镁合金的成分、组织和性能.ppt
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第第2章章镁合金的成分、组织和性能镁合金的成分、组织和性能2.1概述概述v工业用镁的纯度可达到工业用镁的纯度可达到99.9，但是纯镁不能用作结构，但是纯镁不能用作结构材料。
材料。
v在纯镁中加入在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土铝、锌、锂、锰、锆和稀土等元素形成的等元素形成的镁合金具有较高的强度，可以作为结构材料广泛应用。
镁合金具有较高的强度，可以作为结构材料广泛应用。
v在在20世纪世纪20年代至年代至30年代晚期，镁合金的开发和应用达年代晚期，镁合金的开发和应用达到第一个高峰；在到第一个高峰；在20世纪世纪50年代，达到第二个高峰；从年代，达到第二个高峰；从20世纪世纪90年代至今是第三个高峰。
年代至今是第三个高峰。
2.2镁合金成分对性能的影响镁合金成分对性能的影响221镁合金的合金化特点镁合金的合金化特点v
（1）晶体结构因素晶体结构因素v根据休谟一饶塞里定则根据休谟一饶塞里定则（HumeRotheryRules），金属结构，金属结构相同，原子尺寸、电化学特征相近，才能形成相同，原子尺寸、电化学特征相近，才能形成无限固溶体无限固溶体。
镁具有密排六方晶体结构镁具有密排六方晶体结构（hcp），其它常用的密排六方金属，其它常用的密排六方金属（如锌和铍如锌和铍），不能满足上述条件，不能与镁形成无限固溶体。
，不能满足上述条件，不能与镁形成无限固溶体。
只有镉可满足上述条件，在高温只有镉可满足上述条件，在高温（253）下，能与镁形成无下，能与镁形成无限固溶体。
限固溶体。
v
（2）原子尺寸因素原子尺寸因素v溶质和溶剂原子大小的相对差值在溶质和溶剂原子大小的相对差值在15以内才可能形成无限以内才可能形成无限固溶体。
如图固溶体。
如图2-1所示，对镁来说，金属元素中约有所示，对镁来说，金属元素中约有12可可能形成无限固溶体，约能形成无限固溶体，约110的金属元素相对差值在的金属元素相对差值在15左左右，其它则在右，其它则在15以外。
以外。
vv（3）电负性因素电负性因素v溶质元素与溶剂元素之间的电负性相差越大，生成的化溶质元素与溶剂元素之间的电负性相差越大，生成的化合物越稳定。
合物越稳定。
DarkenGurry理论认为，电负性差值大理论认为，电负性差值大于于0.4的元素不易形成固溶体。
的元素不易形成固溶体。
v镁具有较强的正电性，当它与负电性元素形成合金时，镁具有较强的正电性，当它与负电性元素形成合金时，几乎一定形成化合物。
几乎一定形成化合物。
这些化合物往往具有拉弗斯这些化合物往往具有拉弗斯（Laves）型结构，同时其成分具有正常的化学价规律型结构，同时其成分具有正常的化学价规律。
v拉弗斯相是一种金属间化合物，它借大小原子排列的配拉弗斯相是一种金属间化合物，它借大小原子排列的配合而实现密堆结构，其分子式为合而实现密堆结构，其分子式为AB2，A原子半径大于原子半径大于B原子半径。
原子半径。
v尽管形成拉弗斯相的主要因素是尺寸因素，但是电子浓尽管形成拉弗斯相的主要因素是尺寸因素，但是电子浓度在确定其结构类型和稳定性方面起着重要作用。
度在确定其结构类型和稳定性方面起着重要作用。
v典型的拉弗斯相包括三种：
典型的拉弗斯相包括三种：
MgCu2（立方立方）、MgZn2（六方六方）、MgNi2（六方六方）。
vMgCu2型有型有LaMg2；vMgZn2型有型有BaMg2、CaMg2。
v化合物的稳定性可用熔点来表示，表化合物的稳定性可用熔点来表示，表2-1列出镁合金化合物列出镁合金化合物的熔点。
的熔点。
v可见，可见，Mg17Al12熔点最低，熔点最低，Mg2Si熔点最高。
所以，熔点最高。
所以，Mg-Al合金耐高温性能较差，而合金耐高温性能较差，而Mg-Si耐高温性能较好。
耐高温性能较好。
表表2-1镁合金化合物的熔点镁合金化合物的熔点v（4）原子价因素原子价因素v业已指出，当溶质和溶剂的原子价相差越大，则溶解度业已指出，当溶质和溶剂的原子价相差越大，则溶解度越小。
越小。
v与低价元素相比，较高价元素在镁中的溶解度较大。
与低价元素相比，较高价元素在镁中的溶解度较大。
v所以，尽管所以，尽管Mg-Ag和和Mg-In之间原子价差是相同的，但一之间原子价差是相同的，但一价银在二价镁中的溶解度比三价铟在镁中的溶解度要小价银在二价镁中的溶解度比三价铟在镁中的溶解度要小得多。
