鎂合金成分組織和性能

1、關(guān)于鎂合金的成分組織和性能第一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 1 概述 工業(yè)用鎂的純度可達(dá)到99.9，但是純鎂不能用作結(jié)構(gòu)材料。在純鎂中加入鋁、鋅、鋰、錳、鋯和稀土等元素形成的鎂合金具有較高的強(qiáng)度，可以作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用。在20世紀(jì)20年代至30年代晚期，鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用達(dá)到第一個(gè)高峰；在20世紀(jì)50年代，達(dá)到第二個(gè)高峰；從20世紀(jì)90年代至今是第三個(gè)高峰。 第二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 2 鎂合金成分對(duì)性能的影響 第三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月221 鎂合金的合金化特點(diǎn)(1) 晶體結(jié)構(gòu)因素 根據(jù)休謨一饒塞里定則(HumeRothery Ru

2、les)，金屬結(jié)構(gòu)相同，原子尺寸、電化學(xué)特征相近，才能形成無限固溶體。鎂具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)(hcp)，其它常用的密排六方金屬(如鋅和鈹)，不能滿足上述條件，不能與鎂形成無限固溶體。只有鎘可滿足上述條件，在高溫(253)下，能與鎂形成無限固溶體。(2) 原子尺寸因素 溶質(zhì)和溶劑原子大小的相對(duì)差值在15以內(nèi)才可能形成無限固溶體。如圖2-1所示，對(duì)鎂來說，金屬元素中約有12可能形成無限固溶體，約110的金屬元素相對(duì)差值在15左右，其它則在15以外。 第四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 電負(fù)性因素 溶質(zhì)元素與溶劑元素之間的電負(fù)性相差越大，生成的化合物越穩(wěn)定。DarkenGurry理論

3、認(rèn)為，電負(fù)性差值大于0.4的元素不易形成固溶體。鎂具有較強(qiáng)的正電性，當(dāng)它與負(fù)電性元素形成合金時(shí)，幾乎一定形成化合物。這些化合物往往具有拉弗斯(Laves)型結(jié)構(gòu)，同時(shí)其成分具有正常的化學(xué)價(jià)規(guī)律。拉弗斯相是一種金屬間化合物，它借大小原子排列的配合而實(shí)現(xiàn)密堆結(jié)構(gòu)，其分子式為AB2，A原子半徑大于B原子半徑。盡管形成拉弗斯相的主要因素是尺寸因素，但是電子濃度在確定其結(jié)構(gòu)類型和穩(wěn)定性方面起著重要作用。第五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月典型的拉弗斯相包括三種：MgCu2(立方)、MgZn2(六方)、MgNi2(六方)。MgCu2型有LaMg2；MgZn2型有BaMg2、CaMg2?；衔锏姆€(wěn)定

4、性可用熔點(diǎn)來表示，表2-1列出鎂合金化合物的熔點(diǎn)。可見，Mg17Al12熔點(diǎn)最低，Mg2Si熔點(diǎn)最高。所以，Mg-Al合金耐高溫性能較差，而Mg-Si耐高溫性能較好。第六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-1 鎂合金化合物的熔點(diǎn)第七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(4) 原子價(jià)因素 業(yè)已指出，當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子價(jià)相差越大，則溶解度越小。與低價(jià)元素相比，較高價(jià)元素在鎂中的溶解度較大。所以，盡管Mg-Ag和Mg-In之間原子價(jià)差是相同的，但一價(jià)銀在二價(jià)鎂中的溶解度比三價(jià)銦在鎂中的溶解度要小得多。 第八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月222 鎂合金成分與牌號(hào) 目前，國(guó)際上傾

5、向于采用美國(guó)試驗(yàn)材料協(xié)會(huì)(ASTM)使用的方法來標(biāo)記鎂合金。鎂合金中合金元素代號(hào)見表2-2。鎂合金牌號(hào)中兩位數(shù)字表示主要合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)()。其局限性是不能表示出有意添加的其它元素。由于這個(gè)原因，這種體系需要改進(jìn)。后綴字母A、B、C、D、E等是指成分和特定范圍純度的變化。如AZ91E表示主要合金元素為Al和Zn，其名義含量分別為9和1，E表示AZ91E是含9Al和1Zn合金系列的第五位。 第九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-2 鎂合金中合金元素代號(hào) 第十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月223 鎂合金的分類及熱處理 鎂合金的分類有三種方式：化學(xué)成分、成形工藝和是否含鋯

6、。根據(jù)化學(xué)成分，以五個(gè)主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和稀土為基礎(chǔ)，組成基本合金系：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也是鎂合金的一種合金元素，組成合金系：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。按有無Al，分為含Al鎂合金和不含Al鎂合金；按有無Zr，可分含Zr合金和不含Zr合金。根據(jù)加工工藝劃分，鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類(見圖2-2)。兩者沒有嚴(yán)格的區(qū)分，鑄造鎂合金如AZ91、AM20、AM5

