1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.引言

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,它具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼性、切削加工性好等优点，因此，在过去的几十年中铸造镁合金得到许多行业的青睐，尤其是特别关注产品自重的汽车工业电子工业和航空航天工业。^[1]20 世纪 80 年代末以来伴随着汽车工业需求的增加,镁合金铸造取得了飞速的发展。研究表明,一辆汽车的质量若能减轻10%,则其燃油消耗可降低3%～4 %。欧洲和北美的汽车生产商已经制定了到2010年把汽车的燃料消耗降低25%, 并且使其CO₂排放量降低30%的标准。^[2]

作为一种更轻、更环保、更节能的材料#8212;#8212;铸造镁合金的研究及应用技术已经产业化并在一些领域得到成功的运用，今后铸造镁合金将更加广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。新型铸造镁合金材料是蓬勃发展的领域，研究开发新型镁合金材料既有巨大的经济效益，也有良好的社会和环境效益。随着世界各国对镁合金研究开发不断加大投入，除要求传统的性能以外，研究开发高强、耐高温、耐腐蚀以及稳定力学性能的镁合金是今后发展的方向。改进镁合金的铸造工艺、方法及设备的研究也很重要。我国镁合金的生产、研究开发单位之间需加强合作,瞄准先进技术,不断学习国外的经验,进行消化、创新,以汽车、通讯等领域的典型产品为龙头,推动我国镁合金产业的发展。^[1][3]

2. 热处理对镁合金的影响

镁合金热处理方法主要有固溶处理、时效处理和退火处理等，常用热处理方法如表 1 所示，而热处理方法的选择主要取决于合金的种类和服役条件。此外，氢化处理也能改善镁合金的组织和性能。

表1 基本热处理方法和符号

2.1 固溶处理

合金加热到单相固溶体相区内的适当温度，并对其进行相应时间的保温，使其部分元素溶于基体中，形成过饱和固溶体，称为固溶处理(T4。由于元素融入基体，基体中易产生点阵畸变，当运动的位错受到应力场的阻碍，提供了合金的强度。镁合金在结晶过程中晶内往往会出现成分不均匀的现象，为了使溶质浓度达到均匀化，尽可能避免晶内成分不均匀，提高合金的力学性能，常常需要进行固溶处理^[4]。白彦华等为了改善 WE43镁合金的室温塑性，通过不同固溶处理方法对WE43挤压镁合金力学性能和 微观组织进行研究。结果表明：固溶处理对WE43挤压 镁合金的抗拉强度影响不大，但能较大程度的提高室温 伸长率和断面收缩率，获得优良的综合力学性能。当固 溶温度为 525℃、固溶时间为8h时，全部的Mg-Y-Nd稀土相和大部分的Mg₁₂Nd溶解到Mg基体中，少量的Mg₁₂Nd转变为细小的颗粒状均匀分布在晶界处，此时抗拉强度为223MPa，室温伸长率达到峰值29.2%。^[5]

固溶体强化、晶界强化和沉淀强化是决定合金强度的主要因素。Mg的Hall-Petch系数为0.7 MPa/m²，明显高于铝合金。^[6]因此，晶粒细化对提高变形镁合金的强度有着重要的作用，这在接受SPD处理的超细晶AZ合金中得到了体现。高温挤压会引起动态再结晶和晶粒长大，因此必须用二次相颗粒固定晶界来抑制晶粒长大。这些粒子在变形过程前会出现在三重点或晶界处。在沉淀硬化合金中，可以对合金进行固溶处理，以降低挤压力。此外，通过热挤压过程中动态析出的颗粒对晶界进行钉扎，可以细化挤压组织。^[7]

2.2 时效处理

一些镁合金经过铸造或加工变形后直接进行人工时效（T5）而不经过固溶或退火处理。此工艺能有效减低零部件的应力，时效强化效果显著。对于Mg-Zn系合金，无需固溶处理，若要进行时效强化应在合金热变形 后直接人工时效即可。方西亚等对 Mg-Gd-Y-Mn 镁合金进行等温时效后发现合金铸锭晶粒粗大，热挤压过程中的动态再结晶使晶粒细化Mg-Gd-Y-Mn镁合金在200℃下时效具有明显的时效硬化效果其峰值时效硬化的主要原因归因于片状相沿棱柱面的大量析出，对合金强度的提高起重要作用；合金在室温及300℃下的拉伸性能明显优于WE54合金。^[8]

