（材料加工工程专业论文）稀土元素与凝固速度对az31resb组织及相组成的影响.pdf

原创性声明 if i f j l l l l l l f l l l l f i i f f l l l i i l l i i i i i i f p f l f l l l r f l l l l f l ly 18 3 3 8 9 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 董易超 嗍2 m 2 。日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑9 ，i 1 大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文懈襄知整脚2 年5 胁日 摘要 摘要 稀土合金化是改善镁合金组织性能的有效手段。但在含铝镁合金中形成的粗 大针状稀土相，又对合金基体产生很强的割裂作用，并引起应力集中，严重影响 合金强韧性以及塑性的进一步提高。 本文以a z 31 变形镁合金为基础，通过o m 、x r d 、s e m & e d s 、d t a 等分 析测试手段，研究和对比了富铈混合稀土与纯铈对合金组织结构的不同影响。特 别是在本课题组对镁合金中稀土相球化研究的基础上，研究了a z 3 1 m m 与 a z 3 1 c e 合金在通过s b 对稀土相球化过程中所表现出的不同行为；通过采用普 通凝固工艺、亚快速凝固工艺和快速凝固工艺制备合金，研究凝固速度对合金组 织结构的影响，借此并通过d t a 分析研究了合金的凝固过程，探讨了稀土相的 球化机制。最后，研究了a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金中第二相溶剂萃取的方法和工 艺，并对萃取产物进行了进一步分析。为稀土合金化a z 3l 镁合金组织结构的控 制与改善，进一步提高其塑性加工工艺性能和使用性能提供了理论参考。 结果表明，富铈混合稀土和纯铈对a z 3 1 镁合金的组织具有不同的影响。 a z 3 1 镁合金采用纯c e 进行稀土合金化后，合金相组成为仅m g 、i b - m g l 7 a l l 2 和 a l l l c e 3 ，较富铈混合稀土合金化晶粒更加细小，1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相更弥散，基体中的 针状相较少。通过d t a 分析可知，a z 3 1 合金中各相的析出顺序为： 0 【- m g _ p m g l 7 a l l 2 ； a z 3 1 c e合金中各相的析出顺序为： a l l l c e 3 _ 0 【m g _ p m g l 7 a l l 2 ；a z 3 1 c e s b 合金中各相的析出顺序为： c e s b - - a 1 1 1c e 3 - - - a m g _ p m g l 7 a l l 2 。m m s b 复合合金化和c e s b 复合合金化均 能得到较为弥散的球状第二相，且m m s b 对合金的细化程度更大。 凝固速度对a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金的组织、相组成和凝固过程产生很大影 响。研究结果表明：亚快速凝固速度范围内，随着凝固速度的逐渐增加，合金组 织中的第二相逐步细化、球化、弥散，0 2 m m 尺寸试样具有最优的组织，其组织 中弥散分布的球状相为a 1 c e s b 三元相；在快速凝固速度的范围内，随着凝固 速度的增加，合金组织中的第二相逐渐变成蠕虫状在基体分布，蠕虫状相较之亚 快速凝固念合会组织中的球状相，s b 含量减少，a l 含量增加。由d t a 曲线分析 可知，亚快速凝固念和快速凝固念较之普通凝固态，共晶温度升高，亚快速凝固 态合金中的球状a 1 c e s b 三元相析出温度为6 3 0 0 3 ；快速凝固念合金中的蠕 虫状a 1 c e s b 三元相析出温度为6 2 8 6 1 。 通过对a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金第二相溶剂萃取试验研究，得出了最佳的萃 取溶液：v h c l ：v h 2 0 = 1 ：l 浓度的盐酸水溶液。通过x r d 分析，确定了萃取产 摘要 物的相组成：m 9 1 7 a 1 1 2 、s b 、a 1 s b 、c e s b 和a 1 4 c e ；通过对萃取产物进行s e m & e d s 分析得出，单质s b 呈不规则多面体状，a 1 s b 相呈较不规则的多面体状，球状 c e s b 相是由不规则的多面体形状演化来。 