7、0、AM60、AE42等也可以作為鍛造鎂合金。 第十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-2 鎂合金的分類 第十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月目前國(guó)外在工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的鎂合金是壓鑄鎂合金，主要有以下4個(gè)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。我國(guó)鑄造鎂合金主要有如下三個(gè)系列：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn系列。變形鎂合金有Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr。中國(guó)鎂合金牌號(hào)與美國(guó)鎂合金牌號(hào)對(duì)比見表2-3。常見壓鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分分別見表2-4、表2-5

8、。鎂合金熱處理采用與鋁合金同樣的系統(tǒng)標(biāo)示。常用的有：T4固溶處理，T5人工時(shí)效，T6固溶處理后人工時(shí)效。 第十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-3 中國(guó)鎂合金牌號(hào)與美國(guó)鎂合金牌號(hào)對(duì)比第十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2- 4 壓鑄鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 第十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-5 變形鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 第十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 2. 4 合金元素對(duì)組織和性能的影響合金元素對(duì)鎂合金組織和性能有著重要影響。上面已經(jīng)提到，加入不同合金元素，可以改變鎂合金共晶化合物或第二相的組成、結(jié)構(gòu)以及形態(tài)和分布，可

9、得到性能完全不同的鎂合金。鎂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(見圖2-3)。 第十七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2- 3 合金元素和有害金屬對(duì)鎂的腐蝕速率的影響 (3NaCl溶液) 第十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(1) 鋁 在固態(tài)鎂中具有較大的固溶度，其極限固溶度為12.7，而且隨溫度的降低顯著減少，在室溫時(shí)的固溶度為2.0左右。鋁可改善壓鑄件的可鑄造性，提高鑄件強(qiáng)度。但是，Mg17Al12在晶界上析出會(huì)降低抗蠕變性能。特別是在AZ91合金中這一析出量會(huì)達(dá)到很高。在鑄造鎂合金中鋁含量可達(dá)到79，而在變形鋁合金中鋁含量一般控制在3

10、5。鋁含量越高，耐蝕性越好。但是，應(yīng)力腐蝕敏感性隨鋁含量的增加而增加。 第十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 鋅 在鎂合金中的固溶度約為6.2，其固溶度隨溫度的降低而顯著減少。鋅可以提高鑄件的抗蠕變性能。鋅含量大于2.5時(shí)對(duì)防腐性能有負(fù)面影響。原則上鋅含量一般控制在2以下。鋅能提高應(yīng)力腐蝕的敏感性，明顯地提高了鎂合金的疲勞極限。第二十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 錳 在鎂中的極限溶解度為3.4。在鎂中加入錳對(duì)合金的力學(xué)性能影響不大，但降低塑性，在鎂合金中加入12.5錳的主要目的是提高合金的抗應(yīng)力腐蝕傾向，從而提高耐腐蝕性能和改善合金的焊接性能。錳略微提高合金的

11、熔點(diǎn)，在含鋁的鎂合金中可形成MgFeMn化合物，可提高鎂合金的耐熱性。由于冶煉過程中帶入較多的元素Fe，通常有意加入一定的合金元素Mn來去除Fe。第二十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月所以，Mn在鎂合金中存在有兩類作用：一是作為合金元素，可以提高鎂合金的韌性，如AM60，此類合金中Mn含量較高；二是形成中間相AlMn和AIMnFe，此類合金中Mn含量較低。迄今為止，鎂合金中含AlMn相的結(jié)構(gòu)還不很清楚。Mn與Al結(jié)合可形成中間相：AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al8Mn5。Wei 研究了壓鑄Mg-Al基鎂合金，認(rèn)為含Mn相根據(jù)形態(tài)分兩類：一種為花瓣形，另一種為等軸或短

12、棒狀。AlMn相在擠壓鎂合金AM60組織中的結(jié)構(gòu)為具有規(guī)則外形的等軸狀。 第二十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(4) 硅 可改善壓鑄件的熱穩(wěn)定性能與抗蠕變性能。因?yàn)樵诰Ы缣幙尚纬杉?xì)小彌散的析出相Mg2Si，它具有CaF2型面心立方晶體結(jié)構(gòu)，有較高的熔點(diǎn)和硬度。但在鋁含量較低時(shí)，共晶Mg2Si相易呈漢字型，大大降低合金的強(qiáng)度和塑性。硅對(duì)應(yīng)力腐蝕無影響。 第二十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(5) 鋯 在鎂中的極限溶解度為3.8。Zr是高熔點(diǎn)金屬，有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用。Zr與Mg具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，Mg-Zr合金在凝固時(shí)，會(huì)析出-Zr，可作為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)形核核心，因而可細(xì)

