镁及镁合金课件

新型金属材料——镁及镁合金纯镁的特性室温（293k）下镁的密度为1.738g*cm-3，接近熔点（923k）时，固态镁密度大约是1.65g*cm-3，液态镁密度为1.58g*cm3。凝固结晶时镁的体积收缩率为4.2%。固态镁从923K降温到293k时，体积收缩率为5%左右。由于镁在铸造和凝固冷却时的收缩量大，会导致铸件中形成微孔，使铸件具有低韧性和高缺口敏感性。纯镁力学特性室温下镁的拉伸性能和压缩性能见下表室温下（20度）镁的典型力学性能室温下镁纯度最高为99.98%时.动态弹性模量为44GPa，静态弹性模量为40GPa。镁纯度为99.8%时，动态弹性模量为45GPa，静态弹性模量为43GPa。随温度的增加，镁的弹性模量下降。试样规格σb/MPaσ0.2/MPaσ0.2（压缩）/MPaσ/%硬度HREHB砂型铸件φ13挤压件φ13冷轧薄板退火薄板90165~205180~220160~1952169~105115~14090~1052134~55105~11569~832~65~82~103~15162648~5437~39303545~4740~41镁的合金化由于镁的强度很低，很少做为结构材料在工业上应用。经过适当的合金化后，镁的强度可以得到显著的提高。合金元素的作用铝铝和镁形成有限固溶体，因其熔点与镁接近，易于冶炼。由于铝的密度也较小，因此加入铝后合金密度增加不大，而单位重量的原子数多，强化效果好，所以铝市镁合金最主要的合金元素之一。在工业生产中，合金中铝的含量一般不超过10%。虽在其最大溶解度范围内，但在凝固过程中由于铝在α-Mg固溶体中扩散速度缓慢，从而导致晶内偏析和成分偏析。锌锌熔点较低，具有和镁相同的晶体结构。锌在镁中的溶解度为6.2wt%，除了固溶强化作用外，时效强化也是很有效的。锰锰作为主要的合金元素早已在变形镁合金中应用。在铸造Mg-Al-Zn系合金中，通常含有0.15%~0.5%的锰，锰与合金中的杂质贴生成化合物，可使合金的耐蚀性得到提高。钙少量的钙能够改善镁合金的冶金质量，减少熔炼和热处理过程中的氧化。镁合金中添加钙的主要作用有两点：一是在合金浇注前加入，课明显增加合金融融状态下及后续热处理过程中的抗氧化能力;二是细化Mg-Al合金纤维组织，提高镁合金的蠕变抗力，并可以提高镁板的可轧性。钙的添加量需控制在0.3wt%以下，否则镁板在焊接过程中容易开裂。此外，适量钙的加入还可以降低镁合金的微电池效应，有利于镁合金的耐蚀性能的提高。锑

锑与镁能生成高热稳定性的化合物Mg3Sb2，是Mg-Al合金中一种很有效的室温及高温强化相。此外，锑可细化含硅镁合金的晶粒，并改变Mg2Si相的形貌，使之由粗大的汉字状变为细小的颗粒状，其晶粒细化效果比钙更为显著。锆锆在镁中溶解度很小，在包晶温度时为0.58%。有事六方α锆的晶格常数和镁的晶格常数很近，故认为锆或锆的氧化物可起镁合金晶核的作用。从而显著细化镁合金的铸造组织，提高组织的均匀性和性能的稳定性。但由于锆易于与铝、锰形成稳定化合物，使锆失去细化晶粒作用，所以产生了含锆的铸造和变形镁合金系列中一般不含锰和铝。稀土金属稀土金属不仅能改善镁合金的综合性能，而且与镁形成重要的耐热合金系。稀土金属元素在镁中的固溶度随原子序数的增加而增加，因而固溶和时效强化效果也随之提高。由于Mg-RE系合金的固相线温度及再结晶温度较高，稀土原子半径较大，在镁中扩散能力差，因此稀土元素的加入既可以提高镁合金再结晶温度并减缓再结晶过程，又可以析出热稳定性较高的弥散颗粒从而大幅提高镁合金的高温强度和蠕变能力。硅硅添加到镁合金中可以提高金属在熔融状态下的流动性，与铁共存时，会降低镁合金的耐蚀性能。硅与镁反应生成的Mg2Si具有高熔点低密度高弹性模量和低热膨胀系数。是一种非常有效的高温强化相，但通常只适合于冷却速度较快的压铸生产中。在较慢的冷却速度下，Mg2Si会呈现粗大的汉字状，对合金力学性能不利，必须与钙、锑等合金元素一起加入，改善Mg2Si形貌。铜铜是影响镁合金耐蚀性的元素，通常添加量超过0.05wt%时，会显著降低镁合金的抗蚀性能。但铜的加入可以改善镁合金的高温强度，在要求耐高温的服役条件下，通常会考虑在镁合金中加入铜元素。锂锂在镁中的固溶度相对较高，可产生固溶强化效应。由于锂具有较低的密度，作为合金能显著降低合金密度，甚至能得到比纯镁还低的镁合金。此外，锂的加入可以改善镁合金的延展性，特别是镁合金中锂含量达到11wt%时，便可以形成具有体心立方结构的β相，从而大幅提高镁合金的塑形变形能力。虽然锂能提高镁合金的延展性，但也可以降低强度和耐蚀性。Mg-Li合金虽然能产生时效强化效应，但在稍高一点温度下（60摄氏度）会出现过时效现象。此外，锂增大了镁蒸发和燃烧的危险，只能在保护密封条件下冶炼。迄今为止Mg-Li合金的应用非常有限，仅限于军事国防等特殊行业。铍

