1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1.简介

通过合金化的方法可以提高纯镁的强度，获得具有良好铸造流动性和机械加工性的镁合金，在工业上得到越来越多的应用，尤其是在航空、航天和汽车领域倍受青睐。但是在加入合金元素提高纯镁强度的同时，阻尼性能却降低，而且镁合金的室温强度仍然偏低、耐磨性差、弹性模量小，并且高温性能如抗蠕变等也较差，这大大限制了镁合金作为工程结构材料的应用范围，如何解决阻尼性能和力学性能之间的矛盾，开发同时具有高阻尼和足够力学性能的镁基阻尼材料是新材料开发的重要课题之一。

2. 镁及镁合金的阻尼性能

2.1阻尼性能

镁为银白色金属，具有密排六方晶格，熔点为651℃，密度为1.75-1.85g/cmsup3;，约为铝的64％，钢的23％，是工程应用中最轻的结构材料。镁合金具有较高的比强度、比刚度，在交通、航空、航天等需要轻量化的领域非常具有吸引力。而且铸造、切削加工性能良好，还有很高的吸振性和电磁屏蔽特性，被誉为”21世纪绿色金属结构材料”。另外[1]，镁在地球上的储量丰富。据估计，按照现在世界每年镁的用量，单单死海镁的蕴藏量就可以供应至少22000年。

高阻尼合金的阻尼性能比一般金属材料的大得多，并且耐高温，用于制造器械设备或仪器构件，从震源和噪声入手，可以起到减震降噪的目的。这种减震降噪方法有工艺简单，适用范围广等特点，是一种积极有效的阻尼技术。近年来，随着汽车工业和电子工业及3C产品的迅速发展，对降低产品自重，提高便携性，降低能源消耗和减少污染等提出了更迫切的要求，因此低密度高阻尼的镁合金迅速得到日益广泛的应用[2]。

镁合金的振动阻尼容量高，即高减振性、低惯性，被称为”敲不响的金属”，不仅可以抵抗振动、降低噪音，而且可防止共振引起材料的疲劳破坏，裂纹倾向较低[2]。阻尼是材料的一种性质，它能够将材料的机械振动能量通过内部机制不可逆地转变为其他形的能量（通常是热能）。因为机械振动能的耗散是通过内部机制来完成的，所以材料的这种性质也称为内耗（低频时）或超声衰减（高频时）。对材料施加一个周期性的应力，其应力#8212;应变曲线为一个闭合曲线，回线的面积即为单位体积材料的能量损耗。金属型阻尼材料按照其减震机理分为复合型（Al-Zn,Fe-C-Si等）、共晶型或界面型（Mn-Cu,Ti-Ni等）、位错型（Mg,Mg-Zr,Mg-Si等）、铁磁型（Fe-Ni,Fe-Cr等）4类。镁合金是位错型阻尼材料[3]。

2.2高阻尼镁合金化学成分选择

在纯镁中添加合金元素进行合金化可以明显提高其性能。用于这种处理的合金元素应具备两个条件：一是（α）Mg固溶度应该小，二是能与镁形成共晶组织。这些合金元素如Al、Zn、Li、Zr、Th、Mn、Ni和稀土元素在镁合金中具有固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用。添加少量Al、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高强度；Mn可提高耐蚀性。实验表明[4]：Mg中加入Zr，随着含量的增加，阻尼性能略有下降，机械性能获得较大提高，工艺性能也得到改善。Ni的加入能大幅度提高镁的机械性能，并有效提高阻尼性能。在镁中加入Mn和Si，阻尼性能不断下降。在镁中加入Cd，在30％~70％区间范围内，阻尼性能极低。在以上Mg基二元合金中，由于Zr的细化晶粒效果最好，使得Mg-Zr合金兼具高阻尼、高力学性能的特点，是高阻尼镁合金中最有前途的二元合金[5]。

Mg-Zr合金的组织为镁固溶体以及镁晶粒内少量分布的细小锆晶体。锆的晶格常数（a=0.323nm,c=0.514nm)与镁（a=0.321nm,c=0.521nm）接近，在合金过冷液体中优先形成的含锆质点作为异质形核核心使镁晶粒得到细化。锆的液态镁中的最大固溶度为0.6％。在Mg-Zr合金中添加第三或第四组元，如Mn、La、Zn、Cd、Y等元素还可以继续能改善力学机械性能。研究表明Mg-0.5％Zr合金具有良好的阻尼和其他力学系能。在Mg-0.5％Zr中加入Ca，镁合金阻尼内耗急剧下降；加入Mn、Y、Ba、Cu（加入量小于1％），阻尼内耗变化不大，同时，当加入＜0.15％Mn、＜0.82％Ba、＜1.75％Cu时，镁合金力学性能也不提高；只有加入0.05％~0.15％Y，镁合金的屈服强度高达70~80MPa[5]。