13、化晶粒。在鎂合金中加入0.50.8Zr，其細(xì)化晶粒效果最好。Zr可減少熱裂傾向和提高力學(xué)性能和耐蝕性，降低應(yīng)力腐蝕敏感性。第二十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(6) 鈣 可細(xì)化組織，Ca與鎂形成具有六方MgZn2型結(jié)構(gòu)的高熔點(diǎn)Mg2Ca相，使蠕變抗力有所提高并進(jìn)一步降低成本。但是，Ca含量超過1時(shí)，容易產(chǎn)生熱裂傾向。Ca對(duì)腐蝕性能產(chǎn)生不利影響，可能提高鎂合金Mg-9Al 抗應(yīng)力腐蝕性能。第二十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月(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。各種稀土元素在鎂中的溶解度相差很大，Y在鎂中的極

14、限固溶度最大，為11.4；Nd居中，為3.6；La和Ce最小，分別為0.79和0.52。稀土元素可顯著提高鎂合金的耐熱性，細(xì)化晶粒，減少顯微疏松和熱裂傾向，改善鑄造性能和焊接性能，一般無應(yīng)力腐蝕傾向，其耐蝕性不亞于其它鎂合金。第二十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月Nd的綜合性能最佳，能同時(shí)提高室溫和高溫強(qiáng)化效應(yīng)；Ce和混合稀土次之，有改善耐熱性的作用，常溫強(qiáng)化效果很弱；La的效果更差，兩方面都趕不上Nd和Ce。Y和Nd能細(xì)化晶粒，通過改變形變(滑移和孿生)機(jī)制，提高合金的韌性。加入混合稀土能明顯細(xì)化ZK60鎂合金的晶粒組織，提高ZK60鎂合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。Ce對(duì)鎂合金應(yīng)力腐蝕

15、性能無影響。RE能提高鎂鋁合金Mg-9Al 的抗應(yīng)力腐蝕性能。 第二十七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月Fe、Ni、Cu、Co四種元素在鎂中的固溶度很小，在其濃度小于0.2時(shí)就對(duì)鎂產(chǎn)生非常有害的影響，加速鎂的腐蝕。合金元素對(duì)鎂合金性能的影響見表2-6。 第二十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2- 6 合金元素對(duì)鎂合金性能的影響 第二十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月續(xù)表 第三十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 3 鑄造鎂合金組織和性能鎂合金鑄造有多種方法，包括重力鑄造和壓力鑄造：砂型鑄造、永久模鑄造、半永久模鑄造、熔模鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造和高壓鑄造

16、。通常所說的壓鑄(Die Casting)是指高壓鑄造，以區(qū)分重力鑄造和低壓鑄造。對(duì)于具體材料，應(yīng)根據(jù)其化學(xué)成分、工藝要求來選擇合適的鑄造方法。合金成分和鑄造工藝對(duì)組織結(jié)構(gòu)有重要的影響。合金元素，尤其是稀土元素RE引起中間相結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化，對(duì)鎂合金的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。 第三十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 3. 1 Mg-Al系合金組織 根據(jù)Mg-Al二元相圖(見圖2-4)，Mg-Al系鑄造合金組織在平衡狀態(tài)下是由相和 (Mg17Al12)相組成的。Mg17Al12相為體心立方(bcc)晶體結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)為a=1.05438nm。相的數(shù)量隨鋁含量的增加而增多。 第三十

17、二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2- 4 Mg-Al二元相圖 第三十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2311 Mg-Al-Zn合金 Mg-Al-Zn合金最典型和常用的鎂合金是AZ91D，其壓鑄組織是由相和在晶界析出的相組成(見圖2-5)。 Mg-Al-Zn合金組織成分常常出現(xiàn)晶內(nèi)偏析現(xiàn)象，先結(jié)晶部分含Al量較多，后結(jié)晶部分含Mg量較多。晶界含Al量較高，晶內(nèi)含Al量較低；表層Al含量較高，里層Al含量較低。 另外，由于冷卻速度的差異，導(dǎo)致壓鑄組織表層組織致密、晶粒細(xì)??；而心部組織晶粒比較粗大。因而表面層硬度明顯高于心部硬度。 研究表明，隨AZ91D壓鑄件厚度的增加，鑄件的

18、抗拉強(qiáng)度及蠕變抗力下降。 第三十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2- 5 壓鑄AZ91D鎂合金組織 第三十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月隨Zn含量的增加，(Mg17Al12)相中合金成分會(huì)變成三元金屬間化合物MgxZnyAlz型。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，而AZ63合金除Mg17Al12以外，還有三元化合物Al3Mg3Zn2。Mg-10Zn-4Al合金中只有Mg32(Al，Zn)49；Mg-10Zn-6Al合金中的金屬間化合物主要是Al2Mg5Zn2。壓鑄組織耐蝕性比砂型鑄造的要好。這是壓鑄組織表面鋁含量較

