1、题 目 Mg-9Al-9Zn 镁合金的制备及热处理组织性能研究 学 生 姓 名 李 晨 学 号 1314034087 专 业 班 级 金 属 1303 班 指 导 教 师 宋 佩 维 学 院 材 料 科 学 与 工 程 答 辩 日 期 2017 年 6 月 2摘要：近年来，随着汽车制造、航空航天、通讯、光学仪器和计算机领域的飞速发展，镁合金作为一种理想的工业材料倍受世人关注，被认为是二十一世纪最具有应用和开发前景的商用轻质材料。镁合金的开发应用，已成为当今材料领域研究的热点，具有巨大的应用潜力。本实验通过对 Mg-9Zn-9Al 的制备和不同的热处理工艺来研究其铸态合金的相组成、组织形态及室温
2、力学性能的影响规律。关键词：镁合金；固溶；时效；相；硬度Abstract: In recent years, as automobile manufacture, aviation, communication,optical instrument and the rapid development of the computer field, magnesium alloys as a kind of ideal industrial materials much attention, and is considered the 21-st century most has the pros
3、pects of the application and development of commercial lightweight materials. The development and application of magnesium alloy has become a hot spot in the field of materials research, has great potential for application. In this experiment, the influence of Mg-9Zn-9Al preparation and different he
4、at treatment process on the phase composition, microstructure and mechanical properties of cast alloy was studied.Key words: magnesium alloy; Solid solution; aging; phase; hardness3目录摘 要 .iAbstract .ii第一章 绪论 .11.1镁合金材料概述 .11.1.1 镁合金性能 .11.1.2 镁合金特点 .21.1.3 镁合金的分类 .3第二章 镁合金的研究现状、发展趋势、及应用领域 .22.1.1 镁合
5、金的研究现状 .22.1.2 当今镁合金发展趋势 .42.1.3 镁合金的研究方法 .52.1.4 镁合金的应用领域 .5第三章 耐热镁合金 .13.1 耐热镁合金概述 .13.1.1 提高镁合金耐热性的措施 .13.1.2 耐热镁合金中合金化元素的作用 .13.2 镁合金的热处理 .13.2.1 镁合金的热处理类型 .13.2.2 工体参数对热处理的影响 .1第四章 对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明2.1 主要问题及解决问题的思路与方法 .122.1.1 主要问题 .122.1.2 解决问题的思路与方法 .132.2 研
6、究方法 .14第 3 章 实验方法 .193.1.1 材料 .193.1.2 实验过程 .203.1.3 组织观察 .2143.2 实验结果 .213.4 本章小结 .26结 论 .27参考文献 .28外文原文及译文 .32英文文献翻译 .38致 谢 .52第一章 绪论能源枯竭、资源匮乏、环境恶化越来越成为制约社会可持续发展的主要问题。近几十年特别是新世纪初的几场为获取能源、抢夺资源引发的战争再次表明现有的能源、资源及现存的环境对人口膨胀及人类进一步的需求难以为继，因而开发新能源，寻求替代资源且对环境友好迫在眉睫。对材料而言，积极开发低能耗、环保新材料及新型成形方法刻不容缓。镁及其合金是目前最
