金属材料学第12章镁合金

1、12镁合金magnesium alloy12.1概述12.1.1镁合金的性质 相对原子质量为相对原子质量为24.32，密排六方晶体结构。，密排六方晶体结构。 20时时1.738g/cm3，结构材料中最轻金属。，结构材料中最轻金属。 体积热容最低。体积热容最低。20时为时为1781J/（dm3K），），重要特性是升温与降温都比其他金属快。重要特性是升温与降温都比其他金属快。 化学活泼性化学活泼性高高。在潮湿大气、海水等介质中。在潮湿大气、海水等介质中会引起剧烈腐蚀，但在干燥大气、汽油等介质中会引起剧烈腐蚀，但在干燥大气、汽油等介质中却很稳定。却很稳定。 室温塑性很差。室温塑性很差。 比强度、比刚

2、度高。比强度、比刚度高。 弹性模量较低。受力时应力分布均匀弹性模量较低。受力时应力分布均匀, 应力集中。在弹性范围内承受冲击时，所吸收应力集中。在弹性范围内承受冲击时，所吸收的能量比铝高的能量比铝高50%左右。适于制造承受猛烈撞左右。适于制造承受猛烈撞击的零件。受冲击或摩擦，不产生火花击的零件。受冲击或摩擦，不产生火花。 良好的减振性。在相同载荷下，减振性良好的减振性。在相同载荷下，减振性是铝的是铝的100倍，钛合金的倍，钛合金的300500倍。倍。 切削加工性优良，切削速度切削加工性优良，切削速度。 铸造性优良，所有铸造工艺都可采用。铸造性优良，所有铸造工艺都可采用。12.1.2镁合金的特点

3、分分类类与与牌牌号号变形镁合金（变形镁合金（MB）、铸造镁合金（）、铸造镁合金（ZM）压铸镁合金（压铸镁合金（YM）和航空镁合金。）和航空镁合金。纯镁纯镁Mg99.95/99.50/99.0 合金顺序号表示合金间化学成分差异。合金顺序号表示合金间化学成分差异。如如: 1号铸造镁合金用号铸造镁合金用ZMl表示，表示， 2号变形镁合金用号变形镁合金用MB2表示，表示， 5号压铸镁合金用号压铸镁合金用YM5表示，表示， 5号航空铸造镁合金用号航空铸造镁合金用ZM-5表示。表示。 12.1.3镁合金的分类GB/T5153-2003美国美国ASTM标准：标准：以英文字母加数字再加英文字母的形式表示。以英

4、文字母加数字再加英文字母的形式表示。前面的两位英文字母是其主要代号，前面的两位英文字母是其主要代号，按元素多少由大到小排列（元素符号有规定按元素多少由大到小排列（元素符号有规定A-Al、C-Cu、K-Zr、M-Mn、R-Cr、S-Si、T-Sn、Z-Zn、E-Re、Q-Ag、W-Yb镱等），镱等），其后的两位数字表示其主要合金元素的大致含量，其后的两位数字表示其主要合金元素的大致含量，最后的字母为标识代号。最后的字母为标识代号。AZ91D，A代表主加代表主加Al，Z代表次高代表次高Zn，9代表铝含量，代表铝含量，1代表代表Zn含量，含量，D标识代码，区分成分和先后序列。标识代码，区分成分和先后

5、序列。表12.1中国与美国部分镁合金相近牌号对照种类合金系中国美国（ASTM）变形镁合金Mg-MnMB1M1MB8M2Mg-Al-ZnMB2AZ31MB5AZ61MB6AZ63MB7AZ80Mg-Zn-ZrMB15ZK60铸造镁合金Mg-Zn-Zr（Nd）ZM1ZK51AZM2ZE41AZM4EZ33ZM8ZE63Mg-Al-Zn（Mn ）ZM5AZ81AZM10AM100A12.2.112.2.1合金元素对组织和性能的影响合金元素对组织和性能的影响 主要与晶体结构、原子尺寸、电负性等因素相关主要与晶体结构、原子尺寸、电负性等因素相关（1）晶体结构因素晶体结构因素。镁是。镁是HCP结构，但其他

