鎂合金文獻(xiàn)綜述

1、文獻(xiàn)綜述AZ31鎂合金組織分析及高溫力學(xué)性能研究（350 C 500 C ）1.鎂合金（主要是Mg-AI合金，AZ31, AZ91）組織性能及工業(yè)應(yīng)用（具體實(shí)例）；鎂合金陳振華1）鎂合金的應(yīng)用鎂為元素周期表中H A族堿土金屬元素，相對原子質(zhì)量為24.305。在所有的結(jié)構(gòu)金屬中，鎂的密度最低，純鎂的密度僅為1.738g / cm仝。在鎂合金中添加合金元素，可以形成具有各種性能的合金，滿足不同的需求。鎂和鎂合金既可以鑄造成形，直接制備出結(jié)構(gòu)件，也可以通過各種塑性加工 和熱處理，制備出各種規(guī)格的管、棒、板、線、帶材和異型材。對于同種材質(zhì)，采用不同的方法來 制備時，材料的性能也有很大的差別。為了提高鎂

2、材的耐腐蝕性能，還可以對其進(jìn)行表面處理。與 其他結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及鎂合金具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如密度低、比強(qiáng)度和剛度高、減振性好、電磁 屏蔽性能優(yōu)異、抗輻射、摩擦?xí)r不起火花、熱中子捕獲界面小，切削加工性和熱成形性好，對堿、 煤油、汽油和礦物油具有化學(xué)穩(wěn)定性，易回收等。由于這些突出的特點(diǎn)， 鎂材在汽車、電子、電器、航空航天、國防軍工、交通等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著鎂的提煉和加工技 術(shù)的發(fā)展，鎂材已成為繼鋼鐵和鋁之后的第三類金屬材料，在全世界范圍得到了迅猛發(fā)展。純鎂的優(yōu)點(diǎn)很多，但是力學(xué)性較低，其應(yīng)用范圍受到極大限制。通過在純鎂中添加合金化元素，可 以顯著改善鎂的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)

3、。大多鎂合金具有如下特點(diǎn)。 鎂合金的密度比純鎂的（1.738g /cm3）稍高，在1.75到1.85之間，其比強(qiáng)度、比剛度均很高， 比彈性模量與高強(qiáng)鋁合金、合金鋼的大致相同。 彈性模量較低，當(dāng)受到外力作用時，應(yīng)力分布將更為均勻，可以避免過高的應(yīng)力集中。在彈性范圍內(nèi)承受沖擊載荷時， 所吸收的能量比鋁高 50%左右。因此鎂合金適于制造承受猛烈沖擊的結(jié)構(gòu)件。 阻尼性能好，適合于制備抗振零部件。 切削加工性能優(yōu)良，其切削加工速度大大高于其他金屬。不需要磨削、拋光處理，不使用切削液 既可得到粗糙度很低的加工面。 鎂合金在受到?jīng)_擊或摩擦?xí)r，表面不會產(chǎn)生火花。 鎂合金的鑄造性能優(yōu)良，可以用幾乎所有的鑄造工藝

4、來鑄造成形。 由鎂合金在液態(tài)下容易劇烈氧化、燃燒，所有鎂合金必須在溶劑覆蓋下或在保護(hù)氣氛中熔煉。鎂 合金鑄件的固溶處理也要在 SO CO或 SF氣體保護(hù)下進(jìn)行，或在真空下進(jìn)行。鎂合金的固溶處理和 時效處理時間均比較長。高性能變形鎂合金及加工技術(shù)潘復(fù)生韓恩厚等著在航空航天領(lǐng)域，鎂合金相對密度小、剛性好、強(qiáng)韌性好，應(yīng)用較為廣泛，特別是Mg-Li合金,其有效的減重和良好的塑性韌性使其成為航空航天領(lǐng)域最有前途的新材料，在美國和歐洲等國，座 艙架、吸氣管、導(dǎo)彈艙段、壁板、副蒙皮、直升飛機(jī)機(jī)匣等零件都已采用Mg-Li合金制造。在汽車工業(yè)中，目前變形鎂合金主要用來制作殼形件和支撐結(jié)構(gòu)件。美國和以色列等國已經(jīng)