2.3 阻尼的机制

一般认为，材料阻尼产生的机理可以分为5种类型，即点阵原子有序排列引起的阻尼、与位错有关的阻尼、与晶界有关的阻尼、磁弹性阻尼、热弹性阻尼。实际应用较多的是与位错有关的阻尼和与晶界有关的阻尼，其中解释位错阻尼的只是Granato和Lucje位错钉扎模型[6]。

研究表明[7]，Mg-Zr合金的阻尼机理主要是位错阻尼，可以由G-L得位错钉扎模型解释。晶体中位错被一些可以脱开的点缺陷钉扎，在外加交变应力较小时，产生由频率决定而与应变振幅无关的滞弹性阻尼；在较高的应变振幅下，发生所谓”雪崩式”的脱钉扎过程，产生于应变振幅有关，而与频率无关的静滞后型阻尼，阻尼急剧增加。Zr在镁合金中使细化晶粒从而导致阻尼性能下降，而Zr原子与位错的交互作用提高了镁合金的阻尼性能。这两种作用的程度随着Zr含量的不同而发生变化，当Zr含量大于0.16％时，Zr原子与位错的交互作用随Zr含量的增加而加强，使镁合金的阻尼性能不断提高。Zr含量较多的Mg-Zr合金属于高阻尼合金。温度升高时杂质原子从晶界出扩散，使钉扎晶界的溶质原子或杂质原子数量减少，晶界滑移增多，因此阻尼随温度的升高二增大；剩余的溶质原子和杂质原子被晶界拖动滑移，直至随后甩脱其钉扎而产生内耗峰，一般峰温都在再结晶温度附近。当温度升高时，晶界面之间及相界面之间的相对滑动也变得相对容易，因此界面阻尼随温度的升高而升高。

2.4内耗（阻尼）的分类

从内耗产生的现象来看，可分为三种类型，即滞弹性内耗、静滞后内耗和阻尼共振型内耗[8]。

滞弹性内耗又称为动滞性内耗或弛豫型内耗。在周期应力的作用下，由于有弹性蠕变和弹性后效的作用，应变总落后于应力，造成应力与应变之间有一个相位差角。固体弹性范围内出现的这种非弹性行为称为滞弹性。由于材料在交变应力的作用下存在着滞弹性就必然引起内耗。滞弹性的特征是在加载或去载时应变不是瞬间达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成这种变化的。此类内耗与振动的幅度无关，一般会出现内耗峰。点缺陷、位错、晶界及孪晶界面，以及位错和点缺陷的交互作用都可以产生这类内耗。热弹性内耗也属于这类内耗。

滞弹性（动滞后）的产生式由于实验的动态性质，而静滞后的产生是由于应力和应变之间存在着多值函数关系。在同一载荷下，加载过程中和去载过程中对应的应变值不同，并且在完全去掉载荷后有永久形变残留。要想把这部分残余应变去除就需在相反方向加一定载荷。由于应力变化时，应变总是瞬时调整到相应的值，因此，这种滞后回线的面积是恒定的，与振动频率无关，和振幅有密切关系，故称为静滞后。

除了上述两种类型外，随着内耗频率范围扩展到兆频，人们还发现另一类型的内耗。这种内耗很可能是由于振动固体中存在阻尼共振现象引起的能量损耗。它的内耗峰所对应的频率对温度不敏感。对材料施加应力后，尊共振型固体的应变随时间的变化与材料的阻尼系数有关。如果没有外摩擦存在，，材料中的内耗就是唯一的能量耗散效应，它决定共振的振幅。此种内耗也属于滞弹性内耗范畴。共格界面，如孪晶界面和马氏体相界面在高频下产生此种阻尼[8]。

2.5阻尼的测量

高阻尼金属材料的阻尼性能不仅取决材料本身，而且与材料的服役条件密切相关，测试方法、设备和试验参数的不同会导致阻尼性能测试结果存在很大的偏差。目前，尚未有一套为世界上各个国家所共同认可和采取的严格执行的规范，但对于阻尼性能表征，有：比阻尼能力SDC、对数衰减率δ和阻尼比ζ、品质因子Q和内耗、复数模量和损耗因子tanθ，此外，还派生出本征阻尼等新的参数[9]。