19、高的緣故。鎂合金的力學(xué)性能隨Al含量的增加而提高。盡管壓鑄方法能很大程度地減少組織中鑄造缺陷(如空洞、縮孔等)，但不可避免地組織中還會(huì)存在一些缺陷。這些缺陷將會(huì)降低鎂合金的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，鑄造缺陷對(duì)疲勞性能有很大影響，往往是疲勞裂紋源。減少缺陷數(shù)量和尺寸，將顯著地提高鑄造鎂合金的疲勞性能。 第三十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2- 6 Mg-Al-Zn合金系鎂角的三元等溫截面圖 注：實(shí)線表示在給定溫度下的固溶度極限的等溫線。虛線把鑄態(tài)合金的組織分成兩區(qū)。虛線左側(cè)的組織為固溶體和粗大的Mg17Al12，這一區(qū)域內(nèi)的黑點(diǎn)為合金AZ92。虛線右側(cè)的鑄態(tài)組織為固溶體、粗大的Mg17A

20、l12以及三元合金化合物 Mg3Zn2Al3，例如白點(diǎn)處的成分為合金AZ63。其典型合金為AM50和AM60，可用于要求高伸長(zhǎng)率、高韌性和高抗彎曲性能的工件，如輪轂、座椅架及車門等。 第三十七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2312 Mg-Al-Mn合金依據(jù)Mg-Al-Mn合金相圖2-7，其典型組織是除存在相和在晶界沉淀析出的相(Mg17Al12)以外，還存在含Mn的中間相。根據(jù)合金中Al的含量高低，這種中間相可能是AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或A15Mn8。AM60中AlMn相粒子在掃描照片中為白色見圖2-8(a)。由能譜分析其主要成分為AlMn(原子比)1.121.

21、15：1(見表2-7)。AlMn相形狀多為具有規(guī)則幾何形狀(如四方形)，少量圓形、短棒形等外形。長(zhǎng)軸方向和短軸方向沒有明顯差異，最大尺寸在10m左右。AlMn相有明顯的偏聚趨勢(shì)。 第三十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-7 Mg-Al-Mn三元相圖 第三十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2- 8 AM60和AZ61中AlMn相SEM形貌 第四十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月不但Mg-Al-Mn合金存在AlMn粒子，而且Mg-Al-Zn合金中也可能存在AlMn粒子(見表2-7)，這可能是由于在鎂合金的冶煉過程中，為除去有害元素Fe而有意加入Mn元素所產(chǎn)生的。圖

22、2-8(b)所示為AZ61中AlMn粒子形貌。第四十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-7 能譜分析AlMn相化學(xué)成分at. 第四十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2313 Mg-Al-RE合金Mg-RE系相圖顯示RE在Mg中形成有限固溶體，產(chǎn)生細(xì)小的Mg3RE和Mg12RE粒子沉淀強(qiáng)化。在Mg-Al合金中加入RE，RE優(yōu)先結(jié)合Al而不會(huì)與Mg形成化合物或Mg-Al-RE三元相，可能形成Mg12RE、Al11RE3(或Al4MM)和Al10RE2Mn7等化合物。Mg-Al-RE合金(如AE21、AE41)的典型組織為基體-Mg和中間相Al4MM(MM指混合稀土)及Al12

23、Mg17，不存在三元Mg-Al-RE相。Al4MM的結(jié)構(gòu)類似于Al4Ce化合物，具有體心正交晶體結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)為a=0.4395nm，b=1.3025nm，c=1.0092nm。第四十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月然而，在Mg-4Al-1.4RE(50Ce，25La，20Nd，3Pr)的鑄態(tài)組織里，因?yàn)锳l的存在，RE與Al化合形成了Al11RE13和Al10RE2Mn7兩相。這是由于Al在Mg基體里產(chǎn)生偏析，Al在晶界處的濃度估計(jì)要高于晶內(nèi)(31)倍。X射線能譜(EDS)證實(shí)在晶粒內(nèi)部Al的含量為1.52.0，而在不同的晶界處Al的含量在47之間變化。-Al12Mg17相或者是

24、在晶界附近呈薄且平行的板條狀，或者是在晶界上生長(zhǎng)成較大的粒子。在Mg基體基面上生長(zhǎng)的板條狀相具有如下位相關(guān)系：(0001)Mg|(1-10)和(01-10)Mg|(11-2)。其典型合金為AE42，可用于高溫下要求高蠕變強(qiáng)度的部件。 第四十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2314 Mg-Al-Si合金 AS系耐熱鎂合金組織特征是在晶界處形成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定析出相Mg2Si，它具有Ca2F型面心立方晶體結(jié)構(gòu)，較高的熔點(diǎn)(1085)、硬度(460HV0.3)和較低的密度(1.9gcm3)。Mg2Si提高合金的抗蠕變能力。其典型合金為AS41和AS21，適合于較高溫度(150)下強(qiáng)度較高