2.3 固溶处理 人工时效

Mg-Al-Zn和Mg-RE-Zr系合金中通过固溶处理 人工时效（T6）提高了镁合金屈服点，但降低了合金塑性。合金T6处理过程中，过饱和固溶体在人工时效中发生分解并析出第二相，合金系、时效温度及添加元素的共同作用影响时效析出过程和析出相的特点。 研究固溶时间对ZA72镁合金显微组织及力学性能的影响,研究发现铸态ZA72合金主要由α-Mg基体和晶界处产生连续粗大的第二相（Mg₃₂(Al, Zn)₄₉ 和 Mg₇Zn₃）组成，该合金经过固溶处理后,在晶界和晶粒上分布着细小颗粒状的第二相，第二相尺寸和数量随固 溶时间的增加而逐渐减小；经T6处理后,细小、弥散的二次强化相在晶界及晶粒内部弥散析出,T6处理时间越长，析出相的数量越多；通过T6处理后合金的力学性能得到明显的改善，合金的抗拉强度和显微硬度均随T6处理时间增加先增大后减小，28h合金固溶后合金的抗拉强度为308MPa，相对于铸态提高了 52.4%。

2.4 退火

完全退火(O)可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应,恢复和提高其塑性,以便进行后续变形加工。由于镁合金的大部分成形操作在高温下进行,因此一般很少对变形镁合金进行完全退火处理。去应力退火( T2)既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力,也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。凝固过程中模具的约束、热处理后冷却不均匀或者淬火引起的收缩等都会导致镁合金铸件中出现残余应力。此外,机加工过程中也会产生残余应力,所以在最终机加 工前最好进行中间去应力退火处理。某些热处理强化效果不明显的镁合金通常选择退 火作为最终热处理工艺。

人们对镁合金的热处理已进行了广泛的研究并获得了很多重要结论。但是不同镁合金系在热处理(如时效)过程中显微组织的变化各不相同,有的十分复杂,其中还有很多问题需要进一步研究和解决。此外,为了满足在日益广泛的应用中不断提高的性能要求, 在原有基础镁合金系中添加不同合金化元素后,开发出的各种新型镁合金不断涌现。深入研究添加元素对热处理过程的影响,可以更好地指导优化热处理工艺参数,从而充分发挥合金的性能优势,更好地满足使用要求。所有这些方面,仍有很多工作要做。^[9]

3.合金化对镁合金的影响

镁合金的力学性能尤其是高温力学性能的不足严重影响着镁合金的广泛应用。通过添加合金元素来改善镁合金的性能,是一种行之有效的方法,也是目前镁合金研究的一个热点方向。由于向镁合金中加入两种或两种以上的合金元素,分析起来较为复杂,所以目前此类研究较少,大多集中在加入单一元素来改善合金性能 。在一般情况下，镁合金是以镁#8211;铝体系为基础，含铝镁合金有不利影响的机械性能β- Mg₁₇Al₁₂化合物。因此，第三合金元素如锶（SR）、钙（Ca）、锡（Sn）被添加到镁合金中以提高机械性能。^[10]

3.1主要合金元素的作用

铝:A l 是镁合金中有效的合金化元素之一。Al在Mg中的固溶度大,在共晶温度 437 ℃时最大固溶度达到12.5%。而且随温度降低固溶度变化明显,因此不仅可以产生固溶强化作用,而且还可以进行淬火、时效热处理,产生沉淀强化。经过固溶处理得到的过 饱和固溶体在较低温度时效,将发生分解,不出现预沉淀和介稳相,直接析出平衡相Al₁₇Mg₁₂。当Al含量较高和时效温度较高时,以连续沉淀为主。Mg中加入Al元素也可以改善合金铸造性能,但有形成显微缩松的倾向。

钙:Ca在Mg中的固溶度非常小,与Mg形成Mg₂Ca化合物。没有固溶强化和时效强化作用。但是Ca有明显细化晶粒作用,还可以明显提高镁合金的熔点,形成CaO的保护膜,起到阻燃作用。在MgAl系合金中加入Ca可改善合金的抗蠕变性能,但对抗腐蚀行为不利。