阻尼性能的测试按加载方式可以分为：次共振法，共振法和波传播法。其中共振法又可以分为自由衰减法、功率补偿法和共振波形法。阻尼性能测试设备包括弯曲共振装置，扭摆仪和DMTA动态热机械分析仪。下面对扭摆仪作简单的介绍。

扭摆仪由我国科学家葛庭燧发明，最初主要应用于通过测定各类固体材料机械振动能吸收谱，研究固体结构相变和缺陷弛豫运动的内部形成机制和变化规律，并取得了丰硕的成果。高阻尼金属材料的研究兴起以后，扭摆仪成为国内测量金属材料阻尼特性的主要手段。主要工作部分由样品、夹头和惯性体（平衡杆加平衡锤组成，试样的一端夹具固定，另一端通过夹具与能够自由转动的惯性体相连。施加外力使惯性体扭转一个角度时，释放外力后，由于试样的弹性回复力使惯性体开始按一定周期作扭转自由振动。由于试样内部的内摩擦作用，振动受到阻尼衰减，振幅随时间延长而减小，由振幅、频率测量装置测出振幅变化及振动周期T。由于试样是在真空中进行，所以振幅的衰减是试样的力学损耗所致，通过计算可得到损耗因子tanθ。扭摆仪的特点是，结构比DMTA简单，可以按照自由衰减法和强迫次共振法进行测量，但是由于扭摆仪的工作部分增加了一个惯性体，所以关于扭摆仪的测试精度问题引发了诸多讨论[9]。

2.6影响阻尼性能的因素

镁合金的阻尼大小与合金中位错和杂质原子的密度与形态有密切关系，而合金成分、温度、振幅、热处理以及人工时效等均对位错和杂质原子的密度、形态与活动能力也都有影响，因此均能影响镁合金阻尼的大小。

这些影响具体为:①在低应变范围内镁合金的阻尼一般随所加的最大应变振幅的增大而增大，这是由于外加应力的增大事位错的脱钉变的相对容易。②合金元素含量的增加，使杂质原子聚集在位错线上，位错的钉扎长度减小，位错难以作”弓出”往复运动消耗能量，因此一般会使镁合金阻尼性能降低。③温度对镁合金阻尼性能影响较大，高纯镁在低温-268℃和137℃时出现阻尼峰，这是由于在此温度下位错的割阶攀移和沿位错的空位扩散。④热处理或人工时效对镁合金的影响情况较复杂，晶界、相界、第二相等微观组织的变化均会影响阻尼性能。热处理若使材料内部位错或缺陷（晶界、相界、第二相等）密度增加，或使杂质原子在位错线上的聚集密度减小，则位错线钉扎长度增大，能提高其阻尼性能[3]。

3.镁及镁合金的力学性能和加工

3.1 铸造镁合金

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[10]。

镁具有良好的铸造性能，几乎适用于所有的特种铸造。镁及其合金可以用铸造法和压力加工等方法制成各种产品。根据成型方式，镁合金可以分为变形镁合金和铸造镁合金两种。

镁是一种较活泼的金属元素，熔融镁与空气中的氧和水接触，会发生剧烈反应甚至爆炸，因此在融化过程中要考虑阻燃。其阻燃思路为采取物理或化学的方法，在其表面形成保护层，一方面隔绝空气，一方面阻止镁蒸气的蒸发，从而达到减缓氧化和阻止氧化的目的。具体方法包括：熔剂覆盖法、气体保护法、熔体合金化法。但是这些方法会产生一些副作用，包括生成有害气体降低镁合金力学性能等。目前的一种思路是通过合金化来达到既阻燃又不降低镁合金的力学性能的目的[11]。

国内铸造镁合金一般按照合金系分为镁铝系、镁锌锆系和稀土镁合金系等。最早的镁合金系列是二元镁铝系合金，铝在镁中的最大固溶度室温时约为2％，在437℃是为12.7％。由于铝在镁中的固溶度随温度变化比较明显，在铸造条件下，会有大量的离异共晶的粗壮组织聚集在晶界处，因此可以进行淬火处理，促使晶界处的相溶入基体，形成过饱和固溶体。在随后的时效过程中，过饱和固溶体不经过任何中间阶段以连续喝不连续两种形式直接沉淀出γ相。γ相的熔点437℃，随温度升高很容易软化和长大。因而工业上一般不使用单纯的二元镁铝合金，二是在其中加入一些合金元素改善其力学、抗腐蚀、高温和铸造性能。目前应用最广泛的是AM和AZ系列合金，其中AM20合金的塑性最高，AM50和AM60合金的常规力学性能适中[12]。