25、的部件。 第四十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2315 Mg-Al-Ca合金Mg-Al-Ca合金組織特征是存在Al2Ca和Mg2Ca化合物。Mg-Al-Ca合金具有較高的耐熱性和阻燃性，但是耐蝕性有所降低。日本開發(fā)了一種新的耐熱鎂合金(ACM522)，其成分為Mg-5Al-2Ca-2MM-0.3Mn。其組織為初生(Mg)相，在晶界分散著的黑色粒子為Al-Ce相，淺色的化合物為Al-Ca、Mg-Ca等相。該合金可在150200范圍使用。 第四十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月232 Mg-Zn系合金 Mg-Zn系合金組織特征是可能含有Mg51Zn20、Mg7Zn3、MgZn

26、、Mg2Zn3或MgZn2等共晶化合物。在Mg-9Zn二元合金中由共晶反應(yīng)生成的離異共晶沉淀物主要為Mg51Zn20，其晶體結(jié)構(gòu)為十二面體配位多面體結(jié)構(gòu)，晶體空間點(diǎn)陣為正交系，空間群為Immm，點(diǎn)陣常數(shù)為a=1.4083nm，b=1.4486nm，c=1.4025nm。第四十七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)Mg-Zn二元相圖，共晶反應(yīng)的結(jié)果產(chǎn)生了大量的共晶沉淀物Mg51Zn20和與之相應(yīng)的Mg7Zn3。有時(shí)能發(fā)現(xiàn)在晶界上粗大的Mg51Zn20。共晶相里還存在一些較小的沉淀相，通過電子衍射證實(shí)這種相有著與MgZn2拉弗斯相相同的晶體結(jié)構(gòu)。在共晶區(qū)域里共有三種不同的組織形貌，除了Mg

27、51Zn20沉淀粒子外，還有另外兩種不同形貌的化合物：一種形貌是片狀沉淀MgZn相，它是在凝固冷卻過程中Mg51Zn20部分分解產(chǎn)生的，其反應(yīng)式為Mg51Zn20(Mg)+MgZn；另一種形貌是由在共晶體粒子外層的Mg51Zn20分解為片狀的(Mg)和MgZn相，及在此共晶體粒子里層的Mg51Zn20分解為(Mg)+MgZn相構(gòu)成的。 第四十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月經(jīng)315、4h固溶處理，然后水淬的組織則為Mg51Zn20粒子完全分解后形成的中間相與(Mg)交織在一起的緊密混合物。這種中間相具有與MgZn2拉弗斯相一致的晶體結(jié)構(gòu)。在Mg-Zn(4Zn)合金中加人大于0.5Ca

28、在167(440K)以下析出數(shù)原子層的細(xì)小板條狀沉淀物，此時(shí)此材料具有良好的蠕變性能。其組織為(Mg)基體和黑色化合物Mg2Ca及白色化合物Mg5Ca2Zn5。ZE系列合金的高溫性能顯著優(yōu)于AZ91合金。ZE41、ZC63是Mg-Zn系耐熱合金，其常溫屈服強(qiáng)度高，高溫性能好。第四十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2321 Mg-Zn-MM(混合稀土)合金由于加入1.5MM對(duì)Mg-8Zn合金組織有強(qiáng)烈的影響，所以Mg-8Zn-1.5MM合金共晶相組織有三種不同的共晶相，但從它們的形貌上不能區(qū)分彼此。這三種相分別是T相、Mg4Zn7相和MgZn2拉弗斯相。T相主要為三元共晶相Mg52.6

29、Zn39.5MM7.9或(MG，Zn)92.1MM7.9，具有C心正交晶體結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)為a=0.96nm，b=1.12nm，c=0.94nm；Mg4Zn7相有一個(gè)B心單斜B2m晶體結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)為a=2.596nm，b=1.428nm，c=0.524nm和=102.50。第五十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2322 Mg-Zn-Al(-Ca)合金Mg-Zn-Al合金組織特征是存在MgxZnyAlz和MgZn中間相。在含大約2Al的鎂合金里存在MgZn化合物，但不存在Al12Mg17化合物。例如，ZA102、ZA106的組織為基體、晶界共晶體相和在晶界沉積的粗大的(MgxZnyA

30、lz)相。Mg-9Zn-4.5Al-0.6Ca合金組織的主要共晶化合物是Mg32(A1，Zn)49和MgZn，其共晶化合物的數(shù)量隨Zn和Al含量的增加而增加。Ca、Sr加入ZA142和ZA144合金能夠提高其抗蠕變能力，但Ca的作用比Sr更明顯。Ca和Sr作為溶質(zhì)雖然一定程度地存在于Mg基體中，但是大量地還是存在于MgxZnyAlz相中。 第五十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月233 鑄造鎂合金的性能 國(guó)外常用壓鑄鎂合金的典型力學(xué)性能見表2-8，砂型鑄造鎂合金Mg-Al-Zn和Mg-Zr的力學(xué)性能和疲勞性能分別見表2-9、表2-10。 第五十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月