关键词：a z 3 1 镁合金；稀土合金化；凝固速度；组织结构；溶剂萃取 a b s t r a c t a b s t r a c t r a r ee a r t ha l l o y i n gi saa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t y h o w e v e r ，t h el a r g en e e d l e - l i k er a r ee a r t hp h a s ed i s a p p e a r si nt h e m ga l l o y sc o n t a i n i n ga i ，w h i c hh a sav e r ys t r o n gb r e a k i n ge f f e c to nt h eb a s eo fa l l o y a n dh e n c el i k e l yt oc a u s es t r e s sc o n c e n t r a t i o n a sar e s u l t ，t h i sw o u l dp r o d u c e u n f a v o r a b l ee f f e c t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa l l o y b a s e do nt h ea z 31 ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed i f f e r e n te f f e c to fm ma n dp u r e c eo nt h em i c r o s t r u c t u r eb yo m 、x r d 、s e m & e d s 、d t aa n ds oo n e s p e c i a l l y ，t h e d i f f e r e n tb e h a v i o ro fm m s ba n dc e s bo nt h ea z 3 1i ss t u d i e db a s e do nt h er e s e a r c h o fo u rl a b ；f u r t h e r m o r e ，a sc a s t 、s u b r a p i ds o l i d i f i c a t i o na n de x t r u s i o np r o c e s s i n ga r e u s e df o rt h e s ea l l o y st os t u d yt h ee f f e c to fs o l i d i f i c a t i o nr a t eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo f a l l o y s t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s si ss t u d i e db yd t a ，a n dt h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo f s p h e r o i d i z i n g o fr a r ee a r t hi s a n a l y z e d a tl a s t ，e x t r a c t i o np r o c e s s o f a z 3l + 1 c e + 1 s ba l l o yi ss t u d i e d ，a n de x t r a c t si sf u r t h e ra n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e s av a l u a b l er e f e r e n c ef o r i m p r o v i n ga n dc o n t r o l l i n g t h em i c r o s t r u c t u r ea n do f m e c h a n i c a lp r o p e r t ya z 31 t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e