锌在镁锌系合金中主要起固溶强化作用并通过热处理提高合金屈服极限。锆起细化晶粒，提高强度和屈服极限的作用，改善合金塑性和抗腐蚀性能，并提高合金耐热性。在镁铝合金中加入适量的稀土，能明显改变其铸造性能。加入稀土后，合金室温强度和塑性略有下降，然而在150~200℃的高温拉伸能明显提高，而且合金抗裂、可焊、显微疏松倾向低且容易铸造。此系列中应用最为广泛的合金是ZE41，经过T5时效处理后，在170℃时具有中等强度，常用于飞机变速箱壳。

稀土被称为”工业味精”，在我国目前的铸造镁合金中，含稀土的占60％。稀土金属作为主要合金元素的铸造镁合金，用于制作200~300℃下长期使用的零件。ZM3是我国首个应用于生产的稀土镁合金。稀土金属钇也能提高铸造镁合金的热强性能，ZM9合金能够在300℃下长期工作的零件上而不发生强度变化。ZM6合金以铷为主要元素，既具有很高的室温力学性能，也具有良好的高温瞬间力学性能和抗蠕变性能，在室温下可以作为高强度合金使用[13]。

3.2 变形镁合金

镁及镁合金属于密排六方金属，其塑性变形在低于498K时仅限于基面﹛0001﹜上的密排方向的﹤1120﹥方向的滑移和角锥面﹛1012﹜上﹤1120﹥方向的孪生。镁晶体只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，由此造成镁及其合金室温条件下塑性变形能力差，加工成型能力弱。在温度高于250℃时，附加的滑移角锥面开始起作用，变形就容易多了。

目前，变形镁合金主要通过挤压、轧制、锻造、冲压、弯曲、拉伸等塑性加工方法进行生产，其中型材、管材、棒材主要通过热挤压工艺生产，而板材主要通过热轧工艺来完成。变形镁合金加工工艺进展相对较慢，主要原因是变形镁合金的塑性变形能力较差。但是变形镁合金优异的性能，使其应用领域进一步扩大。与传统的塑料盒铝材相比，变形镁合金可以满足3C产品轻、薄、小型化、高度集成化、传热好、散热好、防电磁屏蔽能力强、环保的发展要求。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度和塑性，更具发展潜力[14]。

在变形镁合金中，常用的合金系是Mg-Al系和Mg-Zn-Zr系。Mg-Al系变形合金属中强度、塑性较高的变形材料。典型的合金为AZ31、AZ61和AZ80合金。其板材一般采用轧制生产，管、棒、带、型材，主要是采用挤压方法加工成形。Mg-Zn-Zr系合金一般属于高强度材料，其变形能力不如Mg-Al系合金，一般采用挤压工艺生产，典型合金为ZK60合金。现有变形镁合金的常温强度不高，主要提高手段有晶粒细化和合金化等。其中晶粒细化的主要手段有快速凝固、喷射沉积、强应变塑性变形（如大挤压比挤压、等径角挤压、大变形量轧制）等[2]。

除上述变形镁合金的常规性能研究外，对于其特殊性能的研究也在进行中。（1）超轻变形Mg-Li合金材料的研究：Mg-Li合金是密度最低的合金系，其密度可低至1.35~1.65g/cmsup3;，仅为铝合金的1/2，传统镁合金的3/4，具有高的强度、比刚度、优良的低温韧性，易加工变形，也易焊接成形；而且Li的加入大大提高了镁合金的塑性，Mg-7.9％Li共晶合金具有极优的变形性能和超塑性。（2）耐蚀变形镁合金材料的研究：变形镁合金的耐腐蚀性能较差，是严重制约其应用的最大问题之一。影响变形镁合金耐腐蚀性能的因素很多，主要有合金元素、相组成及微观组织特征和环境介质等。目前，提高变形镁合金的耐蚀性能的方法主要有以下几种：添加稀土金属、Y、Mn、Ca、Zn等元素提高镁合金的耐蚀性；严格控制杂质元素Fe、Ni、Cu等的含量，控制Fe/Mn比，获得高纯度的镁合金以提高材料的耐蚀性。（3）耐热变形镁合金材料的研究：限制变形镁合金在汽车和航空领域推广应用的一个主要因素是其耐热性差，当温度升高时，它的强度和抗蠕变能力大幅度下降。提高变形镁合金高温强度和抗蠕变性能德尔途径主要是添加RE（Ce、Nd、Y）、Sn、Si、Ca、Ag、Ba、Sb等元素增大晶粒尺寸及减少或消除β相。（4）阻燃变形镁合金材料的研究上文已经提到，这里不再重复[15]。

