鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件

鎂及鎂合金材料的發(fā)展.鎂及鎂合金材料的發(fā)展.二十一世紀(jì)對(duì)材料提出的新的要求輕質(zhì)、高強(qiáng)度、綠色※資源：可持續(xù)發(fā)展；※環(huán)境：可回收，減少污染,綠色材料；※交通運(yùn)輸行業(yè)：減重、節(jié)能、降低排放；※航空航天：輕量化；※其它（通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子）產(chǎn)品：輕量化、小型化、高集成化。二十一世紀(jì)對(duì)材料提出的新的要求輕質(zhì)、高強(qiáng)度、綠色一、鎂及鎂合金的特性※比重輕鎂(1.74)鋁(2.70)鐵(7.87)；

※比強(qiáng)度和比剛度比鋁、鋼高；

※良好的阻尼減震性能；

※優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；

※良好的電磁屏蔽性能；

※良好的機(jī)加工性能；

※廢料易回收重復(fù)使用；被譽(yù)為二十一世紀(jì)綠色工程材料一、鎂及鎂合金的特性※比重輕鎂(1.74)鋁(2鎂材與幾種常用工程材料力學(xué)性能比較幾種典型結(jié)構(gòu)材料的比強(qiáng)度和比剛度對(duì)比鎂材與幾種常用工程材料力學(xué)性能比較二、鎂及鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用※汽車、摩托車、飛機(jī)零件（減震、節(jié)能、提高駕乘舒適度）轎車用鎂合金輪轂直升機(jī)變速箱殼體二、鎂及鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用※汽車、摩托車、飛機(jī)零件轎車用鎂合金齒輪箱鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件

※鎂合金曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)左、右箱體蓋；

※鎂合金曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋；

※鎂合金前、后輪轂；

※鎂合金后扶手；

※鎂合金鎖扣。全鎂概念摩托車，12個(gè)零部件用鎂合金替代（減重6Kg）鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件

鎂合金高比強(qiáng)度、良好電磁屏蔽和散熱能力，優(yōu)越的裝飾及易于回收的特點(diǎn)，是制造電子產(chǎn)品外殼的理想材料。鎂合金高比強(qiáng)度、良好電磁屏蔽和散熱能力，優(yōu)越※手機(jī)、電腦、筆記本電腦等3C產(chǎn)品全鎂合金手機(jī)、筆記本電腦等3C產(chǎn)品※手機(jī)、電腦、筆記本電腦等3C產(chǎn)品※辦公用品※辦公用品※兵器（減重）※兵器（減重）飛行器結(jié)構(gòu)件鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件壓力容器鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件三、鎂及鎂合金研究發(fā)展歷程1755年，英國(guó)D.BLACK正式確定鎂的存在；1808年，英國(guó)H.DAVY制得鎂汞齊；1828年，法國(guó)A.BUSSY用鉀還原制得純鎂；1930年，德國(guó)ALDER工廠將鎂合金用于汽車零件；1936年，蘇聯(lián)將鎂合金用于飛機(jī)零件；第一次世界大戰(zhàn)期間，鎂合金大量用于軍事上；第二次世界大戰(zhàn)期間，鎂合金用量激增。戰(zhàn)后鎂合金主要用于汽車上；20世紀(jì)70年代鎂合金應(yīng)用出現(xiàn)回落；20世紀(jì)80年代由于能源危機(jī)，鎂合金的應(yīng)用開始回升，并有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。三、鎂及鎂合金研究發(fā)展歷程1755年，英國(guó)D.BLACK正式世界鎂合金消耗量正以每年20%速度飛速增長(zhǎng)從1998年到2000年在汽車上的鎂合金用量：※北美由5.93萬噸增至7.85萬噸；※歐洲由1.68萬噸增至2.68萬噸；※日本由0.63萬噸增至0.73萬噸。西方目標(biāo)：在每輛轎車上用鎂合金30~40Kg。西方汽車商已把單量轎車用鎂合金零件的多少作為衡量汽車科技含量的重要指標(biāo)。世界鎂合金消耗量正以每年20%速度飛速增長(zhǎng)從1998年到20四、鎂及鎂合金研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

“在材料領(lǐng)域中還沒有任何材料像鎂那樣，潛力與現(xiàn)實(shí)有如此大的顛倒。”四、鎂及鎂合金研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前，三種主要的鎂合金系是Mg-Al合金、Mg-Zn合金及Mg-RE合金，鎂不具備象鋁那樣豐富的合金系列，需要開發(fā)大量新的鎂合金系列。鎂合金材料根據(jù)生產(chǎn)方式的不同主要分為鑄造鎂合金與變形鎂合金兩大類。