dw i t hm m ，p u r ec eh a sd i f f e r e n te f f e c to nt h e m i c r o s t r u c t u r eo f a z 31a l l o y t h ep h a s e so f a z 31 一c ei sa - m g 、p - m g l 7 a i l 2 和a l n c e 3 c o m p a r e dw i t ha z 3 1 一m m ，t h eg r a i no fa z 31 - c er e f i n e ds t r o n g e ra n dt h es e c o n d p h a s ed i s p e r s e di nt h em a t r i xm g ，m e a n w h i l e ，t h el a r g en e e d l e l i k er a r ee a r t hp h a s e i s l e s s b yd t a ，t h ep r e c i p i t a t i o no r d e ro ft h es e c o n dp h a s ef o re v e r ya l l o yi sd e f i n e d t h a ti s ，f o ra z 3 1a l l o y ：0 【- m g p - m g l 7 a l l 2 , f o ra z 3 1 - c ea l l o y ：a l l l c e 3 - - a - m g p - m g l 7 a l l 2 ；f o ra z 3 1 + c e + s ba l l o y ：c e s b a l li c e 3 一a m g 一1 3 - m g l 7 a 1 1 2 t h e c o m b i n e de f f e c to fb o t hm m s ba n dc e - s bc a ng e td i s p e r s e dp h a s e s ，a n dm m s b r e f i n et h eg r a i nm o r es t r o n g l y t h es o l i d i f i c a t i o nr a t eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h em i c r o s t r u c t u r e 、t h ep h a s ea n d s o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fa l l o y s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h er a n g eo fs u b r a p i d s o l i d i f i c a t i o n ，a l o n gw i mt h ei n c r e a s i n go fs o l i d i f i c a t i o nr a t e ，t h es e c o n dp h a s e s b e c o m em o r er e f i n e m e n t ，s p h e r o i d i z i n ga n dd i f f u s i o n 0 2 m mb a rh a st h eb e s t m i c r o s t r u c t u r e ，w h i c hc o n t a i n sa i - c e s bt e r n a r yp h a s e ；i nt h er a n g eo fr a p i d s o l i d i f i c a t i o n ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fs o l i d i f i c a t i o nr a t e ，t h ew o r m l i k es e c o n d p h a s e sa r ed i s c o v e r e d t h i si sd i f f e r e n tw i t ht h eg l o b u l a rp h a s e so fa ss u b r a p i d a b s t r a c t s o l i d i f i c a t i o na l l o yw h i c hc o