5、開 始將變形鎂合金板材用熱沖壓成形方法來制造車身零件，用熱鍛、熱沖壓成形工藝生產(chǎn)汽車底盤等 承受載件。目前變形鎂合金用量較大的是自行車領(lǐng)域。鎂合金密度下、比強(qiáng)度高、耐沖擊、阻尼減振性能 好，所制造的鎂合金自行車輕便、舒適、速度快、歐洲和我國臺灣等地生產(chǎn)的鎂合金自行車車架僅 重1.4kg，整車重4kg。目前已開發(fā)出符合 ASTM3107規(guī)范要求的鎂合金管材和棒材，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化生 產(chǎn)的鎂合金自行車零件包括曲柄、豎管、夾器、車圈和車架附件等，所生產(chǎn)的成車主要是山地車和折疊車。鑒于鎂合金擠壓型材應(yīng)用的顯著優(yōu)勢和巨大發(fā)展?jié)摿?，近年來國?nèi)鎂合金型材研究開發(fā)的 優(yōu)勢單位在國家項目的支持下，展開了大量從基礎(chǔ)理論

6、到應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推動工作，已經(jīng) 研制出具有國際先進(jìn)水平的客車用大型中空薄壁特種鎂合金型材，并開始小批量生產(chǎn)鎂合金紡織機(jī) 械型材、通用發(fā)動機(jī)支架、摩托車貨架等形狀復(fù)雜的鎂合金擠壓型材。隨著鎂合金板材加工工藝的 進(jìn)步，變形鎂合金在3C電子產(chǎn)品的鎂合金外殼和內(nèi)部支件，使這類產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、 耐沖擊、美觀、傳熱好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用對象是筆記本電腦和移動電話外殼。2）AZ31的組織性能及應(yīng)用2. 力學(xué)性能檢測方法；3. 金相組織分析方法；光學(xué)金相技術(shù)沈桂琴著（四步：試樣制備、組織顯示、在顯微鏡下觀察研究、拍攝金相照片）（首先從被研究（檢測）的材料或零件上截取所需的式樣，式樣表面一般比較粗糙，由于入

7、射光線產(chǎn)生漫反射而無法再顯微鏡下進(jìn)行觀察，因此式樣表面要進(jìn)行特殊制備，通過鑲嵌、磨光、拋光幾個步驟，得到一個光亮的、 表面組織未發(fā)生任何變化的鏡面，至此完成式樣的制備工作。然而，光滑的鏡面在顯微鏡只能看到白亮一片，這是由于金屬組織組成物對于光有相近的反射 能力，因此采用適當(dāng)?shù)姆椒@示組織，通過腐蝕使試樣表面產(chǎn)生微小的凹凸不平，這些凹凸不 平都是在光學(xué)系統(tǒng)景深范圍內(nèi)；或用各種方法在式樣表面形成一層薄膜，利用光的干涉，在顯 微鏡下就可以觀察和分析顯微組織并作定性和定量的描述，最后拍下金相照片，取得有用的數(shù) 據(jù)資料。）3.1金相顯微試樣的制備3.1.1金相試樣的截取4. 提高金屬材料高溫力學(xué)性能的途

8、徑；（先了解在高溫下的力學(xué)行為，再提出提高力學(xué) 性能的方法）工程材料力學(xué)性能束德林著合肥工業(yè)大學(xué)由于金屬材料在高溫下的力學(xué)性能與室溫有很大不同，故研究金屬的高溫力學(xué)性能是必要的； 另外，鎂合金的高溫力學(xué)性能差也是長期制約其應(yīng)用的主要原因之一，所以提高鎂合金的高溫力學(xué) 性能一直是研發(fā)鎂合金的熱點(diǎn)。4.1高溫下力學(xué)性能與常溫下的比較想要提高金屬材料的力學(xué)性能，首先要對其在高溫下的力學(xué)行為有深入的了解。在高溫下短時 間載荷作用下，金屬材料的塑性增加，但在高溫長時間載荷作用下，塑性卻顯著下降，斷口敏感性 增加，往往呈現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。此外，溫度和時間的聯(lián)合作用還影響金屬材料的斷裂途徑。隨著的 試驗(yàn)溫度的