31、表2-8 國(guó)外常用壓鑄鎂合金(棒料)的典型力學(xué)性能無缺口夏氏試驗(yàn)。第五十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-9 砂型鑄造鎂合金Mg-Al-Zn的力學(xué)性能和疲勞性能 第五十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-10 砂型鑄造鎂合金Mg-Zr的力學(xué)性能和疲勞性能 第五十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月24 變形鎂合金組織及性能許多鎂合金既可做鑄造鎂合金又可做變形鎂合金。變形鎂合金經(jīng)過擠壓、軋制和鍛造等工藝后具有比相同成分的鑄造鎂合金更高的力學(xué)性能(見圖2-9)。變形鎂合金制品有軋制薄板、擠壓件(如棒、型材和管材)和鍛件等。這些產(chǎn)品具有更低成本、更高強(qiáng)度和延展性以及多

32、樣化的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。其工作溫度不超過150。第五十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月在變形鎂合金中，常用的合金系是Mg-Al系與Mg-Zn-Zr系。Mg-Al系變形合金一般屬于中等強(qiáng)度，塑性較高的變形鎂材料，鋁含量約為08，典型的合金為AZ31、AZ61和AZ80合金，由于Mg-Al合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕綜合性能，而且價(jià)格較低，因此是最常用的合金系列。Mg-Zn-Zr系合金一般屬于高強(qiáng)度材料，變形能力不如Mg-Al系合金，常要用擠壓工藝生產(chǎn)，典型合金為ZK60合金。常用變形鎂合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A和ZK60等，其化學(xué)成分見表2-5。 第五十七張，PPT共一

33、百頁，創(chuàng)作于2022年6月典型的含稀土的變形鎂合金有ZE10A(Mg-1.5Zn-0.2RE)。由于變形鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用還不夠充分，有關(guān)稀土對(duì)其組織和性能影響的研究遠(yuǎn)不如在鑄造鎂合金中的那么深入，只有少量相關(guān)報(bào)道。在鎂中加鋰元素能獲得超輕變形鎂鋰合金，它是迄今為止最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有極優(yōu)的變形性能和較好的超塑性能，已應(yīng)用在航天和航空器上。 第五十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2- 9 鑄造鎂合金與變形鎂合金性能比較第五十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月241 變形鎂合金組織AZ31擠壓組織晶粒尺寸為1520m，如圖2-10(a)所示。AZ61擠壓組織如圖2-10(

34、b)所示?？梢姡浣M織由相和沿晶界分布的相組成，并存在孿晶組織。但是其組織形態(tài)與AZ80組織有明顯的不同。組織晶粒大小相差懸殊，大晶粒長(zhǎng)達(dá)250m左右，而小的僅有10m左右。從側(cè)向看，晶粒變形程度非常高，存在形變織構(gòu)。圖2-8 SEM形貌顯示在晶界或晶內(nèi)分布著大小不等的、具有規(guī)則形狀的AlMn相。這與Eliezer在AZ61和AZ31中觀察到的長(zhǎng)條狀不同。圖2-8、表2-8表明：經(jīng)EDS分析其成分主要為Al和Mn，AlMn(原子比)為(1.101.19)：1。 第六十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-10(c)所示為AM60擠壓組織，它是由相和沿晶界分布的相組成的。組織很不均勻，存

35、在少量孿晶組織。其組織為大小不等的等軸再結(jié)晶晶粒，小晶粒尺寸約為10m左右，大晶粒尺寸約為150m左右，其平均尺寸約為56m。在晶界或晶內(nèi)分布著大小不等的黑色AlMn相粒子。圖2-10(d)所示為鎂合金AZ80組織，AZ80晶粒較細(xì)小，晶粒度約為17m。從圖2-10中也可明顯地見到擠壓織構(gòu)(圖中黑色成線狀的相代表了擠壓方向)。圖2-11所示為AZ80 TEM照片顯示相為板條狀，板條之間存在一定的位相關(guān)系。 圖2-12所示為軋制AM60的組織形貌。軋制組織較擠壓組織均勻，縱向可見高密度孿晶晶粒，其晶粒尺寸很難分辨，只有極少量的晶粒為非孿晶晶粒，在晶界可見到細(xì)小晶粒。 第六十一張，PPT共一百頁，

36、創(chuàng)作于2022年6月圖2-10 AZ31、AZ61、AM60和AZ80擠壓組織 第六十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-11 AZ80板條狀相形貌 第六十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-12 軋制AM60的組織形貌第六十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月242 變形鎂合金性能 變形鎂合金的力學(xué)性能與加工工藝、熱處理狀態(tài)等有很大關(guān)系(見表2-11、表2-12)，尤其是加工溫度不同，材料的力學(xué)性能可能會(huì)在很寬的范圍。在400以下擠壓，擠壓合金已發(fā)生再結(jié)晶。在300進(jìn)行冷擠壓，材料內(nèi)部保留了許多冷加工的顯微組織特征，如高密度位錯(cuò)或?qū)\生組織。在再結(jié)晶溫度以下擠壓可