n t a i nm o r es ba n dl e s s a i a c c o r d i n gt h ed t a ， c o m p a r e dw i t ht h ea sc a s ta l l o y , a ss u b - r a p i ds o l i d i f i c a t i o na l l o yh a sh i g h e re u t e c t i c t e m p e r a t u r e t h eg l o b u l a ra 1 一c e - s bt e r n a r yp h a s e ss e p a r a t eo u ta t6 3 0 0 3 ，w h i l e t h ew o r m l i k ep h a s e so f r a p i ds o l i d i f i c a t i o na l l o ys e p a r a t eo u ta t6 2 8 6 1 a c c o r d i n gt h er e s e a r c ho ne x t r a c t i o no fa z 3 1 + 1 c e + 1 s ba l l o y , t h eb e s t e x t r a c t i o ns o l u t i o ni ss e t t e d ：v h c i ：v h 2 0 = 1 ：1 b yx r d a n a l y s i s ，t h ee x t r a c t e dp h a s e s a r ed e f i n e d ：m g l 7 a l l 2 、s b 、a i s b 、c e s ba n da h c e ；b ys e m & e d s ，t h e m o r p h o l o g y o ft h ee x t r a c t e dp h a s e si sd e f i n e d ：s bi sp o l y h e d r o n , a 1 s bi si r r e g u l a r i t yp o l y h e d r o n , a n dg l o b u l a rc e s bi sav a r i a t i o no f i r r e g u l a r i t yp o l y h e d r o n k e yw o r d s ：a z 3 1 a l l o y ；r a r ee a r t ha l l o y i n g ；s o l i d i f i c a t i o nr a t e ；m i c r o s t r u c t u r e ； s o l v e n te x t r a c t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 图表清单v i i i 1 绪论1 1 1 导言1 1 1 1 镁元素概况1 1 1 2 金属镁的基本性质2 1 1 3 镁合金的性能简介2 1 1 4 镁合金的分类及牌号3 1 2 变形镁合金研究现状4 1 2 1 变形镁合金的主要种类及性能4 1 2 2a z 3 1 变形镁合金的性能及应用5 1 3 稀土元素在镁合金中的应用6 1 3 1 稀土元素的特性与强化机理6 1 3 2 稀土化镁合金存在的不足和需要解决的问题7 1 4 本课题的研究内容及技术路线8 1 4 1 选题依据及意义8 1 4 2 主要研究内容9 1 4 3 技术路线1 0 2 试验及分析方法1 1 2 1 合金成分的设计1 1 2 1 1 成分设计的理论依据1 1 2 1 2 成分设计方案1 2 2 2 试验合金的制备13 、 目录 2 2 1 配米斗13 2 2 2 熔炼的准备工作l3 2 2 3 熔炼和浇注1 4 2 2 4 亚快速凝同合金的制备1 4 2 2 5 快凝条带的制备1 6 2 2 6 固溶处理。