（材料加工工程专业论文）轮毂用高强高韧镁合金及其成形技术研究.pdf

摘要 镁合金具有密度小、比强度高和刚度高、阻尼性能好以及电磁屏蔽等优点， 近年来成为汽车和电子行业的重要轻质材料。随着汽车轻量化的要求，越来越多 的汽车零部件采用镁合金制造来减轻汽车自重，其中汽车轮毂对于汽车减重具有 尤其重要的意义和效果，但轮毂的使用条件决定其必须同时具有较高的强度和韧 性，目前的镁合金材料还迭不到这方面的要求。a m 6 0 及a z 9 1 镁合金是工业应 用最为广泛的镁合金。a z 9 1 的强度较高，基本可以满足汽车轮毂的强度要求， 但韧性不足：a m 6 0 韧性较好，但强度有待进一步提高。因此提高镁合金的强韧 性是扩大镁合金在汽车上的应用范围的一个重要方向，以便开发镁合金汽车轮毂 这类同时要求高强高韧性需耐冲击和抗疲劳的零部件。 本文以a m 6 0 b 及a z 9 1 d 合金为基，富c e 混合稀土为合金化元素，配制了 不同成分的十余种舍金。在全面测试了它们的流动性、室温力学性能以及布氏硬 度的同时，应用光学显微镜( o m ) 、x 射线衍射仪( x r d ) 、电子探针( e p m a ) 、 带能谱分析( e d a x ) 的扫描电子显微镜( s e m ) 、电感耦合等离子体发射光谱 仪( i c p ) 等分析和测试手段，较系统和深入地研究了稀土和热处理工台对a m 6 0 b 和a z 9 1 d 合金组织及力学性能的影响及其作用机理。 研究表明，r e 加入m g a i 基合佥中后，优先与a l 结合，生成杆状的a i i i r e 3 相，其次，r e 与合金中的a l 和m n 元素生成颗粒状三元相a i i o r e z m n 7 相，而 对不含r e 的a m 6 0 b 及a z 9 1 d 合金则会生成a 1 2 m n 等相。r e 的加入对基体起 到第二相强化的作用，由于a m 6 0 舍金本身7 ( m g l 7 a 1 1 2 ) 相含量较少，因此这种 强化作用很明显；而a z 9 1 合金中y 相原已较为丰富，增加稀土相后，众多的网 状或杆状相有割裂基体的倾向，削弱了强化效果，只有在r e 舍较低时对合金起 到强化效果，当r e 含量较高时甚至降低了合金的强度。 固溶热处理的作用对这两种合金的影响不尽相同。由于a z 9 1 合金中a 1 含 量高，其固溶强化的效果也强；a m 6 0 合金中a i 含量较少，所以固溶强化的效 果没有a z 9 1 合金那样显著。时效热处理对这两种舍金的影响也有所不同，在 a m 6 0 合金中，时效在晶界和晶粒中以连续沉淀机制弥散析出细小二次相7 相为 主：而在a z 9 1 合金中y 相以两种机制析出：以非连续沉淀机制析出的y 相呈层 片状由晶界向晶粒内生长；以连续沉淀机制析出的y 相在晶粒内部呈细小颗粒弥 散析出。同时，固溶和时效这两种热处理对稀土相的形态改变不是很明显。 总体来讲，热处理和一定范围内( 1 6 ) 的r e 加入量对a m 6 0 b 及a z 9 1 d 合金的力学性能有较大的提高，包括拉伸强度、屈服强度以及伸长率：其中s 4 合金在铸态或t 4 态下的吼达到2 2 1 ，5 m p a ，g 。2 可达8 5 m p a ，延伸率6 为1 0 1 3 ， h b 硬度超过7 0 ；s s 2 合金在t 6 态下的a b 达到2 4 1 5 m p a ，咖2 可迭1 3 0 m p a ， 延伸率6 为6 左右，h b 硬度超过7 5 。 镁合金的断裂总体上属于脆性断裂，从断口来看，其具有典型的准解理特征。 a m 6 0 合金的塑 生较高，所以其有一定的韧性断裂特征，呈带有一定韧窝的准解 理断裂方式。a z 9 1 合金铸态时的断口形貌沿晶断裂特征比较明显；热处理后， 解理小刻面和面上的河流花样增多，准解理断裂特征更明显，塑性提高。r e 的 加入改变了二次解理台阶的形成过程。 本文还在合金材料开发和研究的基础上，采用初步研制成功的新型高强高韧 镁合金进行了镁合金轮毂样品的试制和铸造工艺研究。根据材料特性，通过结构 力学分析和铸造工艺计算机模拟简化了了镁合金轮毂重力铸造工艺方案的设计 和修正，成功地试制出了合格的镁合金轮毂，并进行了轮毂台架试验。 关键词：稀土，热处理，镁合金，显微组织，力学性能，连续沉淀，非连续沉淀 轮毂，台架试验 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o yh a v et h ea d v a n t a g e so fl i g h t w e i g h t ，h i g hs t r e n g t h w e i g h tr a t i o ， h i g hs t i f f n e s s w e i g h tr a t i o ，h i g hd a m p i n gp r o p e r t ya n de l e c t r o m a g n e t i s ms h i e l d i n g p r o p e r t ya n ds oo n ，s or e c e n t l y i th a sa c t e da ni m p o r