9、升高，金屬材料的斷裂由常溫下常見的穿晶斷裂過度到沿晶斷裂。這是因?yàn)闇囟壬呤?晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都要降低，但晶界強(qiáng)度的下降較快所致。晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度稱為“等強(qiáng)溫度”，用te表示。由于晶界強(qiáng)度對變形速率的敏感性要比晶粒的大的多，因此等強(qiáng)溫度隨變形速率增加而升高。綜上所訴，金屬材料在高溫下的力學(xué)性能，不能只簡單地用常溫下短時拉伸的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線來評定，還必須考慮溫度與時間兩個因素。必須指出，這里所指的溫度“高”或“低”是相對于該金屬的熔點(diǎn)而言的，故采用“約比溫度T/Tm”更為合理（T為試驗(yàn)溫度，Tm為金屬熔點(diǎn)，都用熱力學(xué)溫度表示）。當(dāng)T/Tm 0.5時為“高”溫；反之，則為“低”溫。

10、對于不同的金屬材料， 在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，因而力學(xué)性能的變形規(guī)律也是相同的。4.2金屬的蠕變現(xiàn)象4.2.1蠕變過程高溫下金屬力學(xué)行為的有一個重要的特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。所謂蠕變，就是金屬在長時間的恒定溫度、恒載荷的作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種變形而最后導(dǎo)致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變在較低溫度下也會產(chǎn)生，但只在約比溫度大于0.3時才比較顯著。蠕變一般分為三個階段：第一階段是減速蠕變階段（又稱過渡蠕變階段），這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時間延長蠕變速率逐漸減小，蠕變速率可達(dá)到最小值；第二階段是恒速蠕變階段（又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段） 這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變，

11、一般所指的蠕變速率就是這一階段的蠕變速率；第三階 段是加速蠕變階段，隨著時間的延長，蠕變速率逐漸增大，最終產(chǎn)生蠕變斷裂。同一種材料的蠕變 曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而不同，當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時，蠕變第二階段持續(xù)時間較長， 甚至可能不產(chǎn)生第三階段。相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時，蠕變第二階段便很短， 甚至完全消失,試樣在很短時間內(nèi)斷裂。422蠕變機(jī)理金屬的蠕變變形主要是通過位錯滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行的。各種機(jī)理對蠕變的作用隨溫度及應(yīng)力的變化而有所不同。4.2.2.1 位錯滑移蠕變在蠕變過程中，位錯滑移仍是一種重要的變形機(jī)理。在常溫下，若滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn) 生積塞，滑移便不能繼續(xù)進(jìn)行，只

12、有在更大的切應(yīng)力作用下，才能使位錯重新運(yùn)動和增殖。但在高 溫下，位錯可以借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來克服某些短程障礙，從而變形不斷產(chǎn)生。 位錯激活的方式有多種，高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯的攀移。通過攀移，積塞在某種障礙 前的位錯通過熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動，或者與異號位錯相遇而對消，或者形成亞晶界，或 者晶界所吸收。當(dāng)積塞群中的某一個位錯被激活而發(fā)生攀移時，位錯源便可以再次開動而放出一個 位錯，從而形成動態(tài)回復(fù)過程。這個過程不斷進(jìn)行，蠕變得以不斷發(fā)展。在蠕變第一階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使位錯源開動的阻力及位錯滑移的阻力逐 漸增大，使蠕變速率不斷下降。在蠕變第二階段