國(guó)外專家認(rèn)為鎂合金研究與開發(fā)基本可分為4個(gè)階段：鑄造鎂合金、壓鑄鎂合金、變形鎂合金、快速凝固鎂合金。目前，三種主要的鎂合金系是Mg-Al合金、Mg-圖1-7鎂工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略示意圖

國(guó)際鎂協(xié)會(huì)（IMA）在2000年提出的發(fā)展鎂合金材料的戰(zhàn)略示意圖。目前，主要是采用傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)鎂合金；近期的研究工作主要集中在鎂合金壓鑄和Thixomolding技術(shù)上；變形鎂合金的發(fā)展是長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)和計(jì)劃。國(guó)際鎂協(xié)會(huì)（IMA）在2000年提出的發(fā)展鎂合金1、鑄造鎂合金

大量鎂合金產(chǎn)品采用鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)。尤其是采用壓鑄工藝（DieCasting）生產(chǎn)。壓鑄工藝生產(chǎn)鎂合金具有生產(chǎn)效率高、精度高、凝固組織優(yōu)良和可生產(chǎn)薄壁及復(fù)雜形狀鑄件。最常見的壓鑄鎂合金是Mg-Al系合金，用鋁合金化可提高合金的強(qiáng)度并具有更好的鑄造性能。通過控制雜質(zhì)含量，可通過壓鑄工藝生產(chǎn)出力學(xué)、耐腐蝕等綜合性能優(yōu)良的鎂合金鑄件，如最常見、使用量最大的AZ91合金。1、鑄造鎂合金

金屬鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，溫度在723K以上時(shí)氧化開始加劇。熔融狀態(tài)下，鎂液極易和空氣中的氧、氮、水氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在接近1073K溫度時(shí)會(huì)很快氧化燃燒。因此，鎂合金熔煉鑄造過程中需要進(jìn)行保護(hù)。金屬鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，溫度在723K以上時(shí)氧化開始加劇

鎂合金阻燃抗氧化方法(1)熔劑保護(hù)阻燃法。在鎂合金整個(gè)熔煉過程中，在熔劑保護(hù)下隔絕大氣進(jìn)行。鎂合金采用熔劑保護(hù)防燃使用最早也最廣泛，具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。(2)氣體保護(hù)阻燃法。常用氣體為SF6、CO2和SO2。其中SF6為無色無味無毒氣體，是最常用的鎂合金保護(hù)氣氛。但SF6、CO2等氣體具有強(qiáng)烈的“溫室效應(yīng)”，由于它們對(duì)環(huán)境的污染需要找到一種合適的替代氣體。(3)添加合金元素阻燃法。在鎂合金中只需加入少量的Be、Ca，可制備出燃點(diǎn)很高的阻燃鎂合金。Be與O2生成BeO膜致密，也有明顯的阻燃作用，但Be、Ca的加入量需要嚴(yán)格控制，否則會(huì)強(qiáng)烈惡化組織，造成晶粒長(zhǎng)大和熱裂傾向加大。鎂合金阻燃抗氧化方法高溫應(yīng)用的鑄造鎂合金

普通Mg-Al、Mg-Zn系鑄造鎂合金使用溫度限于150~200°C。應(yīng)用于更高溫度下的耐熱鎂合金主要是Mg-RE、Mg-Th系合金。釷是提高鎂合金高溫性能最有效的合金元素，但釷的低放射性限制了Mg-Th合金的應(yīng)用。

Haughton和Prytherch等最早報(bào)道了提高高溫抗拉強(qiáng)度的Mg-Ce合金。

Leontis的工作證明Mg-RE合金的高溫性能按La、Ce、MM（富Ce混合稀土）、Nd的序列提高。

Sauerward發(fā)現(xiàn)了Mg-RE合金中鋯（Zr）的晶粒細(xì)化作用。

Payne等發(fā)現(xiàn)銀的加入明顯改善Mg-RE合金的時(shí)效硬化效應(yīng)。添加鈧、釔對(duì)鎂合金的有益影響是又一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，Drits等開發(fā)了一系列耐熱高強(qiáng)WE型鎂合金。該類合金良好的力學(xué)性能使其廣泛應(yīng)用于賽車及飛行器變速箱殼體上。

高溫應(yīng)用的鑄造鎂合金2、變形鎂合金

與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金材料比鑄造鎂合金材料具有更高的強(qiáng)度，更好的延展性，更多樣化的力學(xué)性能，從而滿足更多樣的結(jié)構(gòu)件的需求。研究與開發(fā)新型變形鎂合金，開發(fā)變形鎂合金生產(chǎn)新工藝，是國(guó)際鎂協(xié)會(huì)（IMA）在2000年提出的發(fā)展鎂合金材料的最重要、最具挑戰(zhàn)性且是最長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)和計(jì)劃。