6、结构，但其他HCP结构元素（如锌和铍）不能与镁形成无限固溶体结构元素（如锌和铍）不能与镁形成无限固溶体（2）原子尺寸因素原子尺寸因素。R15%时能形成无限固时能形成无限固溶体。约一半金属元素与镁可形成无限固溶体溶体。约一半金属元素与镁可形成无限固溶体12.2镁合金的合金化原理（3）电负性因素电负性因素。元素之间电负性相差越大，生。元素之间电负性相差越大，生成的化合物越稳定，化合物往往具有成的化合物越稳定，化合物往往具有Laves相结构，相结构，同时其成分具有正常的化学价规律。同时其成分具有正常的化学价规律。（4 4）原子价因素原子价因素。元素间原子价相差越大，溶解。元素间原子价相差越大，溶解度

7、越小。度越小。 合金元素有合金元素有Al、Zn 、Mn等。等。 Fe、Ni、Cu等是有害元素。等是有害元素。 图图12.1Mg-Al相图相图 室温平衡组织：+ ：Mg17Al12，在生产条件下，会出现共晶组织分布在 晶界上。1.合金元素Al的作用：Al在Mg中极限固溶度较大：12.7%， 随温度下降显著小，可固溶强化，提高强度。且提高耐蚀性。析出强化？图图12.2Mg-Zn相图相图 2.合金元素Zn的作用：Zn在Mg中极限固溶度6.2%，可固溶强化，提高强度。MgZn 化合物可起沉淀强化作用。Mg-Zn二元合金组织粗大，几乎无应用。可通过加入第三组元改善强度。LMg7Zn3Mg7Zn3MgZn

8、 AZ91挤压态组织挤压态组织AZ61铸态组织铸态组织 AZ31铸态组织铸态组织 v3.合金元素Al的作用： vMn在Mg中极限固溶度3.3%，固溶强化效果不大。可提高合金抗应力腐蚀倾向，提高抗蚀性能。LMn Mn图图12.4Mg-Mn相图相图 图图12.3MB1变形镁合金变形镁合金Alloy AM50挤压4.合金元素Zr的作用： Zr：提高力学性能及耐蚀性。vZr高熔点金属，较强的固溶强化作用。且凝固时析出-Zr，作为异质晶核，细化晶粒。LZr ZrMg-Zr相图相图Alloy ZK60铸态 12.3、变形镁合金组织和性能、变形镁合金组织和性能 常用的合金系为常用的合金系为Mg-Al系与系与

9、Mg-Zn-Zr系。系。 典型的合金为典型的合金为MB2、MB5及及MB7。 Mg-Al合金具有良合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀等的综合性能，且价格较低，好的强度、塑性和耐腐蚀等的综合性能，且价格较低，所以是最常用的合金系列所以是最常用的合金系列 Mg-Zn-Zr系是高强度镁合金，强度高，耐蚀性好，无系是高强度镁合金，强度高，耐蚀性好，无应力腐蚀倾向，工艺简单，但变形能力较差，焊接性差。应力腐蚀倾向，工艺简单，但变形能力较差，焊接性差。常用常用MB15，可制造形状复杂的大型构件，可制造形状复杂的大型构件 加入锂能获得超轻变形镁合金，其加入锂能获得超轻变形镁合金，其1.301.65g/cm3，

10、是最轻的金属结构材料，具有极优的变形性能和较好的是最轻的金属结构材料，具有极优的变形性能和较好的超塑性能，已应用在航天和航空器上超塑性能，已应用在航天和航空器上12.412.4、铸造镁合金的组织和性能、铸造镁合金的组织和性能 主要合金系为主要合金系为Mg-Zn-Zr、Mg-Al-Zn及及Mg-RE-Zr等。等。大部分为大部分为含稀土元素的铸造镁合金含稀土元素的铸造镁合金 。Mg-Al-Zn系系 ：最典型和常用的镁合金是：最典型和常用的镁合金是ZM5 。Mg-Zn-Zr系系 ：ZM1加入稀土和氢化处理后，各类强度加入稀土和氢化处理后，各类强度得到得到，铸件致密，易铸造和焊接，可在，铸件致密，易铸