得多。
222镁合金成分与牌号镁合金成分与牌号v目前，国际上倾向于采用美国试验材料协会目前，国际上倾向于采用美国试验材料协会（ASTM）使用使用的方法来标记镁合金。
的方法来标记镁合金。
v镁合金中合金元素代号见表镁合金中合金元素代号见表2-2。
v镁合金牌号中两位数字表示主要合金元素的名义质量分镁合金牌号中两位数字表示主要合金元素的名义质量分数数（）。
其局限性是不能表示出有意添加的其它元素。
其局限性是不能表示出有意添加的其它元素。
v由于这个原因，这种体系需要改进。
由于这个原因，这种体系需要改进。
v后缀字母后缀字母A、B、C、D、E等是指成分和特定范围纯度的等是指成分和特定范围纯度的变化。
变化。
v如如AZ91E表示主要合金元素为表示主要合金元素为Al和和Zn，其名义含量分别，其名义含量分别为为9和和1，E表示表示AZ91E是含是含9Al和和1Zn合金系列合金系列的第五位。
的第五位。
表表2-2镁合金中合金元素代号镁合金中合金元素代号223镁合金的分类及热处理镁合金的分类及热处理v镁合金的分类有三种方式：
化学成分、成形工艺和是否含镁合金的分类有三种方式：
化学成分、成形工艺和是否含锆。
锆。
v根据化学成分，以五个主要合金元素根据化学成分，以五个主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和和稀土为基础，组成基本合金系：
稀土为基础，组成基本合金系：
Mg-Mn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr，Mg-Ag-RE-Zr，Mg-Y-RE-Zr。
vTh也是镁合金的一种合金元素，组成合金系：
也是镁合金的一种合金元素，组成合金系：
Mg-Th-Zr，Mg-Th-Zn-Zr，Mg-Ag-Th-RE-Zr。
因。
因Th具有放射性，具有放射性，基本不再使用。
基本不再使用。
v按有无按有无Al，分为含，分为含Al镁合金和不含镁合金和不含Al镁合金；镁合金；v按有无按有无Zr，可分含，可分含Zr合金和不含合金和不含Zr合金。
合金。
v根据加工工艺划分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合根据加工工艺划分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类金两大类（见图见图2-2）。
两者没有严格的区分，铸造镁合金。
两者没有严格的区分，铸造镁合金如如AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作为锻等也可以作为锻造镁合金。
造镁合金。
图图2-2镁合金的分类镁合金的分类v目前国外在工业中应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，主目前国外在工业中应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，主要有以下要有以下4个系列：
个系列：
AZ系列系列Mg-Al-Zn；AM系列系列Mg-Al-Mn；AS系列系列Mg-Al-Si和和AE系列系列Mg-Al-RE。
v我国铸造镁合金主要有如下三个系列：
我国铸造镁合金主要有如下三个系列：
Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和和Mg-Al-Zn系列。
系列。
v变形镁合金有变形镁合金有Mg-Mn、Mg-Al-Zn和和Mg-Zn-Zr。
v中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比见表中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比见表2-3。
v常见压铸镁合金和变形镁合金的化学成分分别见表常见压铸镁合金和变形镁合金的化学成分分别见表2-4、表表2-5。
v镁合金热处理采用与铝合金同样的系统标示。
镁合金热处理采用与铝合金同样的系统标示。
v常用的有：
常用的有：
T4固溶处理，固溶处理，T5人工时效，人工时效，T6固溶处固溶处理后人工时效。
理后人工时效。
表表2-3中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比表表2-4压铸镁合金的化学成分压铸镁合金的化学成分（质量分数质量分数）表表2-5变形镁合金的化学成分变形镁合金的化学成分（质量分数质量分数）2.2.4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v合金元素对镁合金组织和性能有着重要影响。