t a n tr o l ei na u t o m o b i l ea n d e l e c t r i ci n d u s t r ya saw e i g h tr e d u c i n gm a t e r i a l f o l l o w i n gw i t ht h el i g h t w e i g h to f a u t o m o b i l e s ，m o r ea n dm o r ea u t o m o b i l e s c o m p o n e n t sa r em a d ef r o mm a g n e s i u m a l l o y s ，w h e r et h ew h e e l sh a v e a s p e c i a lm a g n i f i c e n c ea n d e f f e c tf o rt h ew e i g h t - s a v eo f a u t o m o b i l e s b u tw h e e l ss h o u l dh a v eb o t h h i g hs t r e n g t h a n d h i g ht o u g h n e s s d e p e n d i n go nt h e i rw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，t h em a g n e s i u ma l l o y s a tp r e s e n th a sn o t s a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n tf o rm a t e r i a ly e t a m 6 0a n da z 9 1a r et h em o s t b r o a d l y u s e d m a g n e s i u ma l l o y si ni n d u s t r y a z 9 1a l l o y ss 打e n g t hi sh i g he n o u g ht om e e t t h en e e d s o f w h e e l s ，h o w e v e ld u et ot h eh i g ha ic o n t e n t ，t h ed u c t i l i t yo f a z 9 1a l l o yi sn o ts o g o o d ，a m 6 0a l l o y h a sah i g h d u c t i l i t yb u ti t ss t r e n g t hn e e d s t ob e i m p r o v e d 。 i nt h i s p a p e r , m o r et h a nt e nk i n d so fn e wa m 6 0 b - b a s e da n da z 9 1 d - b a s e d a l l o y sh a v eb e e nm a d eu p w i t hm i c r o a l l o y i n go f r a r ee a r t he n r i c h e db yc e ，w h i l s tt h e t e s to ft h e i rf l u i d i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o m t e m p e r a t u r e s ，a n dh bh a r d n e s s ， e f f e c t sa n dt h e i rm e c h a n i s mo fr a r ee a r t ha d d i t i o na n dh e a lt r e a t m e n to nt h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e du s i n gm o d e m a n a l y s i sa n dt e s tf a c i l i t i e s s u c ha so p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，x - r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) ，e l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y z e r ( e p m a ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) w i t he n e r g y d i s p e r s i o nx r a ya n a l y s i s ( e d a x ) a n di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) ， e t c