變形鎂合金與鑄造、壓鑄鎂合金性能比較2、變形鎂合金與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金材鎂及鎂合金塑性變形結(jié)構(gòu)特性金屬鎂的晶體結(jié)構(gòu)

225°C以下僅限于{0001}<1120>滑移及錐面{1012}<1011>孿生。在較高溫度下可出現(xiàn){1011}<1120>滑移。加入Li、In、Ag等使c/a<1.618可激活棱柱面{1010}<1120>滑移。鎂及鎂合金塑性變形結(jié)構(gòu)特性主要的變形鎂合金材料◆常用變形鎂合金Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn系；

AZ31、AZ61、AZ80、ZK60、M1A；◆超輕Mg-Li系變形鎂合金；

LA141、Mg-40%Li(ρ<1.0g/cm3)主要的變形鎂合金材料1、發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視鎂合金研究與開發(fā)。美國(guó)的鎂合金材料體系研制較為完備，合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Li、Mg-Th等，包括鑄造（壓鑄）件以及板、棒、型材和鍛件，并且開發(fā)出了快速凝固高性能變形鎂合金、非晶態(tài)鎂合金及鎂基復(fù)合材料等。美國(guó)與世界最大的鎂生產(chǎn)企業(yè)—挪威NovskHydro公司簽訂了長(zhǎng)期合作關(guān)系，以保證在21世紀(jì)前期鎂原料和鎂產(chǎn)品的充足穩(wěn)定的供應(yīng)。1、發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視鎂合金研究與開發(fā)。

日本在1999年由教育部、科技部、體育部和文化部共同組織實(shí)施的歷時(shí)四年的“PlatformScienceandTechnologyforAdvancedMagnesiumAlloy”。著重研究鎂的新合金、新工藝，開發(fā)出超高強(qiáng)變形鎂合金材料和可冷壓加工的鎂合金板材。德國(guó)于1997年由政府教育部組織，全國(guó)60余家企業(yè)，6所大學(xué)耗資2500萬馬克制訂了“高新制造技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”，以解決鎂合金生產(chǎn)中各種技術(shù)難題。英國(guó)開發(fā)出Mg-Al-B擠壓鎂合金用于Magnox核反應(yīng)堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飛行器上兼具優(yōu)良力學(xué)性能和耐蝕性能的變形鎂合金。法國(guó)和俄羅斯都生產(chǎn)出魚雷動(dòng)力電池用變形鎂合金陽極薄板材料。

日本在1999年由教育部、科技部、體育部和文化2、先進(jìn)鎂合金材料發(fā)展方向※鎂合金的晶粒細(xì)化

多晶體鎂結(jié)構(gòu)特征中晶粒細(xì)化對(duì)其屈服強(qiáng)度與延展性改善的巨大作用與潛力。根據(jù)Hall-Petch公式：

鎂的Hall-Petch系數(shù)Ky=280MPa·m-1/2，為鋁的相應(yīng)系數(shù)Ky=68MPa·m-1/2的4.1倍。這說明晶粒細(xì)化對(duì)鎂的強(qiáng)化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁的。晶粒細(xì)化對(duì)鎂力學(xué)性能的提高，其潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金。是開發(fā)鎂合金最重要的因素之一。2、先進(jìn)鎂合金材料發(fā)展方向※鎂合金的晶粒細(xì)化

晶粒尺寸對(duì)鎂、鋁晶粒尺寸對(duì)鎂的塑性的影響合金強(qiáng)度的影響鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件稀土對(duì)純鎂晶粒細(xì)化的宏觀形貌鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件※鎂合金的Thixomolding技術(shù)Thixomolding鎂合金設(shè)備※鎂合金的Thixomolding技術(shù)

在Thixomolding工藝中。以鎂合金屑為原料，在機(jī)器套筒中鎂合金原料通過電加熱成為半固態(tài)狀態(tài)，通過向半固態(tài)合金施加剪切力，把枝晶固體分解成球狀顆粒，使其粘度降低而流動(dòng)性提高。整個(gè)工藝可以不使用SF6氣體和防氧化劑，而且不產(chǎn)生廢渣、廢氣和工業(yè)廢物。與壓鑄工藝比較，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）鑄件內(nèi)部質(zhì)量高，減少氣孔，提高鑄件致密度；（2）產(chǎn)品尺寸精確度高，半固態(tài)漿料的低溫比熔化的金屬冷卻時(shí)由熱到冷引起的收縮?。唬?）力學(xué)性能優(yōu)良，該技術(shù)冷卻速度比壓鑄快很多，組織細(xì)??；（4）耐蝕性好。在Thixomolding工藝中。以鎂合金屑為※快速凝固鎂合金