合金元素对镁合金组织和性能有着重要影响。
v上面已经提到，加入不同合金元素，可以改变镁合金共晶上面已经提到，加入不同合金元素，可以改变镁合金共晶化合物或第二相的组成、结构以及形态和分布，可得到化合物或第二相的组成、结构以及形态和分布，可得到性能完全不同的镁合金。
性能完全不同的镁合金。
v镁合金的主要合金元素有镁合金的主要合金元素有Al、Zn和和Mn等，有害元素有等，有害元素有Fe、Ni和和Cu等等（见图见图2-3）。
图图2-3合金元素和有害金属对镁的腐蚀速率的影响合金元素和有害金属对镁的腐蚀速率的影响（3NaCl溶液溶液）v
（1）铝铝v在固态镁中具有较大的固溶度，其极限固溶度为在固态镁中具有较大的固溶度，其极限固溶度为12.7，而且随温度的降低显著减少，在室温时的固溶度为而且随温度的降低显著减少，在室温时的固溶度为2.0左右。
左右。
v铝可改善压铸件的可铸造性，提高铸件强度。
铝可改善压铸件的可铸造性，提高铸件强度。
v但是，但是，Mg17Al12在晶界上析出会降低抗蠕变性能。
特在晶界上析出会降低抗蠕变性能。
特别是在别是在AZ91合金中这一析出量会达到很高。
合金中这一析出量会达到很高。
v在铸造镁合金中铝含量可达到在铸造镁合金中铝含量可达到79，而在变形铝合，而在变形铝合金中铝含量一般控制在金中铝含量一般控制在35。
v铝含量越高，耐蚀性越好。
但是，应力腐蚀敏感性随铝铝含量越高，耐蚀性越好。
但是，应力腐蚀敏感性随铝含量的增加而增加。
含量的增加而增加。
v
（2）锌锌v在镁合金中的固溶度约为在镁合金中的固溶度约为6.2，其固溶度随温度的降低，其固溶度随温度的降低而显著减少。
而显著减少。
v锌可以提高铸件的抗蠕变性能。
锌可以提高铸件的抗蠕变性能。
v锌含量大于锌含量大于2.5时对防腐性能有负面影响。
时对防腐性能有负面影响。
v原则上锌含量一般控制在原则上锌含量一般控制在2以下。
以下。
v锌能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高了镁合金的疲劳锌能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高了镁合金的疲劳极限。
极限。
v（3）锰锰v在镁中的极限溶解度为在镁中的极限溶解度为3.4。
v在镁中加入锰对合金的力学性能影响不大，但降低塑性，在在镁中加入锰对合金的力学性能影响不大，但降低塑性，在镁合金中加入镁合金中加入12.5锰的主要目的是提高合金的抗应力锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能。
腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能。
v锰略微提高合金的熔点，在含铝的镁合金中可形成锰略微提高合金的熔点，在含铝的镁合金中可形成MgFeMn化合物，可提高镁合金的耐热性。
化合物，可提高镁合金的耐热性。
v由于冶炼过程中带入较多的元素由于冶炼过程中带入较多的元素Fe，通常有意加入一定的合，通常有意加入一定的合金元素金元素Mn来去除来去除Fe。
v所以，所以，Mn在镁合金中存在有两类作用：
一是作为合金元素，在镁合金中存在有两类作用：
一是作为合金元素，可以提高镁合金的韧性，如可以提高镁合金的韧性，如AM60，此类合金中，此类合金中Mn含量较高；含量较高；二是形成中间相二是形成中间相AlMn和和AIMnFe，此类合金中，此类合金中Mn含量较低。
含量较低。
v迄今为止，镁合金中含迄今为止，镁合金中含AlMn相的结构还不很清楚。
相的结构还不很清楚。
Mn与与Al结合可形成中间相：
结合可形成中间相：
AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或或Al8Mn5。
vWei研究了压铸研究了压铸Mg-Al基镁合金，认为含基镁合金，认为含Mn相根据形态分两相根据形态分两类：
一种为花瓣形，另一种为等轴或短棒状。
类：
一种为花瓣形，另一种为等轴或短棒状。
vAlMn相在挤压镁合金相在挤压镁合金AM60组织中的结构为具有规则外形的组织中的结构为具有规则外形的等轴状。
等轴状。
v（4）硅硅
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