13、，由于加工硬化的發(fā)展，促使了動態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，使金屬不斷軟化。當(dāng)應(yīng)變硬化與回復(fù)軟化兩者達(dá)到平衡時，蠕變速率遂為一常數(shù)。422.2 擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是在較高的溫度（約比溫度大大超過0.5 ）下的一種蠕變變形機(jī)理。它是在高溫條件下大量原子和空位定向移動造成的。在不受外力的情況下，原子和空位的移動沒有方向性，因而宏 觀上不顯示塑性變形。當(dāng)金屬兩端有拉應(yīng)力作用時，再多晶體內(nèi)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場，對于承受拉 應(yīng)力的晶界，空位濃度增加；對于承受拉應(yīng)力的晶界，空位濃度較小。因而在晶體內(nèi)空位將從受拉 晶界向受壓晶界遷移，原子則從相反方向流動，致使晶體逐漸產(chǎn)生伸長的蠕變。另外，在高溫條件下由于晶界上的原子容易擴(kuò)散，

14、受力后晶界易產(chǎn)生滑動，也促進(jìn)蠕變進(jìn)行， 但它對蠕變的貢獻(xiàn)不大，一般為10%左右。晶界滑動不是獨(dú)立的蠕變機(jī)理，因?yàn)榫Ы缁瑒右欢ㄒ途?nèi)滑移變形配合進(jìn)行。否則就不能維持晶界的連續(xù)性，會導(dǎo)致晶界上產(chǎn)生裂紋。4.3影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素4.3.1金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)蠕變極限，為保證在高溫長時載荷作用下的機(jī)件不產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。與常溫下的屈服強(qiáng)度相似，蠕變極限是金屬材料在高溫長時載荷下的塑性抗力指標(biāo)。持久強(qiáng)度極限，對于高溫材料，除了測定蠕變極限外，還必須測定其在高溫長時載荷作用下的 斷裂強(qiáng)度，即持久強(qiáng)度極限。對于設(shè)計某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量大小，而只考慮在承受

15、 給定應(yīng)力下使用壽命的機(jī)件來說，金屬材料的持久強(qiáng)度極限是極其重要的性能指標(biāo)。松弛穩(wěn)定性，金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，這可通過應(yīng)力松弛試驗(yàn)測定的應(yīng) 力松弛曲線來評定。金屬的松弛曲線是在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，保持初始變形兩恒定，測 量試樣上的應(yīng)力隨時間而降低的曲線。4.3.2金屬高溫力學(xué)性能的提高4.321 合金化學(xué)成分的調(diào)整位錯越過障礙所需的激活能（即蠕變激活能）越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。試驗(yàn)表明，純 金屬的蠕變激活能大體上與其自擴(kuò)散激活能相近。因此，耐熱鋼及合金的基體材料一般選用高熔點(diǎn)、自擴(kuò)散能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。這是因?yàn)樵谝欢囟认?，熔點(diǎn)越高的金屬自擴(kuò)散能越大，

16、因 而自擴(kuò)散越慢；層錯能越低的金屬越易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移及攀移。這些 都有助于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個 重要原因。合金中如果含有能形成彌散強(qiáng)化的合金元素，則由于彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移，因而這是 提高高溫強(qiáng)度更有效的方法。彌散相粒子硬度越高，彌散度越大，穩(wěn)定性越高，則強(qiáng)化效果越好。 對對于時效強(qiáng)化合金，通常在基體中加入相同摩爾分?jǐn)?shù)的合金元素的情況下，多種元素要比單一元 素的強(qiáng)化效果好。在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素（如硼、稀土等），則既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋的表面能，因而對于提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng)度極限是很有效的。4.322 冶煉工藝各種耐熱鋼及高溫合金對于冶煉工藝要求較高，這是因?yàn)殇撝械碾s質(zhì)物和某些冶金缺陷會使材 料的持久強(qiáng)度極限降低。高溫合金對雜質(zhì)元素和氣體含量要求更加嚴(yán)格，常存雜質(zhì)除硫、磷外，還 有鉛、錫、砷、銻、鉍等。即使其含量只有十萬分之幾，當(dāng)其在晶界偏聚后， 會導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化，而使熱強(qiáng)性急劇降低，并增大蠕變脆性。由于高溫合金在使用中通常在垂直于應(yīng)力方向的橫向晶面上易產(chǎn)生裂紋，因此，采用定向凝固 工藝使柱狀晶沿受力方向生長，減少橫向晶界，可以大大提高持久壽命。4.3.2.3 熱處理工藝合金一般進(jìn)行固溶處理和時效，使之得到