11、造和焊接，可在170200工作，用于飞机的发动机和导弹各种铸件工作，用于飞机的发动机和导弹各种铸件. Mg-RE-Zr系系 ：ZM6是性能最好的合金，热处理后室是性能最好的合金，热处理后室温温 、高温瞬时高温瞬时 和蠕变和蠕变 高，可在高，可在250长期工作长期工作1.固溶强化：溶质与溶剂原子差别越大，屈服强度越高。固溶强化：溶质与溶剂原子差别越大，屈服强度越高。溶质溶质与镁的原子尺与镁的原子尺寸差（寸差（dmg-dm）/dmg溶质每增加溶质每增加1%的的强化效果强化效果(屈服强度屈服强度) AlZnCaCeThLi1016-24-14-1352545110148212-12.5.镁合金的热处

12、理v2.沉淀强化：经固溶及时效处理后理想的沉淀相是弥散分布、与基体有共格关系、不易粗化。v但镁合金中尚未发现GP区，沉淀相随温度升高快速粗化变软，时效强化较铝合金差。v3.细晶强化：镁合金细晶强化效果显著。v方法（1）加入细化剂（RE、Zr、Ca 、Sr、 B）v（2）热加工、塑性变形工艺。v4.形变强化：由于镁合金滑移系少，通过形变强化实现晶粒细化。原理：通过大挤压比挤压，使合金发生动态再结晶，或等角挤压技术，获得细晶粒。12.6镁合金的应用镁合金的应用 汽汽车车工工业业 显著减轻车重，降低油耗。显著减轻车重，降低油耗。 降低零部件加工和装配成本；降低零部件加工和装配成本； 可极大改善噪声、

13、振动现象。可极大改善噪声、振动现象。 目前在汽车上有目前在汽车上有60多个零部件采用了镁合金，多个零部件采用了镁合金，如方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳等。如方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳等。航航空空领领域域 ZM2、ZM3制造飞机发动机前支撑壳制造飞机发动机前支撑壳体和壳体盖，前舱铸件；体和壳体盖，前舱铸件； ZM5制造地空导弹舱体、战机机舱，制造地空导弹舱体、战机机舱， ZM6扩大用于直升机发动机减速机匣、扩大用于直升机发动机减速机匣、歼击机翼肋等重要零件，歼击机翼肋等重要零件， 稀土超强镁合金稀土超强镁合金MB25、MB26代替部分代替部分中强铝合金，在歼击机上获得了应用。中强铝合金，在歼

14、击机上获得了应用。家家用用电电器器 各种便携式商品上（如数码相机、摄象各种便携式商品上（如数码相机、摄象机、手机等）和播放器、电脑等产品上广机、手机等）和播放器、电脑等产品上广泛采用镁合金泛采用镁合金 镁合金开发与应用前途无量镁合金开发与应用前途无量 图图12.912.9压铸镁合金在北美产系列汽车中的使用情况压铸镁合金在北美产系列汽车中的使用情况 我国镁合金材料开发与研究情况我国镁合金材料开发与研究情况v镁资源世界第一（菱镁矿储量世界首位镁资源世界第一（菱镁矿储量世界首位27亿吨、白云亿吨、白云石矿青海盐湖廉价镁盐石矿青海盐湖廉价镁盐31.5亿吨）；亿吨）；v原镁产量世界第一（原镁产量世界第一（20万吨，占世界产量近万吨，占世界产量近1/2）；）；v原镁出口世界第一（原镁出口世界第一（80%作为初级原材料出口）；作为初级原材料出口）；v镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。v v 49% 铝合金铝合金v 14% 稀土合金稀土合金v 17% 镁压铸件镁压铸件 v 18% 炼钢脱硫炼钢脱硫v 2% 金属还原金属还原v国家科技部