e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tr a r ee a r t h p r e f e r e n t i a l l y c o m b i n e dw i t h a l u m i n u mt of o r m r o d s h a p e da l l l i t e 3a f t e ri th a d b e e na d d e dt om g - a 1b a s e da l l o y s s e c o n d l y b e c a u s et h em a n g a n e s ec o n t a i n e di na m 6 0 a n da z 9 1a l l o y , r a r ee a r t h ， a l u m i n u ma n dm a n g a n e s ew o u l dc o m b i n et oa na i i o r e 2 m n 7t e r n a r yp h a s e i ft h e r e w e r en or a r ee a r t hi nt h ea l l o y , m a n g a n e s ea n da l u m i n u mw o u l dc o m b i n et oa 1 一m n p h a s e t h e a d d i t i o no fr a r ee a r t hh a dt h ee f f e c to fs e c o n d - p h a s es t r e n g t h e n i n g b e c a u s et h e r ea r en o ts om u c h y - p h a s e ( m g t v a l j 2 ) i n a m 6 0a l l o y , s o s u c h s t r e n g t h e n i n gw a sw e l le x h i b i t e d o nt h ec o n t r a r y , t h e r ew e r el o t so fyp h a s ei n a z 9 1 d a l l o y , a n dw h e n r ei sa d d e di n t oi tm u c hr o d l i k ea l l i r e 3 p h a s e sa r ef o r m e d ， t h e s er o d - l i k ea l t t r e 3p h a s e sa n dn e t l i k eyp h a s e sh a v ea t e n d e n c yt od i s s e v e rt h e m a g n e s i u mm a t r i xw i t hw e a k e n i n gt h ee f f e c t o fs t r e n g t h e n i n ge v e nr e d u c i n gt h e s t r e n g t ho f t h ea l l o y a st h ec o n t e n to f r ei sr e l a t i v eh i g h ， a l s ot h ei n f l u e n c e so fs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n to nt h et w oa l l o y sa r en o tf u l l y s a m e b e c a u s eo ft h eh i g hc o n t e n to fa l u m i n u mi na z 9 1 a l l o y , i t ss o l i ds o l u t i o n s t r e n g t h e n i n ge f f e c tw a sr e m a r k a b l e a n dt h ee f f e c to fs o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g w a sl o wd u et ot h el o w e rc o n t e n to fa l u m i n u mi na m 6 0 a l l o y t h ee f f e c t so fa g i n g h e a tt r e a t m e n to nt h e s et w oa l l o y sw e r ea l s od i f f e r e n t i na m 6 0a l l o y , tp h a s e s p r e c i p i t a t e d i nt h e g r a i n a n dg r a i nb o u n d a r i e su n i f o r m l yw i t ht h em e c h a n i s mo f c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o n i na z 9 1a l l