1 6 2 3 分析手段16 2 3 1 金相( o i ) 分析1 6 2 3 2x 射线衍射( x r d ) 分析l7 2 3 3 扫描电镜( s e m ) 及能谱( e d s ) 分析1 7 2 3 4 差热分析( d t a ) 1 7 3m m c e 对a z 3 1 r e ( s b ) 镁合金组织结构的不同影响研究1 8 3 1 混合稀土( m m ) 和单一稀土铈( c e ) 对a z 3 1 镁合金组织的影响1 8 3 2 混合稀土( m m ) 和单一稀土铈( c e ) 对a z 3 1 镁合金相组成的影响2 1 3 2 1a z 3 1 镁合金的相组成分析2 l 3 2 2 稀土添加后a z 3l 镁合金的相组成分析2 2 3 3s b 对a z 3 1 + m m 和a z 3 1 + c e 的相组成的不同影响2 3 3 4c e + s b 的复合加入对a z 3 1 镁合金凝固过程的影响2 6 3 4 1 普通凝固态a z 3 1 镁合金的凝固过程分析2 6 3 4 2 稀土元素c e 对普通凝固态a z 3 1 镁合金凝固过程的影响一2 7 3 4 3s b + c e 复合合金化对普通凝固态a z 3 1 镁合金凝固过程的影响2 9 3 5 本章小结3 0 4 凝固速度对合金第二相组成及其形貌的影响3 2 4 1 凝固速度对合金显微组织的影响3 2 4 1 1 亚快速凝i 古i 态合金的显微组织3 2 4 1 2 快速凝l 爿态合金的显微组织3 4 4 2 凝固速度对合金相组成的影响3 6 4 2 1 亚快速凝i 叫态合金的相组成3 6 4 2 2 快速凝l 司态合金的相组成3 7 4 3 凝固速度对合金第二相形貌的影响3 8 4 4 凝固速度对合金凝固过程的影响4 2 v i 目录 4 5 本章小结4 5 5 稀土相的萃取工艺及萃取相研究。4 6 5 1 制定萃取工艺的理论依据4 6 5 2 萃取工艺的探索4 6 5 2 1 萃取试样的制备。4 7 5 2 2 萃取溶液的配制4 7 5 2 3 萃取工艺流程4 8 5 3 萃取相种类的确定及萃取相的形貌分析4 9 5 3 1 不同浓度萃取液所得到的萃取物形貌4 9 5 3 2 萃取相的确定。5 1 5 3 4 萃取相的形貌分析5 2 5 4 本章小结5 5 6 主要结论及展望5 7 6 1 主要结论5 7 6 2 展望5 8 参考文献5 9 v l i 图标清单 图表清单 图1 1 地壳中主要元素含量百分比图( ) 1 图1 2 技术路线图。l o 图2 1 注射成形示意图( a ) 和水冷阶梯铜模示意图1 5 图2 2 亚快速凝同试样1 6 图2 3 快速凝固直径与凝固速度对应关系图1 6 图2 。4 制带设备及制带示意图1 7 图3 i - a z 31 镁合金普通凝同态显微组织。1 9 图3 2 添加0 6 w t 稀士后a z 31 镁合金的显微组织2 0 图3 3 添加0 8 w t 稀土后a z 3 1 镁合金的显微组织2 0 图3 4 添加1 0 w t 稀士后a z 3 1 镁合金的显微组织2 l 图3 5 添加1 2 w t 稀土后a z 3 l 镁合金的显微组织2 l 图3 6a z 31 镁合金的x r d 图谱2 2 图3 7 添加不同稀土元素后a z 3 l 镁合金的x r d 图谱2 3 图3 8a z 3 1 镁合金的s e m & e d s 分析2 3 图3 9s b + m m c e 复合合金化后a z 3 l 镁合金的显微组织2 4 图3 1 0s b + m m 复合合金化后a z 3 1 镁合金的x r d 图谱2 5 图3 11s b + c e 复合合金化后a z 31 镁合金的x r d 图谱。2 5 图3 1 2a z 3l + m m s b 合金组织的s e m & e d s 分析2 6 图3 1 3a z 31 + c e + s b 合金组织的s e m & e d s 分析2 6 图3 1 4a z 3l 镁合金的d t a 曲线2 7 图3 1 5a z 3 1 + c e 合金的d t a 曲线2 8 图3 1 6a z 3l + c e + s b 合金的d t a 曲线。3 0 图4 1 不同直径哑快速凝固a z 3 i + 1 c e 合金的显微组织。3 3 图4 2 不同直径亚快速凝同a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金的显微组织3 4 图4 3 快速凝i 古f 态a z 31 + 1 c e 十1 s b 合金的显微组织3 6 图4 4 不同直径亚快速凝固态a z 3 1 + 1 c e + l s b 合金的x r d 分析3 6 图4 5 快速凝固( 1 2 0 0 r m i n ) a z 3 1 + 1 c e + l s b 合金的显微组织3 7 图4 6 普通凝固态a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金s e m & e d s 分析3 9 图4 7 普通凝固态a z 3 1 + 1 c e + l s b 合金第二相线扫描分析4 