PFC工藝AlliedSignal公司的平面流鑄造工藝PFC制備快速凝固鎂合金采用PFC工藝生產(chǎn)的變形鎂合金型材成為迄今報(bào)道過的性能最好的鎂合金。※快速凝固鎂合金Osprey工藝

Mg-8.5Al-2Ca-0.6Zn-0.2Mn合金。

σb=360MPa,σ0.2=305MPa,δ=9.5%KIC=35MPam1/2

晶粒3~25μm。

Mg17Al12，Al2Ca優(yōu)先在晶界沉淀。Osprey工藝GA工藝：

Mg-16%Li（40at%）合金。用氣體霧化開發(fā)體心立方的β–Mg-Li合金具有潛力。氣體霧化時(shí)加入氫，開發(fā)出Mg-16Li-0.12H合金。GA工藝：LDC工藝：Mg-Zn-Zr合金在413°C固溶5h，205°C時(shí)效，未再結(jié)晶及粗化，存在Al3Zr之故。※非晶鎂合金※鎂基復(fù)合材料LDC工藝：RS變形鎂合金開發(fā)原理：1、晶粒細(xì)化；2、化學(xué)均勻性增加，大大改善耐損壞性；3、晶粒細(xì)化對(duì)Hall-Patch強(qiáng)化的影響；4、形成多相彌散體系。RS變形鎂合金開發(fā)原理：

與常規(guī)工業(yè)鎂合金及現(xiàn)有鋁合金比較，快速凝固鎂合金材料具有以下特點(diǎn)：(1)室溫比極限抗拉強(qiáng)度超過常規(guī)鑄錠冶金工藝（I/M）鎂合金的及最強(qiáng)鋁合金的40%~60%；(2)壓縮強(qiáng)度/拉伸強(qiáng)度的比值（CYS/TYS）由0.7增加到1.1以上，改變了普通變形鎂合金σ壓<σ拉的特性；(3)擠壓態(tài)制品的伸長(zhǎng)率在5%~15%的范圍內(nèi)，形變熱處理后可達(dá)22%，相應(yīng)強(qiáng)度值仍高于I/M鎂合金的強(qiáng)度；(4)快速凝固鎂合金的大氣腐蝕行為與新型高純常規(guī)鎂合金AZ91E及WE43和鋁合金2024-T6相當(dāng)，比其它鎂合金腐蝕速率小將近2個(gè)數(shù)量級(jí)；與常規(guī)工業(yè)鎂合金及現(xiàn)有鋁合金比較，快速凝固鎂(5)與其它輕合金比較，快速凝固鎂合金在373K以上的溫度下具有優(yōu)良的塑性變形行為和超塑性，且由于明顯晶粒細(xì)化效果，使其疲勞抗力為I/M鎂合金的兩倍；(6)快速凝固鎂合金與SiC等增強(qiáng)相的相容性已得到證實(shí)，因此快速凝固鎂合金是復(fù)合材料的優(yōu)秀載體?？焖倌替V合金與其它輕質(zhì)變形合金性能對(duì)比(5)與其它輕合金比較，快速凝固鎂合金在373K以上的溫度下※鎂合金的超塑性許多鎂合金系（Mg-Li、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn等）以及快速凝固鎂合金都具備明顯的超塑性能。晶界滑動(dòng)是鎂合金超塑性的主要機(jī)制。當(dāng)晶粒下降到1~5μm時(shí)，甚至在室溫條件下也產(chǎn)生超塑性。典型的鎂合金超塑性實(shí)驗(yàn)※鎂合金的超塑性※鎂及鎂合金的耐腐蝕技術(shù)合金元素對(duì)鎂腐蝕速率的影響提高鎂合金耐蝕性能的工作：◆提高鎂及鎂合金的純度；◆添加新合金化元素開發(fā)新合金；◆表面保護(hù)；化學(xué)處理、陽極氧化、有機(jī)物涂層、電鍍◆采用新工藝和新技術(shù)；快速凝固技術(shù)、離子注入激光表面熔覆※鎂及鎂合金的耐腐蝕技術(shù)提高鎂合金耐蝕性能的工作：添加合金元素后Mg-Al-Zn合金鹽霧腐蝕16h試樣表面狀態(tài)Mg-Al-Zn合金試樣腐蝕程度于時(shí)間的關(guān)系鎂及鎂合金材料的發(fā)展課件※鎂合金必然成為未來空中運(yùn)輸及陸上運(yùn)輸?shù)闹匾Y(jié)構(gòu)材料。※斷裂韌性的缺點(diǎn)及穩(wěn)定達(dá)到的鈍化程度迄今妨礙航空工業(yè)的應(yīng)用。鎂及鎂合金材