓鑄厚度的增加，鑄件的拉伸強度和蠕變阻力下降。圖2- 5壓鑄AZ91D鎂合金組織隨著Z

15、n含量的增加(Mg17Al12)，相合金成分變?yōu)槿饘匍g化合物MgxZnyAlz。例如，圖2-6表示砂型鑄造合金AZ92和AZ63的成分，AZ92合金只有Mg17Al12，AZ63合金除Mg17Al12外還有三元化合物Al3Mg3Zn2。Mg-10Zn-4Al合金只有Mg32(Al，ZN) 49。Mg-10Zn-6Al合金的金屬間化合物主要為Al2Mg5Zn2。壓鑄組織比砂型鑄造耐蝕性好。這是因為壓鑄組織表面的鋁含量高。鎂合金的力學(xué)性能隨Al含量的增加而增加。壓鑄方法可以大大減少組織的鑄造缺陷(例如孔、收縮等)，但不可避免地會對組織造成一些缺陷。這種缺陷會降低鎂合金的機械性能。實驗表明，鑄造

16、缺陷對疲勞性能有很大影響，往往是疲勞裂紋源。減少缺陷數(shù)和尺寸數(shù)，大大提高鑄造鎂合金的疲勞性能。圖2- 6 Mg-Al-Zn合金鎂角的三元等溫截面，注：實線表示在指定溫度下溶解度極限的等溫線。虛線把鑄造合金的組織分為兩個區(qū)域。虛線左側(cè)的組織是固溶體和粗Mg17Al12，牙齒區(qū)域內(nèi)的黑點是合金AZ92。虛線右側(cè)的鑄造組織為固溶體、粗Mg17Al12和三元合金化合物Mg3Zn2Al3(例如，白點的成分為合金AZ63)。典型的合金為AM50和AM60，可用于需要高伸長率、韌性和抗彎曲性的工件，如輪轂、座位架、門等。2312 Mg-Al-Mn合金，Mg-Al-Mn合金相圖2-7表明，其典型組織除了晶界沉

17、淀相(Mg17Al12)外，還有含Mn的中間相。根據(jù)合金的Al含量水平，牙齒中間相可以是AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或A15Mn8。有關(guān)AM60的AlMn相粒子掃描照片中的白色部分，請參閱圖2-8(a)。用能譜分析主要成分的方法是AlMn(原子比)1.121.15: 1(見表2-7)。AlMn上的大多數(shù)形狀包括規(guī)則幾何形狀(如正方形)、小圓形和短桿形狀。長軸方向和短軸方向沒有太大差別，最大尺寸大小約為10米。AlMn上有明顯的部分聚合趨勢。圖2-7 Mg-Al-Mn三元相圖，圖2- 8 AM60和AZ61的AlMn相SEM形式，Mg-Al-Mn合金中除AlMn粒子外，Mg-Al-Zn合金中還包含AlMn粒子(圖2-)，表2-7能源頻譜分析AlMn相化學(xué)成分at。2313 Mg-Al-RE合金，Mg-RE基相圖標記RE在Mg中形成有限固溶體，加強小Mg3RE和Mg12RE粒子沉淀。在Mg-Al合金中添加RE可以使RE優(yōu)先組合Al，而不形成Mg和化合物或MG-Al-RE三元相，形成Mg12RE、AL 1RE 3(或Al4MM)、Al10RE2Mn7等化合物。Mg-Al-RE合金(例如AE21、AE41)的典型組織為基底-Mg和中間相Al4MM(MM指混合稀土)以及A