镁合金的成分、组织和性能

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1、第2章镁合金的成分、组织和性能2.1概述工业用镁的纯度可达到99.9％，但是纯镁不能用作结构材料。在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土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。在20世纪20年代至30年代晚期，镁合金的开发和应用达到第一个高峰；在20世纪50年代，达到第二个高峰；从20世纪90年代至今是第三个高峰。2.2镁合金成分对性能的影响2．2．1镁合金的合金化特点(1)晶体结构因素根据休谟一饶塞里定则(Hume—RotheryRules)，金属结构相同，原子尺寸、电化学特征相近，才能形成无限固溶体。镁具有密排六方晶体结构(hcp)，其它常

2、用的密排六方金属(如锌和铍)，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(>253℃)下，能与镁形成无限固溶体。(2)原子尺寸因素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固溶体。如图2-1所示，对镁来说，金属元素中约有1／2可能形成无限固溶体，约1／10的金属元素相对差值在15％左右，其它则在15％以外。(3)电负性因素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。Darken—Gurry理论认为，电负性差值大于0.4的元素不易形成固溶体。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。

3、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。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AB2，A原子半径大于B原子半径。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。典型的拉弗斯相包括三种：MgCu2(立方)、MgZn2(六方)、MgNi2(六方)。MgCu2型有LaMg2；MgZn2型有BaMg2、CaMg2。化合物的稳定性可用熔点来表示，表2-1列出镁合金化合物的熔点。可见，Mg17Al12熔点最低，Mg2Si熔点最高。所以，Mg-Al合金耐高温

4、性能较差，而Mg-Si耐高温性能较好。表2-1镁合金化合物的熔点(4)原子价因素业已指出，当溶质和溶剂的原子价相差越大，则溶解度越小。与低价元素相比，较高价元素在镁中的溶解度较大。所以，尽管Mg-Ag和Mg-In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得多。2．2．2镁合金成分与牌号目前，国际上倾向于采用美国试验材料协会(ASTM)使用的方法来标记镁合金。镁合金中合金元素代号见表2-2。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(％)。其局限性是不能表示出有意添加的其它元素。由于这个原因，这种体系需要改进。后缀字母A、B

5、、C、D、E等是指成分和特定范围纯度的变化。如AZ91E表示主要合金元素为Al和Zn，其名义含量分别为9％和1％，E表示AZ91E是含9％Al和1％Zn合金系列的第五位。表2-2镁合金中合金元素代号2．2．3镁合金的分类及热处理镁合金的分类有三种方式：化学成分、成形工艺和是否含锆。根据化学成分，以五个主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和稀土为基础，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。Th也是镁合金的一种合金元素，组成合金系：Mg-Th-

6、Zr，Mg-Th-Zn-Zr，Mg-Ag-Th-RE-Zr。因Th具有放射性，基本不再使用。按有无Al，分为含Al镁合金和不含Al镁合金；按有无Zr，可分含Zr合金和不含Zr合金。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(见图2-2)。两者没有严格的区分，铸造镁合金如AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作为锻造镁合金。图2-2镁合金的分类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4个系列：AZ系列Mg-Al-Zn；AM系列Mg-Al-Mn；AS系列Mg-Al-Si和AE系列Mg-Al-RE。我国铸造镁合金主要

7、有如下三个系列：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn系列。变形镁合金有Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr。中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比见表2-3。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2-5。镁合金热处理采用与铝合金同样的系统标示。常用的有：T4—固溶处理，T5—人工时效，T6—固溶处理后人工时效。表2-3中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比表2-4压铸镁合金的化学成分(质量分数)／％表2-5变形镁合金的化学成分(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镁合金组织和性能有着重要影响。上面已

8、经提到，加入不同合金元素