o y , 7p h a s e sw e r ef o r m e db ym e a n so ft w o p r e c i p i t a t i n g m e c h a n i s m ：t h e 7p h a s e sp r e c i p i t a t e d w i t ht h em e c h a n i s mo f d i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o ng r e wl a m e l l a rf r o mg r a i nb o u n d a r i e st ot h ei n s i d eo f g r a i n s ；a n dt h etp h a s e sp r e c i p i t a t e dw i t ht h em e c h a n i s mo f c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o n w e r ef o r m e di n s i d eg r a i n s o nt h eo t h e rh a n d ，s o l i ds o l u t i o na n da g i n gh e a tt r e a t m e n t s c o u l d n tc h a n g et h es h a p eo f r a r ee a r t hp h a s eo b v i o u s l y o nt h ew h o l e ，h e a tt r e a t m e n t sa n dr ea d d i t i o nl e s st h a n1 6 w t c a l ln o t a b l y i m p r o v e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha su l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h ， a n de l o n g a t i o nr a t e o fa m 6 0 ba n da z 9 1 d a l l o y s w h e r et h ep r o p e r t i e so f s 4a l l o y w i t ht 4t r e a t m e n ta r e - g b 2 2 0 m p a ，a m2 = 8 0 8 5 m p a ，5 = 1 0 1 3 ，h bh a r d n e s s 7 0 ， s t r i k et o u g h n e s sm o r et h a n16 j t h o s eo fs s 2a l l o yw i t ht 6t r e a t m e n ta r e ：o - bu pt o 2 4 1 5 m p a ，a o 2u p t o1 3 0 m p a ，6a b o u t6 ，h bh a r d n e s sm o r et h a n7 5 ，a n ds t r i k e t o u g h n e s su p t o1 2 j 。 w i t hah e ps t r u c t u r e ，f a i l u r eo fm a g n e s i u ma l l o y si s u s u a l l yb r i r l et h r o u g h c l e a v a g eo rq u a s i c l e a v a g ef r a c t u r e i nc l e a v a g ef r a c t u r e ，m i c r o - c r a c k sd e v e l o pa l o n g c e r t a i nc r y s t a l p l a n e s ，w h i c hi s ( 0 0 0 1 ) f o rm a g n e s i u m t w op a r a l l e l c r a c k sw i t h r e l a t i v e l yh i g hd i f f e r e n t i a la l t i t u d ec a nf o r ms t e p st h r o u g ht h ep a r e m o fs e c o n d a r y c l e a v a g e o r t e a r i n g ，a n d r ea d d i t i o n c h a n g e d t h ef o r m a t i o no ft h e s t e p s f r o m s e c o n d a r yc l e a v a g et ot e a r i n g ，t h ef r a c t u r eo f a m 6 0 bw i t hr ea d d i t i o n so b v i o u s l y f e a t u r e st h ec o m b i n a t i o no f q