合金中铍加入量一般不超过0.001%~0.002%，但它对降低合金在熔融状态下的氧化性却起很大作用，含量过多会引起晶粒粗化。杂质元素合金中常见的杂质元素有铁、硅、镍、铜等，这些元素会大大降低合金的耐蚀性，因此，除非特殊情况，一般镁合金中严格限制这些元素含量。镁合金性能基本特征在现有工程用金属中，镁合金的密度最小，依合金成分不同，通常在1.75~1.90g/cm3范围内，约为铝的64%，钢的23%。虽然镁合金的强度、弹性模量比铝合金、合金钢低，但比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则与钢和铝合金大致相同。与铝合金具有相同刚度的镁合金，其重量约减轻了25%。工程塑料尤其是纤维增强塑料比强度很高，但是其弹性模量很小，比刚度远小于镁合金，且工程塑料很难回收利用。因此镁合金制造刚度要求更高的结构材料零件比工程塑料更适宜。耐蚀性差曾是镁合金扩大应用的一大障碍。由于镁在潮湿空气、水中的化学性是不稳定的，与大多数无机酸作用强烈。镁的氧化膜与氧化铝膜不同。是不致密的，不能保护内部金属不再继续腐蚀。在普通工业气氛中，镁的耐腐蚀能力与中碳钢相当。但是，表面处理技术的发展以及高纯镁合金额问世，已使这一障碍被很好地克服。现有的高纯压铸镁合金在盐雾试验中的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，比低碳钢好很多。此外，镁合金也并非如人们想象那样容易燃烧，将装潢好的镁合金框架汽车座椅用煤气燃烧，座椅中的塑料和填充物很快就烧毁，而镁合金框架用了26分钟才开始燃烧，并且燃烧并不猛烈，用水浇泼即可熄灭。镁合金的应用

1镁合金在汽车工业上的开发与应用

目前，在汽车工业中镁合金用量较大的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。目前镁合金主要用来制造以下汽车部件：车内构件（仪表盘、转向盘、车罩马达、刹车与离合器踏板）、车体构件（门框、车尾、车顶框、车顶板）、发动机及传动系统（阀盖凸轮盖手动换挡变速器离合器外壳活塞）地盘（轮毂引擎托架前后吊杆、尾盘支架）2镁合金在轨道交通工具上的应用

在列车和其他轨道交通工具上使用镁材，目的是减少噪和震动，规整部件和防止塑料老化，提高寿命等。主要应用实例（仪表盘支撑梁、发动机阀盖、密封结构件、高速器、发动机承受台。3镁材在船舶工业中的应用

镁材在船舶制造业中早有一席之地，但是份额很小。镁合金具有良好的耐蚀性，用于制作把手、连接件、阀盖、气缸盖登零件镁锆合金用来制作减震器和消音器等。4镁合金在航空航天工业上的应用

航空材料减重带来的经济效益和性能改善十分显著。在质量减轻相同的情况下，商用飞机节省的燃油费用是汽车的近100倍。而战斗机的燃油费节省又是商用飞机的10倍，更重要的是其机动性能的改善可以极大地提高战斗力和生存能力。6镁合金材料在核工业上的开发和应用

镁的热中子吸收界面非常小。大约只有铝的四分之一。英国将镁合金作为燃料的包壳材用于二氧化碳气体冷却的反应堆。核反应堆用包裹套管要能承受反应堆的恶劣条件：高温、表面热流、强烈的γ射线辐射及套管内表面受到的某些破碎片的轰击等。大量试验表明，镁合金套管作为包裹材料用于出口气温最高温度为400~500℃的反应堆是完全胜任的。而对CO2的相容性极限温度可达500℃，满足反应堆工作时的安全要求。7镁牺牲阳极产品的开发与应用

金属浸泡在电解液里容易发生化学反应，根据电化学原理可知，金属周围电解液成分、黏附杂质、盈利和透气性等都可能引起电化学腐蚀。在电化学腐蚀过程中，金属本身形成很多原电池，某些部位充当阴极，另一些部位充当阳极，从而形成电流回路，导致阳极的腐蚀。

钢结构的阴极保护，就是使被保护的钢结构成为阴极，电负性更高的其他金属如镁作为阳极，电子就从阳极流向作为阴极的钢结构，使钢不能变为正离子进入溶液，这样就得到了保护。镁阳极主要用来保护浸泡在海水中的钢构件或埋在土壤里的石油管道;镁阳极还大量用于热水槽的保护。目前大多数家用热水器内胆都采用镁阳极保护。镁阳极的有效印记电热差远大于锌阳极，而且镁与钢之间的电热差与电解液的pH值无关，这是镁阳极相对铝阳极和锌阳极的一大优点。8镁在烟火和照明中的应用

铝含量超过30%的镁铝合金微细粉末燃烧时会产生耀眼的白光，因此没得早期工业应用是制造耀眼的白光。另外，白光比自然光更适合于摄影。因此镁被用于摄影闪光灯。镁粉还广泛用于夜空摄影的烟火，这种礼花、军用信号弹、照明弹、燃烧弹等。镁合金市场发展的几点问题

1下游市场环境较差目前，还未形成真正的镁合金板材市场，因此镁合金板材、型材等深加工产品在市面流通量很小。大部分生产镁合金汽车或电子产品的厂商都配套有镁合金生产加工生产厂。这些厂商只需购买金属镁锭，自己生产镁合金，再加工成所需的零配件即可个别镁合金生产厂商直接与国外汽车生产商成为合作伙伴，为其生产镁合金汽车零部件，生产的产品直接出口。由此导致了一些镁合金生产厂商无利可图。2投资较大镁合金深加工项目一般投资较大，5万t的项目投资在5亿元人民币左右，10万t项目