0 图4 8 快速凝吲态( * 2 m m ) a z 3 l + 1 c e + i s b 合金第二相s e m & e d s 分析4 0 图4 9 弧快速凝州态( 0 2 m m ) a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金第二相线扫面分析4 l 图4 1 0 快速凝i 州态( 1 2 0 0 r m i n ) a z 3 1 + 1 c e + l s b 合金第二相s e m & e d s 分析4 2 图4 1 l 快速凝州态( 1 2 0 0 r m i n ) a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金第二相线扫描分析4 2 图4 1 2 弧快速凝吲态( 0 2 m m ) a z 3 1 + 1 c e + 1 s b 合金的d t a 分析4 3 图4 1 3 快速凝州态( 1 2 0 0 r m i n ) a z 3 1 + 1 c e + l s b 合金的d t a 分析4 4 图5 1 旃 ；斗过滤装置示意图4 8 图标清单 图5 2 萃取工艺流程图4 9 图5 3 经v h c i ：v h 2 0 = i ：3 浓度盐酸水溶液萃取所得萃取物的s e m & e d s 分析4 9 图5 4 经v h c i ：v h 2 0 = i ：2 浓度盐酸水溶液萃取所得萃取物的s e m & e d s 分析5 0 图5 5 经v h c i ：v h 2 0 = i ：l 浓度盐酸水溶液萃取所得萃取物的s e m & e d s 分析5 0 图5 6 经v h c i ：v h 2 0 卑l ：l 浓度盐酸水溶液萃取所得萃取相的x r d 分析。5 2 图5 7 萃取出的单质s b 相s e m 形貌及e d s 分析5 3 图5 8 萃取出的a l s b 相s e m 形貌及e d s 分析。5 3 图5 9 萃取出的单质c e s b 相s e m 形貌及e d s 分析5 4 图5 1 0 规则六面体c e s b 相s e m & e d s 分析5 4 图5 1 l 向球状演变中的六面体c e s b 相形貌5 5 表1 1 含镁的主要矿物。2 表1 - 2 合金元素代号3 表1 3a z 31 b 镁合金主要化学成分( ) 6 表2 1 合金的成分( 叭) 1 2 表2 - 2 混合稀土m m 的成分( 吼) 。1 2 表2 3 合金元素的收得率1 3 表4 1 合金中各元素的电负性3 8 i x 1 绪论 1 绪论 1 1 导言 材料对航空航天、国防、化工、建筑、现代交通运输等各个关键领域都有重 要影响，随着人类社会的发展，金属材料的消耗不断增大，传统的金属矿产资源 储量有限，逐渐不能满足当今工业需求【1 1 。 1 1 1 镁元素概况 镁元素在地球上的储量相当可观，在地壳表层元素含量中位列第六，约占地 壳质量的2 7 7 ，地壳中各元素的百分比含量如图1 1 所示。它同时也是海水中 的第三富有元素，约占海水质量的0 1 3 ，相当于每立方米海水约含1 3 千克镁 【2 1 。鉴于目前镁合金的应用尚不十分广泛，若能进一步加大镁合金材料的研发和 利用，可以极大地缓解当前金属材料需求的紧张状况。美国、德国、日本等发达 国家已经陆续出台关于镁的研究计划，将镁作为2 1 世纪的重要战略资源，加强 金属镁和镁合金的研发，并扩大它们的应用领域和使用数量【3 】。 图1 1 地壳中主要元素含量百分比图( ) 目前发现的镁矿石有六十多种，工业应用价值较大的有菱镁矿( m g c 0 3 ) 、 白云石( m g c 0 3 c a c 0 3 ) 、光卤石( k c l m g c l 2 6 h 2 0 ) 等，如表1 1 所示。我国 的镁矿石资源储量位居世界第一，其中已探明的菱镁矿石储量3 0 0 9 亿吨，约是 世界总探明储量的四分之一4 1 。但是我国的镁工业比较落后，主要向外出口廉价 的镁原料，缺乏深加工技术和高科技附加值的产业。因此，开展镁合金基础研究， 开发高性能、高附加值镁合金产品具有重要的意义。 1 绪论 大部分含镁的矿石经过煅烧可以得到氧化镁，然后通过金属还原或硅热法还 原可以得到金属镁，对于另外一些氯化物盐类、硫酸盐类等矿石则可通过熔盐电 解法制得【5 1 。 1 1 2 金属镁的基本性质 镁是i i a 族的碱金属元素，原子序数为1 2 ，同位素原子分别有占总量7 8 9 9 的m 9 2 4 、1 0 0 0 的m 孑5 、11 0 7 的m 9 2 6 ，相对原子质量为2 4 3 0 5 0 。