u a s i c l e a v a g ea n d l o c a lg l i d i n gf r a c t u r e ，a n dt h ef r a c t u r e o f a z 9 1 dw i t hr ea d d i t i o nh a saf e a t u r eo f c o m b i n a t i o no f i n t e r c r y s t a l l i n ec r a c ka n d c l e a v a g ef r a c t u r ew h i c h l e a d st ot h er e l a t i v eb a d p l a s t i c i t yo f t h ea l l o y s i nt h i s p a p e r , o nt h e b a s i so ft h er e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t so fn e wh i g h s t r e n g t ha n dh i g ht o u g h n e s sm a g n e s i u ma l l o y s ，t h ep i l o tp r o d u c t i o n a n dc a s t i n g p r o c e s sr e s e a r c h e so f a u t o m o b i l ew h e e l sb yt h en e wa m 6 0 b m a g n e s i u ma l l o y w i t ha l i t t l er ea d d i t i o nw e r ec a r r i e d o u t f e mm e c h a n i c a l a n a l y s i s a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o no fc a s t i n gp r o c e d u r eo fw h e e l sw e r ea d o p t e dt os i m p l i f yt h ed e s i g na n d a m e n d m e n to ft h e g r a v i t yc a s t i n gp r o c e s s o fm a g n e s i u m a l l o y w h e e l s s o m e a c c e p t a b l ew h e e l s w e r ep r o d u c e da n dw e n tt h r o u g ht h eb e n c h t e s t k e yw o r d s ： w a r ee a r t h ，s o l i ds o l u t i o n , a g i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t e ，d i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t e ，a u t o m o b i l ew h e e l s ，b e n c h t e s t 上海交通走学博士后出站工作报告 第一章绪论 1 1 镁及镁合金的基本性质 镁元素在地壳中有丰富的含量，仅次子铝、铁、钙、钠、钾，约占地壳重量 的2 7 。此外，占地球表面积7 0 的海洋也是一个天然的镁资源宝库，据测算， 每立方米的海水中约含有1 3 k g 的镁。仅死海一处的镁，若得到全部开发的话， 就可供人类使用2 2 ，0 0 0 年】。因此，镁的开发与应用对人类有着重要的意义。 镁为元素周期表第1 i 族化学元素，原子序数1 2 ，原子量2 4 3 0 5 ，银白色， 密排六方晶格，无同素异构转交，在现有的工程应用金属中镁的密度最小，为 1 7 4 9 c m 3 ，熔化点为6 4 9 c ，与铝的熔点相近口】。镁合金是现有工业应用合金中 比重最轻的材料，密度通常在1 7 5 1 8 5 9 c m 3 之间，其比重约为铝合金约的2 3 ， 锌合金及钢的l 3 ，镁合金的比强度和比刚度高于铝合金和钢，其疲劳强度甚至 高于铝合金 4 0 】与工程塑料相比，镁合金比重稍高于工程塑料，工程材料尤其 是纤维增强塑料的比强度更高，但其弹性模量很小，比刚度远小于镁合金，且工 程塑料难以回收。同时，镁合金具有高阻尼性能、优良的电磁屏蔽性能和良好的 切削加工性能 6 】 1 2 常用镁合金及其强化机制 纯镁很少用于结构件，用于结构件的几乎金是以镁为基体的合金材料。这些 材料经过合金元素的固溶强化沉淀强化及弥散强化机制，获得了适于工程用的 各种合金1 7 1 2 】。 1 2 1 常用镁合金 常用的镁合金大致分为四类： ( 一) m g - a i z n 系 a l 和z n 是提高镁的强度和塑性的有效元素。如图1 - 1 中所示，当铝含量为 9 时，镁合金的强度最大，当锌为3 ，合金的塑性最好【l 卜】。当强度与塑性需 同时加以考虑时，6 的铝含量提供了合适的强度，5 的锌也有一定的延伸率。 