3.3 变形工艺对镁合金力学性能和阻尼性能的影响

由于镁合金的阻尼性能优良，故在加强镁合金阻尼性能的同时，如何同时提高镁合金的力学性能，如何制备兼具优良阻尼性能和力学性能的镁合金是当前研究的热点。其中一种想法便是将铸造和变形结合起来，集中两者的优点。而其中一种方式是通过变形工艺来增强铸造镁合金的综合性能特别是力学性能。

挤压是指对放在挤压筒中的锭胚的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压可以使镁合金的铸态组织得到较大改善，性能得到显著提高。经挤压后合金的强度和塑性指标均有所提高，挤压变形程度越大，效果越明显，尤其是塑性指标的提高更加显著。挤压态镁合金在力学性能上往往呈现各向异性，为了减小这中异向性，可以通过增大挤压时的变形程度和挤压前对铸锭进行均匀化退火的方式来达到。影响挤压镁合金力学性能的主要因素有合金成分、挤压温度、挤压比、挤压速度和均匀化退火等[16]。

镁合金板材一般使用轧制工艺来制备。变形镁合金板材的力学性能主要受晶粒度、晶粒尺寸分布和晶粒取向分布的综合影响。而轧制工艺参数可通过影响镁合金的塑性变形机制及回复和动态在结晶过程来左右材料的最终组织，并成为决定板材性能最重要的因素。[17]其工艺参数包括轧制温度、变形程度、铸锭厚度和轧制方式[16]。

另外，加入特殊的元素也可以起到十分好的效果。[18]如在Mg-Zn中加入元素Zr，便可以制备高强度的镁合金。在这里，Zr不但可以有效的细化晶粒，还可以提高合金的耐蚀性能，降低镁合金的热裂倾向。此外，在镁合金中加入稀土不仅可以改善合金的铸造性能，还能改善镁合金的综合力学性能。稀土在作为微量元素加入镁合金时，可以起到净化、除气和排渣的作用，更重要的是能形成稀土化合物或固溶相，这些产物在镁合金基体的晶界处产生偏聚，进而增加位错密度，增大点阵畸变程度，从而达到强化合金的目的。当稀土元素达到一定的量而成为镁合金主量元素时，镁合金具有良好的综合力学性能。

近年来，一些高强镁合金制备的新技术开始得到发展。通过快速凝固技术可以使镁合金的强度很大程度的提高，制备出目前强度最高的镁基金属玻璃；通过机械合金化技术最大的特点是制备材料不受相律的支配，可以较自由地选择金属盒构成相，晶粒细小，可细化至纳米尺度；原位合成韧性相增强的金属基复合材料，能够明显改善其综合力学性能，而颗粒增强的镁基复合材料，其颗粒细小，表面洁净，在热力学上比较稳定。

4.展望

目前，制备高性能镁合金的一个热点方向便是制备高性能变形镁合金。变形镁合金的刚性好、强韧性好并且能够有效减轻零件的质量，很早就用于航空航天工业[19]。目前变形镁合金的设计主要在保证好的塑性变形能力前提下：①选择好的固溶体合金；②好的细化晶粒的方法；③利用不同的强化机理，如固溶强化、细晶强化、沉淀强化和复合强化等方法提高材料的综合力学性能[20]。开发新型高强、超轻、耐热、耐蚀变形镁合金是目前镁合金设计的重点。而高阻尼镁合金的重要研究方向之一是引入新的阻尼、增强机制。在材料结构功能一体化阻尼方面，以具有重要工程应用前景的轻质、高阻尼镁合金为基体材料，以采用表面处理的SiC颗粒、石墨纤维等无机纳米粒子作为增强物，通过多阻尼机制的叠加，获得兼具高阻尼、高强度的阻尼结构一体化材料，将是未来高阻尼镁合金材料的重要方向[5]。

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