37、使擠壓制品獲得更好的力學(xué)性能(見表2-13)。第六十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-11 變形鎂合金的力學(xué)性能指標(biāo)第六十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-12 擠壓Mg-AI-Zn鎂合金的力學(xué)性能和疲勞性能第六十七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-13 擠壓鎂合金力學(xué)性能與溫度的關(guān)系第六十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月變形鎂合金產(chǎn)品中值得注意的兩方面是：變形時(shí)鎂的彈性模量擇優(yōu)取向不敏感，因此在不同的變形方向上，彈性模量的變化不明顯；變形鎂合金產(chǎn)品壓縮屈服強(qiáng)度低于其拉伸屈服強(qiáng)度，即c：t0.50.7，因此在涉及如彎曲等不均勻變形塑性變形時(shí)需特

38、別注意。根據(jù)鎂的這些變形特點(diǎn)，在以后的變形鎂合金的發(fā)展過程中要注意把塑性變形與熱處理結(jié)合起來，充分利用細(xì)晶強(qiáng)化等新工藝方法，通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?特別是稀土元素)來改進(jìn)合金性能，制得先進(jìn)的變形鎂合金材料。 第六十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 5 鎂合金熱處理時(shí)效組織和性能大部分鎂合金時(shí)效過程的一個(gè)重要特點(diǎn)是有一個(gè)與鎂點(diǎn)陣形成共格沉淀物的階段，這種沉淀物具有DO19晶體結(jié)構(gòu)(見表2-14)，它類似于Al-Cu合金時(shí)效時(shí)形成的/ 相。DO19晶胞的a軸為鎂基體a軸的2倍長(zhǎng)，c軸相同。沉淀相以片或盤的形式存在，平行于沿10-10Mg和11-20Mg平面的Mg方向。 第七十張，PP

39、T共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月表2-14 鎂合金的時(shí)效沉淀相第七十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月251 Mg-Al系合金 Mg-Al系二元合金在時(shí)效過程中，過飽和固溶體不經(jīng)過任何中間階段直接析出非共格的平衡相Mg17Al12，不存在預(yù)沉淀或過渡相階段。但Mg17Al12相在形成方式上有兩種類型，即連續(xù)析出和非連續(xù)析出。在一般的情況下，這兩種析出方式是共存的，但通常以非連續(xù)析出為先導(dǎo)，然后再進(jìn)行連續(xù)析出。這表明前者在能量上處于有利地位，易于形成。 第七十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月非連續(xù)析出大多從晶界或位錯(cuò)處開始，Mg17Al12相以片狀形式按一定的取向往晶內(nèi)生長(zhǎng)，附

40、近的固溶體同時(shí)達(dá)到平衡濃度。由于整個(gè)反映區(qū)呈片狀結(jié)構(gòu)，故有時(shí)也稱為珠光體型沉淀。反應(yīng)區(qū)和未反應(yīng)區(qū)有明顯的分界面，后者的成分未發(fā)生變化，仍保持原有的過飽和程度(見圖2-13)。 第七十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-13 Mg-Al-Zn鎂合金第二相形貌 第七十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月從晶界開始的非連續(xù)析出進(jìn)行到一定程度后，晶內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)析出。Mg17Al12以細(xì)小片狀形式沿基面(0001)生長(zhǎng)。與此相應(yīng)，基體含鋁量不斷下降，晶格常數(shù)連續(xù)增大，此時(shí)晶格常數(shù)變化是連續(xù)的。最新的研究表明：AZ91鎂合金析出相有三種形態(tài)：I類板條狀、類六角棱柱狀、類短棒狀(見圖2-14

41、)。I類析出相數(shù)量占90以上，顆粒比較粗大，平躺在鎂的(0001)基面內(nèi)，而鎂在常溫下的滑移面也是(0001)基面，因此，這類析出相顆粒不能有效地阻礙位錯(cuò)在基面上的滑移，時(shí)效強(qiáng)化效果欠佳。相反，由于第類與基面正交，第類與基面斜交，所以，有利于阻礙位錯(cuò)的基面滑移，即有利于時(shí)效強(qiáng)化，但是其數(shù)量太少。增加這類相的數(shù)量應(yīng)是提高這類合金強(qiáng)度的有效途徑之一。 第七十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-14 AZ91鎂合金200時(shí)效析出相形貌 第七十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月252 Mg-Zn系合金 Mg-Zn系合金的時(shí)效過程比較復(fù)雜，存在預(yù)沉淀階段。在110以下，觀察到GP區(qū)/

42、(MgZn)。在110以上，不形成GP區(qū)，而是/(MgZn)。/ 為亞穩(wěn)定過渡相，具有與拉弗斯相MgZn2同樣的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較高。在250時(shí)效時(shí)，可保持到5000h。Mg-Zn系合金時(shí)效為連續(xù)析出，相尺寸很小，呈片狀，并與基面平行。在長(zhǎng)期時(shí)效后，利用電子顯微鏡可觀察到相的形態(tài)及分布特征。Mg-Zn系合金的時(shí)效強(qiáng)化效果超過Mg-Al系，且隨含鋅量的增加而提高。但Mg-Zn系合金晶粒容易長(zhǎng)大，故工業(yè)合金中常添加少量鋯，以細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能。 第七十七張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月253 Mg-Mn系合金單獨(dú)的Mg-Mn系合金應(yīng)用較少，但錳是大多數(shù)工業(yè)鎂合金中常見的輔助元素，它對(duì)改善合