常温时金 属镁的密度是1 7 3 8 9 e m 3 ，常压下纯镁的熔点是6 5 0 ，沸点是1 0 9 0 ，它是密 排六方结构，晶格常数a = o 3 2 1 n m ，c = o 5 2 1 n m ，c a 为1 6 2 4 。室温下，密排六方 的镁的塑性变形仅限于 0 0 0 1 滑移和锥面 1 01 2 孪生，因此塑性 较差。镁在日常生活中给人的最直观印象就是密度较小，化学性质活泼，它在所 有结构金属中具有最低的电位l o j 。 1 1 3 镁合金的性能简介 工业用镁的纯度能够达到9 9 9 ，但纯镁不能用作结构材料。在纯镁中加入 铝、锌、锰、锆、稀土等元素形成镁合金，具有一定的力学性能，可以作为结构 2 1 绪论 材料在工业中应用j 。 在力学性能方面，镁合金的比强度和比刚度较高，仅次于钛合金和结构钢， 比铸铝合金高，但大多数镁合金材料的屈服强度比铝合金低，受载荷能力较差。 它的弹性模量比较低，在外力的作用下，铸件会产生较大的弹性变形，在冲击载 荷的作用下能吸收较大的冲击力，适于制作承受强烈颠簸的零件，如飞机轮毂等。 铸造镁合金的耐热性能比较低，工作温度一般都在2 0 0 以下，即使是耐热合金 工作温度也都在2 6 0 。c 左右【8 1 0 】。 镁的标准电位较低，氧化膜不致密，抗腐蚀性能差。镁合金在潮湿的空气、 海水、各种酸及其盐类等介质中会发生比较严重的腐蚀，并且应该避免与铝、铜 等零件直接接触，否则会发生电化学腐蚀，应该用塑料、橡胶等进行隔离。而在 干燥大气、汽油、煤油、润滑油中，镁合金很稳定，可以制作发动机、齿轮箱、 燃油和润滑油的附件【u 】。 在熔炼时，镁液易氧化，易燃烧，与水反应剧烈，且其熔点低，大量蒸汽可 能引发爆炸，故应采取特殊保护措施。另外，镁合金的结晶间隔较大，体收缩和 线收缩较严重，易产生孔洞疏松【1 2 1 。 1 1 4 镁合金的分类及牌号 根据主要合金元素及成型的工艺的不同，可以对镁合金进行诸多分类。如果 按照主要合金成分进行划分，则以主要合金元素锰、铝、锌、锆和稀土元素为基 础，分成基本的合金系：m g m n ，m g - a 1 m n ，m g - a 1 一z n - m n ，m g - z r ，m g z n - z r ， m g r e z r ，m g a g r e z r ，m g y - r e z r 。按照是否添加a l ，可分为含铝镁合金 和不含铝镁合金；按照是否添加z r ，又可分为含锆镁合金和不含锆镁合金。根 据成型工艺划分，镁合金可以分为变形镁合金和铸造镁合金两大类【1 3 】。 表1 - 2 合金元素代号 1 绪论 目前，国际上通常采用美国试验材料协会( a s t m ) 使用的方法来标记镁合 金的牌号。镁合金中各合金元素的代号如表格1 2 所示【h 】。牌号中的前两位字母 代表主合金元素，两位数字则分别表示各主合金元素的名义质量分数。后缀字母 则代表成分和特定范围纯度的变化。例如a z 9 1 e 表示主合金元素是a l 和z n ， 其名义含量( 质量分数) 分别是9 和1 ，e 表示a z 9 1 系列合金中的第五种成 分。 1 2 变形镁合金研究现状 虽然铸造镁合金的研发和应用更为成熟，而且目前工业中使用的镁合金材料 大多为压铸件，但是与铸造镁合金相比，变形镁合金通过变形可以生产尺寸多样 的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过组织的控制和热处理工艺的应用， 获得更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，更适合于制作大型结构 件和形状较为复杂的构件【l5 1 。航空航天、交通、电器等行业所需要的许多板材、 型材、棒材、管材和锻件是铸造件所无法代替的，其中许多变形镁合金构件我国 只能依赖进口。所以，在我国加快、加大变形镁合金材料的发展力度是当务之急。 1 2 1 变形镁合金的主要种类及性能 变形镁合金主要有m g - a l 、m g z n 、m g - z r 、m g m n 、m g l i 、m g r e 等合 金系。其中最常用的合金系是以m g - a 1 和m g z n 为基础而衍生出的m g - a 1 z n 和m g z n z r 三元系镁合金，即通常所说的a z 系列和z k 系列，它们以舢、z n 、 m n 、z r 、r e 五个主合金元素为基础。另，变形镁合金还可分为含铝镁合金和不 含铝镁合金两大类，又因为不含铝镁合金都添加z r 细化晶粒，变形镁合金亦可 分为含锆镁合金和不含锆镁合金【1 6 。