锰:Mn在Mg中的固溶度小,不与Mg形成化合物。Mn可以细化晶粒,提高合金的焊接性能。但是对合金的强化作用比较小。Mn的主要作用是提高镁合金的耐蚀性能,以Mn为主要合金化元素的Mg-Mn系合金具有良好的耐蚀性能在其他铸造镁合金或变形镁合金中,往往加入少量的Mn,与严重损害镁合金耐蚀性能的杂质Fe 形成高熔点化合物而沉淀出来,细化沉淀产物,增大蠕变抗力,提高合金的耐蚀性能。

锆:Zr是最有效的晶粒细化剂,但是Al、Mn等形成稳定化合物而沉淀,不能起到细化晶粒的作用,所以在Mg-Al和Mg-Mn系合金中不能添加Zr元素。Zr元素还能与合金中的Fe、Si乃至H、O元素形成化合物而净化熔 ,同时也消耗了Zr。有很多因素使添加的 Zr从熔体中沉淀出去,能起到细化晶粒作用的只是固溶到Mg中的Zr,因此在设计合金中要考虑到这一因素。

锌:Zn也是一种镁合金中比较常用的合金元素。常与Al、Zr或者RE 元素一起使用。Zn在Mg中的固溶度约为6.2 %,其固溶度随着温度的降低而显著减小。Zn可以提高铸件的抗蠕变性能, 但当Zn含量超过2.5%时会对合金的防腐蚀性能有负面影响。Zn可以增加熔体流动性,弱晶粒细化剂,有形成显微缩松倾向,有沉淀强化作用。^[11]

3.2 Sn元素对镁合金的影响

图1 光学显微结构：(a)AM 60，(b)AM60-0.5Sn，(c)AM60-4Sn

以AM60合金为例，金相分析表明（见图1），Sn的加入改变了AM 60合金的显微组织。Sn元素有助于细化晶界上的共晶相。在AM 60合金中加入质量分数为0.5 %的Sn，使部分Sn在初生Mg晶粒和Mg17Al12相中溶解。在AM 60合金中加入质量分数为0.5%的Sn对Mg₁₇Al₁₂进行了变质处理，减小了合金颗粒的尺寸。随着合金元素的增加，晶界处出现了新的多相Mg2Sn金属间相。随着合金元素浓度的增加，AM 60合金的硬度值增大。在含Sn的AM 60合金中，当Sn质量分数为2%时，硬度值最高，为58 HB。Sn含量的增加导致合金抗拉强度的提高，同时降低了合金的伸长率。当Sn质量分数为4%(212 MPa)时，AM 60合金的极限抗拉强度最好。质量分数为0.5%Sn合金使AM 60合金的冲击能从16 J显著提高到24 J，随着Sn含量的增加，合金的冲击能吸收能力降低。（见表2）^[12]

表2测试材料的硬度、极限拉伸、伸长率和冲击强度

室温下加入Sn对合金的强化作用不是非常显著 ,随Sn含量的增加,合金强度有所提高,但上升幅度不大。而温度为150 ℃时,Sn的强化作用变得十分突出.且强度峰值出现在Sn质量分数为0.5 %时,屈服强度由不含Sn时的70MPa上升至130 MPa,上升了86 %,抗拉强度则由170 MPa上升至230 MPa,上升了35 %。在合金强度提高的同时,塑性有所下降,但由于Sn加入量少,对合金塑性影响也较小。加入Sn之所以能够提高合金的强度,是因为有效地强化了基体,增加了合金的热稳定性在合金中形成了高熔点的Mg₂Sn颗粒相,这种相在低于250℃的温度区间内稳定性较高。^[13][14]

4.结论

综上所述，镁合金的热处理以及添加合金元素是改善镁合金组织和性能的有效手段。镁合金热处理方法较多，且已获得些具有价值的结论。但不同系列的镁合金在热处理过程中出现的纳微组织形态、数量和分布各有所异，还需要对其进行深入研究。系统分析合金元素对镁合金热处理组织与性能的影响，深入研究热处理过程中添加元素的影响，对热处理工艺参数进行指导优化，最大化合金的性能优势更好地适应现代技术发展，将具有重要的现实意义。^[15]

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案