a l 和z n 对于铸造性能也有重要的影响。适当的含量使得镁合金有着良好的铸造 性能。此外，a l 对提高镁合金的抗腐蚀性也有帮助。a z 系列与a i v i 系列合金是 常用的m g a 1 z n 系合金f h 7 1 。由于认识到了c u ，f e ，n i 等重金属元素对抗腐 蚀性的重大影响并生产出了杂质元素含量很低的镁合金，合金的抗腐蚀有了很大 的提高。但是该系合金的高温性能仍然不能满足许多实际生产的需要。这是与该 系合金本身的合金组织密切相关的。在镁基体上析出的b 相( m g l t a l - 2 ) 的晶体 结构与镁基体间缺乏相位关系，且熔点只有4 3 7 ( 2 ，在高温下因扩散加强而极易 变软、粗化，并由此削弱晶界，致使抗蠕变能力下降。尤其对于压铸件，细小的 晶粒加上品界上大量析出的相更加剧了高温蠕变。铸件的晶界上大量显微缩孔 的存在更起到了推波助澜的作用。提高m g a i z n 系合金压铸件高温性能的途径 有f 1 8 1 9 j ： ! ：耋蠢! 耋耋叁竺耋耋塞鍪三：鐾：。：。一：。! ! ， ： 无孔压铸法，通过形成饰散质点而消除缩孔而提高强度； 添如徼量元素对芦相进行改性，提高p 相与基体昀嚣耐力并提高熔点； 疰铸夔织孛接裁器毂浆糕亿簌孬藏步螽器舞臻交。 234567s9 0 “1 2 a i 图1 1 镬一铝一锌三冗相图的镁角部分p 1 c 【a ( m 曲；t m g a z ( a 1 z n ) 4 9 ；一m g z n ；y m g l t a l l 2 f i g 1 - 1t h e m a g n e s i u m c o i t l e r e f m 舻a i - t m t e r n a r y p h a s e d i a g r a m 一些研究袭明，s r ，l i ，c a , b a , b i 等元索可以变质栩或改变a z 9 1 晶粒的大 小【1 3 】。值得一提的是s r ，少攮的加入可| 2 上明显减少a z 9 l 的显微缩孔，提高耐水 压性能。有文献指出，c a 与a l 的体积比大予o 8 对，温廪超过2 0 0 詹，m g a 1 一c a 套套维跨硬度大于a e 4 2 合套”4 j 。b i 元素加入裂m g - a 1 舍金孛，v 撩变褥据，j 、 鼹敲。常温下，警b i 含量大予2 对，廷律肇急餐下降，援度奄下降，囊在1 5 0 。c 、 2 5 0 x 2 短时拉伸时，屈服强魔明显提高，2 5 0 1 2 持久试验寿命也大大提高【i ”。 ( = ) m g - a i - s i 系 m g a 1 ，s i 系合金最衣簿予7 0 年代稳藩蕊v o l k s w a g e n 汽享。该系舍金较 m g 。a 1 z n 系合愈有更好的高滚抗蠕变性能l 捌。目前该兼合金多用于艨铸件生产， 因为在重力铸道的慢冷条件下，m 9 2 s i 相量粗大汉字状，从而降低延伸率和流动 性。研究表明，微量的c a 的加入变质并净化m 9 2 s i 相【2 ”。砂型铸造时，在a s 4 1 孛漆蕊e 1 1 魏c a 霹可褥延传率提亵一镑，著提高场氏模量檀，可获缮与a z 9 1 穰囊酶力学幢能。与诧丽爵又阻止了m 9 2 s i 翡的褪亿隔提高高温幢簸辫。 ( 三) m g - r e 系 早在3 0 年代，r e 元素对镁合金的强化律用就被发现，从两发展了一系列用 予重力铸造与锻造羲袁瑟舍会涔l 。喾臻戆凑m g 髓z r ( e k 3 0 ，3 l ，4 1 ) ， m g z n r e z r ( z e 6 3 ，4 1 ，e z 3 3 ) 和m g r e a g z r ( e q 2 l ，q e 2 2 ) 簿三元或四 元合金【2 ”。稀土提高合金室漱和高温性能的机理为固溶强化与m g l 2 r e 相的沉淀 强化。这些金麟间化合物的扩数系数低，并且与基体有良好的黏着性。因此r e 鳃加入可在2 0 0 。c 2 5 0 。c 莲溪蠹提毫裹滠缀度。m g 。c e 台金中，m g l a c e 在函秀 的彩核、沉淀起到了关键俸用。a e 4 2 合金含有4 的a 1 和2 鼗稀土，因此吴 上海交通太掌博士后出站工作报告 有良好的流动性和抗蠕变性而应用于汽车结构件上 2 8 q 0 1 。 ( 四) m g - l i 系 锂的密度较镁更小，当形成m g l i 合金时，可以获得比其它m g 合金更高的 弹性率和比强度，因而是轻量化的理想合金材料。已形成的合金牌号有l a 9 1 ， l a l 4 1 等。a l 、s i 、r e 等微量元素的添加对m g l i 合金的力学性能的影响也已 有了大量的研究【3 卜d 2 1 ，结果表明：a 1 的加入提高m g l i 合金的抗拉强度和硬度， 在合适的成分范围也会改善塑性并减缓腐蚀。少量s i 的加入可以在一定程度上 提高塑性，s i 含量过高时，由于脆性m 9 2 s i 相的形成会降低塑性和抗腐蚀性。 混合稀土的加入在基体上形成了大量的弥散分布的沉淀相，如r e a l 3 、r e a l 3 等， 提高了镁合金的力学性能。 1 2 2 镁合金强化方式 1 固溶强化1 3 3 - 3 5 i 固溶合金是由合金元素完全溶解在基体金属中而形成的。