1 7 】。 ( 1 ) m g a 1 系：铝与镁形成有限固溶体，在共晶温度4 3 7 时的溶解度为 1 2 7 ( 质量分数) ，至室温时逐渐降低为2 ，铝含量大于6 的镁合金经热处 理可强化。铝的加入能够有效提高合金的强度和硬度，改善合金的铸造性能。含 铝约6 的镁合金具有最佳强度和塑性的配合。该系合金中一般添加锌和少量的 锰。锌可以使固溶体强化，提高合金的室温强度，并锰则可以提高耐蚀性。商业 用变形m g a 1 合会中铝含量为0 - 8 ，锌含量为o 1 5 ，典型牌号如a z 3 1 b ， a z 3 1 c ，a z 6 1 a ，a z 8 0 a 等，应用于锻件和板材。m g a 1 系合余具有良好的机 械性能铸造性能和抗大气腐蚀性能，是室温下应用最广泛的合金系，但a z 和 a m 系列的机械性能在高于1 2 0 时会急剧下降1 8 。9 1 。 ( 2 ) m g z n 系：锌在镁中的固溶度为6 2 ，可以起到固溶强化和时效硬化的 4 1 绪论 作用，并且能够消除镁合金中铁镍等杂质元素对腐蚀性能的不良影响。m g z n 二元合金难以晶粒细化，易形成孔洞，因而不能用于商业。在m g - z n 合金中加 入质量分数超过0 5 含量的锆可有效细化晶粒。m g - z n - z r 合金属于高强度镁合 金含锌量一般不超过6 5 ，随含锌量增加，抗拉强度和屈服强度提高，延伸率 略有下降，塑性、焊接、铸造性能下降。变形m g - z n z r 挤压制品和锻件只在人 工时效状态下使用【2 0 之2 1 。 ( 3 ) m g - m n 系：锰能够提高合金的应力腐蚀抗力，对机械性能影响不大，但 降低塑性，该系合金在盐水溶液中有较好抗腐蚀性，且易于焊接，强度中等，可 用来制造飞机蒙皮、形状复杂的模锻件、耐蚀性较高的附件等，典型牌号如m 1 a 。 在该系合金中加入c e 可细化晶粒，显著提高合金强度【2 3 彩】。 ( 4 ) m g - r e 系：m g - r e 系合金在2 0 0 - - - 3 0 0 具有良好的抗蠕变性能，是较为 重要的耐热合金。镁可与单一稀土元素或混合稀土形成固溶体，且稀土元素在镁 中的溶解度随稀土原子半径的增大而降低。m g - r e 合金的晶界上有呈网状分布 的低熔点共晶化合物，可以减少显微缩松的出现，故其铸造工艺性能较好。铸态 m g - r e 系合金由等轴q 晶粒和晶界上的网状化合物组成。对其进行时效，晶内 会析出细小沉淀相，析出相和晶界相的存在，阻碍了晶界滑动，使m g - r e 系合 金具有良好的抗蠕变性能。随稀土元素含量的增高，合金的常温机械性能和高温 性能也会提高【2 5 。2 6 】。 1 2 2a z 3 1 变形镁合金的性能及应用 a z 3 1 属于a z 系列变形镁合金，是m g a 1 一z n 系变形镁合金中的典型代表， 是重要的商业用变形镁合金。在常温常态的使用条件下，它具有中等的强度，优 良的延展性，良好的抗大气腐蚀性能，可以通过轧制、挤压、锻造等变形方式加 工成薄板、厚板、棒材、管材、型材、锻件，并通过控制热处理状态来获得需要 的强度、塑性等力学性能，在当今工业中有着较广泛的应用。在汽车工业中， a z 3 1 可用于制作底盘等承载件和车身外覆盖件；在自行车领域，可生产山地车、 折叠车，以及曲柄、竖管、夹器、车架等零件；在3 c 产业中，可用于生产笔记 本电脑、移动电话外壳等；另在健身器材、国防、印刷等行业中也有应用。a z 3 1 镁合金工业制品具有质量轻、美观、传热性好、防电磁屏蔽性强、环保等特点【2 m 引。 a z 3 l 的铸态组织由a m g 固溶体和 b - m 9 1 7 a l l 2 相组成。体心立方结构的 m g l 7 a 1 1 2 是a z 3 1 中唯一的化合物相，它呈骨骼状分布于a 基体的晶界和枝晶间。 a z 3 1 的主要合金成分如表1 3 所示： 1 绪论 m g l 7 a i l 2 分布在晶界和枝晶间，会降低a z 3 1 的工艺塑性，因此需要对合金 铸锭进行均匀化处理。均匀化处理时，通过原子扩散，可以极大地消除晶内偏析 和内应力，提高合金的组织成分均匀性，提高其工艺塑性。均匀化处理后，a 基 体上的枝晶数量极大地减少，仅枝晶间及基体上还残存着少量1 3 - m g l 7 a 1 1 2 【2 9 1 。 经研究表明【3 0 】，m g l 7 a i l 2 相能够以连续和不连续沉淀两种方式从a m g 基体 中析出，若时效温度高于2 0 5 ，m g l