7、轻的金属结构材料，具有比强度高、阻尼减震和电磁屏蔽性能优良等特点，已被广泛用于航空航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。镁合金结构材料的开发和应用越来越受到世界各国重视，目前，镁及其合金需求量以每年 20以上的速率增长。近 10 年来， 3C 产品发展速度极快，但随着 3C 产品的小型化，工程塑料在结构刚度，散热性方面已经不能满足要求，而且要求材料有电磁屏蔽性和可回收性，镁合金具有这些优点。然而与铝合金相比，镁合金的研究发展和应用还很不充分。当前，北美、欧洲和日本等发达国家加大投入，进行镁基轻质材料的开发和应用研究，包括现有的商业化镁合金、开发中的新型镁合金和镁基复合材料。Cole 认为，通过
8、使用镁合金结构件，每部汽车有减重 150kg 的潜力。51.1镁合金材料概述地球上镁的资源是十分丰富的，我国的菱镁矿的储存量占世界第一，但其开发利用远没有铁、铜、铝等金属成熟 1。纯镁的优点很多，但是强度和硬度太低，不能直接使用。因此，在倡导新能源的时代背景下，加速开发和利用镁合金显得尤为重要。金属镁及其合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料 ,具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点 2 ,也有电磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流动性及易回收，无污染等一系列优点，被誉为“21 世纪绿色环保工程材料” 。广泛用于航空航天、汽车、通讯电子和医疗机械等行业。尤其在航空航天上轻量化材料
9、的要求，还有各种发动机的壳体盖和前支撑壳体等。1.1.1 镁合金性能表 1. 1 镁与其他结构材料的性能比较材料 /g.cm-3 E /GPa E/ /Gpa. cm3.g-1 /MPa / /Gpa. cm3.g-1 减震系数 /%铁 7.4 180 24.3 200400 2754 1017铝 2.7 70 25.9 200350 37128 25塑料 1.52 1525 1012.5 100250 50167 -镁 1.74 45 25.86 180300 118172 3060在镁的晶体结构中，镁原子呈密排六方排列，对称性差。镁的晶格参数a=0320nm ，c=521nm，轴比 ca
10、值为 1628 ，接近理想的密排值1633，室温状态下滑移系少，形变时只有 3 个几何滑移系及 2 个独立滑移系(而铝合金则有 12 个几何滑移系及 5 个独立滑移系)。镁的密度小（ 表 1. 1）造成镁合金最显著的特点就是轻质，其密度为 1.751.86g.cm-3,约为铝的 64%，钢的 23%，是最轻的结构材料，同时镁合金还具有高的比强度、比刚度，这都使得镁合金在航空航天、汽车工业广受青睐。研究 3表明航空材料减重能带来可观的经济效益，减轻相同质量带来的燃油费用的节省，商用飞机是汽车的6100 倍,而这在战斗机上更加可观；在汽车工业上同样十分显著，据推算汽车所用燃油的 60%消耗与汽车的
11、自重有关，汽车每减重 10%，消耗将减小 5%10%，而且燃油的节省换能减小废气排放。因而大量飞机、汽车零部件采用镁合金材料，如飞机座舱舱架、油箱隔板、翼肋、汽车变速箱壳体等。镁合金材料还具有优良的电磁屏蔽性能强，导热及热膨胀系数大，尺寸稳定等特点使其在电子产品领域深受欢迎。此外，镁合金还具有优异的阻尼系数，减震性能好，这使得采用镁合金部件的自行车更加轻便，更加舒适。1.2.1 镁合金的特点（1）现在应用当中最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚性，优于钢、铝。密度约为铝的 2/3，钢的 1/4，镁合金的强度接近于铝合金，但镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则接近铝合金。（2）具有高的
12、阻尼性，吸震、减震性能极佳。（3）良好的抗冲击和抗压缩能力，其抗冲击能力是塑料的 20 倍。（4）具有较大的铸造适应性，除砂型铸造外，还可金属型铸造、压力铸造、壳型铸造、石膏型铸造、低压铸造等几乎所有特种铸造工艺。（5）较高的尺寸稳定性和稳定的收缩率。（6）相变收缩率约为铝合金的 1/3，缩孔倾向小。（7）比热和结晶潜热小，所以流动性好、凝固快，铸模生产率比铝压铸高出 4050 ，最高可达压铸铝的 2 倍。（8）镁合金的切削阻力小，具有良好的机械加工性能。（9）在大气中，镁具有很好的耐蚀性，比铁的耐蚀性好。（10）具有高的散热性，很适合制作元件密集的电子产品。（11）非磁性金属，抗电磁波干扰，