溶质原子在晶格上 替代了基体金属原子，起到了强化的作用。这种强化效果是通过原子错配和溶质 与基体原子之间弹性模量的差异而获得。固溶后的屈服强度的增加将与加入溶质 元素的浓度成二分之一次方比，如图1 - 2 a 。 根据h u m e r o t h e y 准则，如果溶剂与溶质原子的尺度差别大于1 5 ，该种 溶剂在此种溶质中的固溶度不会很大。m g 的原子直径为3 2 a ，根据这条准则， 与m g 原子大小的有适当比例的元素有l i ，a l ，t i ，c r ，z n ，g e ，y t ，z r ，n b ， m o ，p d ，a g ，c d ，i n ，s n ，t e ，n d ，h f w ，r e ，o s ，p t ，a u ，h g ，t 1 ，p b ， b i 等。如果某元素与基体有相同的电子价和相似的晶体结构，这种元素也将有 较大的固溶度，对镁而言只有c d 和z n 。 s o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g p r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g 虢a 。i 。 一ff 黼 ( a ) l d j 图1 - 2 合金强记机制( a ) 固溶强化，( b ) 沉淀硬化 f i g 1 - 2m e c h a n i s m so f s t r e n g t h e n i n g i na l l o y s ( a ) s o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g ，( b ) p r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g 当这条标准不满足时，仍有可能具有较大的固溶度。因为电子价低的金属可 以溶解电子价高的元素，反之则不行。这是由于额外电子的加入可以提高原子间 的结合能，从而提高金属结构的稳定性。依据该原则，在合适的尺度范围内，二 价的镁也可以溶解三价或更高价的元素。但是，随着溶剂价态的提高( i v v i i 族) ， 溶剂与m g 之间的电化学性质的差异也会增大。在这种情况下，镁中将形成第二 一3 一 上海交通大掌博士后出站工作报告 相或稳定的化合物而非形成固溶体。 2 沉淀及时效强化1 3 7 i 沉淀强化是镁合金强化( 尤指室温强度) 的一个重要机制。在合金中，当合金元 素的固溶度随着温度的下降而减少时，便可能产生时效强化。将具有这种特征的 合金在高温下进行固溶处理，可得到不稳定的过饱和固溶体，然后在较低的温度下 进行时效处理，可产生弥散的沉淀相。促使强化的机理是滑动位错( 如图l 一2 b ) 与沉淀相相互作用，提高了屈服强度： r m = ( 2 a g b ) l + f 。 埘为沉淀硬化合金的屈服强度， 为没有沉淀的基体的屈服强度， ( 2 a g b 甩) 为在沉淀之间弯出位错所需的应力。 但是单单沉淀不能成为强化的足够条件，好的时效强化效果和弥散沉淀相的 大小、形貌、硬度以及它与基体之间界面的性质等因素都密切相关。理想的情况 是得到细小、均匀分布、与基体呈共格关系且随着温度升高不易粗化的沉淀相。 在镁基体中，满足溶解度随温度变化条件的合金系很多。但是，由于m g 原子半径 大，而且沉淀相的晶体结构复杂，使得沉淀相与基体之间不易存在共格关系。当温 度升高时，沉淀析出相很快就粗化变软，从而逐渐失去强化作用。尽管有些镁合金 可通过时效强化，但其效果比在一些铝合金中所见到的要小得多。 1 2 3 镁的合金设计 图1 3 所示为镁的合金行为，相对应于尺寸、电子价、电负性的影响。在曲 线内部的元素与镁至少有o 5 的固溶度( 由括号中的百分比表示) 。最高的固溶 度出现在电子价为2 和3 ，相对尺寸到1 5 。在这个区域中，i n 的固溶度最高， 为5 3 。然而，如果原子直径差别小于1 5 ，虽然固溶度比较大，但由于大小 差别太小，固溶强化效果并不大，如i n ；差别介于1 2 1 5 之间，考虑到边界效 应，固溶效果显著，如a l ，劲，稀土元素；若原子大小差别过大，在2 0 4 0 范 围，则固溶强化效果有限，但可能由于高硬度、高熔点的分散相和金属间化合物 的形成导致弥散强化效果加强，如c u ，c a ，s i 等。基于以上理论分析，可将所 列元素分成三类【3 “”j ： g l o u d v b i霪_ - a 3 a r a e r l ! n es i z e s n r o l i nt vs r p h t i 。n 。一r、。 美”“万 一型，。：溜( m 。) ) y l j j ”ji l z 御l j 脚j 、 n r o l i n i t。c d ( r 童夕z n c a r ， ln nt。9 叫。翟a g u ，c 。u 。= o d i f k r c n c ei na t o ms i z e 图i 一3 镁的合金行为 f i g 1 - 3a l l o y i n gb e h a v i o ro f m g d f 誊u善堂。