43、金耐熱性及抗蝕性具有良好的作用。Mg-Mn合金時(shí)效析出-Mn(立方)。-Mn呈棒狀。Mn通常單獨(dú)加入，如果與Al同時(shí)加入，則形成MnAl、MnAl6和MnAl4等化合物。Mg-Mn系合金在時(shí)效期間，不經(jīng)過預(yù)析出階段，直接形成-Mn。-Mn具有立方晶格，強(qiáng)化效果較差，但穩(wěn)定性卻較高。 第七十八張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月254 Mg-RE系合金 Mg-RE系合金時(shí)效強(qiáng)化相為Mg9RE或Mg12RE。向鎂中添加原子半徑比鎂的原子半徑大及電負(fù)性比鎂低的元素，可形成共格的沉淀物。例如Y及鑭系稀土(Ce、Nd、Gd和Dy)可與鎂形成Mg3X型沉淀物，它具有DO19型晶體結(jié)構(gòu)，與相共格。在稀土

44、元素中，釹在固溶體中溶解度較大(約4)，鈰、鑭、鐠則較低(最大固溶體分別為0.74，1.9和2.0)，故Mg-Nd系合金的時(shí)效強(qiáng)化效果最顯著。圖2-15所示為Mg-5.38Y-3.10Nd-0.36Zr在400時(shí)效24h和50h后相的形貌。 第七十九張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-15 Mg-5.38 Y-3.10 Nd-0.36Zr在400時(shí)效24h和50h后相的形貌 第八十張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月255 其它合金第八十一張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2551 Mg-Gd合金Gd的含量對(duì)Mg-Gd合金時(shí)效有重要影響。當(dāng)Gd的含量為510時(shí)，時(shí)效過程中不

45、出現(xiàn)/ 相。當(dāng)Gd的含量為15時(shí)，時(shí)效過程中產(chǎn)生/相。Mg-15Gd時(shí)效析出過程為：/(DO19型結(jié)構(gòu))/(斜方結(jié)構(gòu)bco)(Mg5Gd：fcc)。而Mg-10Gd和Mg-5Gd時(shí)效析出過程為：/(DO19型結(jié)構(gòu))(Mg5Gd：fcc)。圖2-16所示為Mg15Gd在330沉淀相/ 形貌。 第八十二張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-16 Mg15Gd在330沉淀相/ 形貌第八十三張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于Mg-RE系合金的時(shí)效序列，目前尚有分歧意見。有人認(rèn)為，在這類合金的過飽和固溶體分解過程中，不存在明顯的預(yù)析出階段，直接形成Mg9Nd或Mg9Ce等平衡相；另外有

46、一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果則表明存在中間過渡相，沉淀序列為過飽和固溶體GP區(qū)/ /(Mg9Nd)，過渡相與基體之間保持共格關(guān)系。Mg-RE系的時(shí)效產(chǎn)物彌散度高，與硬化峰值相對(duì)應(yīng)的時(shí)效組織在普通光學(xué)顯微鏡下難以分辨，只是晶界處有較深的浸蝕色，是強(qiáng)化相優(yōu)先在晶界析出所致。工業(yè)Mg-RE合金中常常添加少量鋅，除有補(bǔ)充固溶強(qiáng)化作用外，還能增加時(shí)效硬化效應(yīng)。此時(shí)，強(qiáng)化相Mg9RE中固溶了一部分鋅，成為(MgZn)9RE。第八十四張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2552 Mg-Ca、Mg-Ca-Zn合金Mg-Ca合金的時(shí)效析出過程為(Mg2Ca：六方結(jié)構(gòu))。在Mg-1Ca合金中加入1Zn，可顯著地提高時(shí)效硬化效果。研究發(fā)現(xiàn)，Mg-2Zn-0.8Ca合金中存在細(xì)小的沉淀物，該相平行于鎂晶格的底面；Mg-5Al-3Ca-0.2Sr合金組織在晶界有層狀的(Mg，Al)2Ca相，它與相共格。其位向關(guān)系如下：(010)Mg(001)(Mg，Al)2Ca，010Mg110 (Mg，Al)2Ca。 第八十五張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月2553 Mg-Ag-RE(Nd)Mg-RE(Nd)-Zr合金中加入Ag可明顯地提高時(shí)效硬化效果。如果Ag濃度小于2，時(shí)效析出過程與Mg-RE相同；如果Ag濃度大于2，時(shí)效析出過程非常復(fù)雜。第八十六張，PPT共一百頁，創(chuàng)作于2022年6月在鎂合金熱處理過程中，有時(shí)可