c一 圭童三耋叁兰童圭呈塞兰三竺! ! 圭。：，。：! ( 1 ) 同时提高强度和塑性( 效果由高至低) a l ，z n ，c a ，a g ，c e ，g a ，n ，c u ，t h ( 提高强度) t h ，g a ，z n ，a g ，c e ，c a ，a i ，n i ，c u ( 提高塑性) ( 2 ) 强度提高不明显，但提高塑性 c d ，t 1 ，l i ( 3 ) 有效提高强度，但降低塑性 s n ，p b ，b i ，s b 以上的这些原则就是进行镁合金设计的基本准则。 1 3 镁合金在汽车中的应用与研究现状 来自汽车工业对零部件不断轻量化的要求使人们把目光越来越多地投向镁 合金的开发和应用，以期代替汽车中铝台金及部分钢零件。因为减轻汽车的重量 意味着，一方面可以降低燃耗，减少对环境的排放污染，另一方面可以使汽车驾 驶起来更加灵活舒适并具有更好的减加速性能。汽车车体重量每减少1 0 0 k g 则百 公里油耗可减少0 7 l 。2 0 世纪8 0 年代，美国政府制定了汽车平均燃油标准 ( c a f e ) ，要求汽车制造商降低能耗。1 9 9 3 1 9 9 4 年欧洲汽车制造商提出了“3 公升汽油轿车”的新概念，随后欧盟明确了对汽车制造商降低汽车二氧化碳排放 量的要求，即由目前的1 8 3 m g k m 二氧化碳排放量降低到2 0 0 5 年的1 2 0 m g k g 。 鉴于以上原因，各大汽车生产商投入大量人力物力研究用镁制造汽车零部件以减 轻汽车净重，并且投入巨资建设或投资镁厂。据估计到2 0 0 2 年其总用量由4 5 2 万吨增至8 8 6 万吨。目前在汽车工业中镁合金用量最多的地区是北美，但欧洲 紧随其后，年发展速度已达6 0 ( 北美3 0 ，世界平均1 5 ) 4 0 , 4 1 。 在汽车工业中，镁合金主要用于生产镁合金压铸件。1 9 9 9 年全世界总共生 产了约3 6 万吨镁，其中压铸镁合金已经上升为仅次于铝合金的第二大镁用户。 1 9 9 0 年至1 9 9 6 年世界镁合金压铸件产量以1 8 的速度递增，1 9 9 7 年创纪录， 比1 9 9 6 增长3 2 ，达到7 万吨，目前增长率为1 3 ，2 0 0 1 年全世界镁压铸件 用镁量约1 5 万吨一“。 目前，汽车使用的镁合金压铸件已扩展到阀壳、齿轮箱、车轮、前灯支承耗 架、离合器壳体、变速箱壳体、制动离合器踏板托架、进气岐管、驾驶杆零件 等几十中零件【3 1 1 。福特汽车公司a e r o s t a r m i n i v a n s 牌汽车的中座及后座支架( 仅 此每年需1 0 0 t 以上的镁合金a m 6 0 铸件，r a n g e r 轻型卡车的离合器壳体和刹车 踏板支撑架，c h r y s l e r 汽车公司的齿轮变速箱壳体，通用公司的气缸盖、滤油器 壳体等近1 0 种零件，以及日本丰田公司的凸轮罩都是镁合金制成的。北美、日 本、韩国、德国等已在开发镁合金汽车轮毂，目前主要用于赛车上，据称美国正 在研制的一种镁合金轮毂，在轮胎被被扎穿后仍能以不高于4 8 k m h 的速度行驶， 汽车不受损害。美国威斯康星l i n g b e r g 触变成形发展中心采用触变成形机进行 镁合金的半固态铸造，已生产出镁合金赛车离合器片及汽车传动零件等。最近西 方国家又在积极研制大型汽车零件，如汽车仪表板、车门、轿车座椅支架等。 纵观目前正在开发或者已经应用于汽车上的镁合金零部件，可分为三大类： ( 1 ) 作为简单支撑架或内装饰件使用，这类部件室温强度和高温强度要求 均不高，如仪表盘，前灯支承托架等 ( 2 ) 作为高温环境下工作的零部件，有较高的强度要求，尤其是高温强度 或抗蠕变性能要求较高，如变速箱壳体等。 一5 一 ( 3 ) 作为受冲击、长期工作于周期载荷或较为恶劣工况下的零部件，这类 零部件要求高昀巍涩强度、高的韧性( 塑性) 、抗疲劳性能，如汽车轮毂、座椅 支絮等。 目前镁合金产品开发剥主饕集中在前两种汽车零部件上。 1 4 课题的意义与研究内容 为稚象我嚣镁工监囱深度和广度发震，必臻送一步扩大镁台垒在汽车上酶应 用范围，这就要求镁合金应能够适用于制备汽车上各种使用条件下的零部件，如 铸逸汽车轮毂这类同时要求高强度和高韧性、能耐冲击釉抗疲劳、并鼠不适合采 用艨铸方法生产的大型汽车零部件，而不蚤只适合于单一的使用条传秽单一的制 造王艺。嚣憩，浚善镁台金翦袋镪缝暖及强爱争餐淫鹭缘合匹琵基裁为镁合金舞 发研究的一个薰葵方向。本课题选择镁合金汽车轮毂的歼发研究这一熬有较高难 度的方向作为主坡日标，基予以下两方向的考虑：( 一) 遭应国际镁合金应用研 究的趋势，欧美主要汽车生产圈均在全力研制镁合金汽辜轮毁的材料及其制备技 拳，以期使镁舍奄在汽车土躲藏援褥到突破；( 二) 銎蠹还无研究橇糖残企韭递 亍镁合金汽车辘羧酶开爱臻究，鼹震致力予遮方嚣酶疆炎工作，淡期获荦蕈箕舂鑫 主知识产权的镁合金材料和槽芫技术。 由于汽车轮觳需要同时具有较高强度和较高塑性的材料，并且要求耐磨、耐 腐蚀、表面具有檄高的光洁度、挠在恶劣的环境下使用，所以在现有龠金系列基 鹂上舞发镁台金汽车轮蓑上一蛊存在装寒臻点。嚣舞瓿稳窝( 或) 厂鬻一般苯躅 a m 6 0 b 或a z 9 1 d 合金遘行镁轮毂研究，