13、具有优于铝合金的电磁屏蔽性能。（12）材料回收率高，符合环保要求。另外，镁合金还具有抗疲劳性、无毒性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点，可适合于某些特定领域。1.1.3 镁合金的分类镁合金可分为铸造镁合金、耐热镁合金和变形镁合金等，它们在成分、组7织性能上存在很大的差异。铸造镁合金按合金系分主要有 Mg-A1 系合金、Mg-Zn-Zr 系合金和 Mg-RE-Zr系合金，多采用砂型、金属型或熔模铸造工艺生产，主要特点为生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及复杂形状的构件等。耐热镁合金是一种在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏能力较强的镁合金。耐热镁合金的设计主要是从限制
14、位错和强化晶界入手，因此可以引入热稳定性高的第二相；降低元素在镁基体中的扩散速率；改善晶界结构状态和组织状态来提高镁合金的热强性和高温蠕变抗力。变形镁合金一般是指可用挤压、轧制、锻造等塑性加工成形的镁合金，按化学成分可分为 Mg-Li 系、Mg-Mn 系、Mg-AIZn-Mn 系、Mg-Zn-Zr 系和 Mg-RE系等，其中的 AI、Mn 、RE 、Zr 和 Zn 等合金元素能提高镁合金强度和热变形性，增加塑性和提高耐腐蚀性能等，力学性能明显优于铸造镁合金。第二章 镁合金的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域2.1.1 镁合金的研究现状MgA1系镁合金AZ91合金作为 Mg-hl系镁合金的典
15、型合金从应用到现在已经有 70多年的历史，人们对其研究也在不断的进行，为提高其各种性能，先后开发出AZ91A。AZ91B，AZ91C，AZ91D，AZ91E 以及其他衍生合金品种。AZ91 等 Mg-AI系镁合金有优良的铸造性能、室温机械性能和良好的抗腐蚀性能，相对低的价格并且易于加工。因此仍然在当今压铸镁合金中占主要的地位，它可以用于制造各类压铸零部件。Mg-Zn系镁合金Mg-A1一 Zn合金的屈服强度较低，从而降低了其承载能力。因此，各国都在发展具有高屈服强度的合金，这就是 Mgzn系合金。zn 对 Mg有很好的时效强化8作用，MgZn 合金时效时，过饱和固溶体中析出弥散分布的、细小的 y
16、(MgZn)相质点，显著地强化了 Mg-Zn系合金。Mg-Al 基合金应用于工商业能基本普遍满足人们对轻质合金的要求，如常用的AZ91、 AM60 和 AM50 合金，Mg-Zn-Al 系合金是一种能够满足以上要求的、很有发展前景的镁合金 5。此合金的第一次发现是在上世纪 70 年代的一次检测中，发现其具有良好的铸造性能和很好的抗热裂纹性能，而后没有做出更进一步的调查，直至近五年汽车工业日新月异的发展 6。目前，国内外围绕 Mg-Zn-Al 系镁合金的设计（Zn/Al 比值、合金化或微合金化等） 、组织及性能控制、热处理强化等方面已经开展了许多卓有成就的研究工作，并取得了许多研究成果。2.1.
17、2 发展趋势镁合金的研究前沿逐步从航空、航天、军事领域向汽车（包括轨道车辆）、电子、通信行业转移；由于能源危机和环保问题日益突出，车辆轻量化的要求大大促进了镁合金的发展 7。国外近年来镁合金在汽车制造中的应用逐步增长，但我国在这方面的开发刚刚起步 8。国内一些镁合金生产厂家强烈要求开发镁合金型材的成型加工技术，国家科技部也加快开发这方面的高新技术，并列为国家“十五”攻关项目 9。虽然中国是镁材料大国，但在开发高性能镁合金上仍很欠缺，开发具有自主知识产权的高性能镁合金是镁合金研究者的努力方向。随着环保和节能意识的增强，材料研究者和产品设计者愈来愈重视产品的轻量化和可回收等问题 10。作为目前最轻
18、的工程金属材料，被誉为“21 世纪绿色工程材料”的镁合金应用成为材料研究和应用界的关注热点 11。目前，中国兴起了一股镁合金的研究、生产和应用的开发热潮 12。目前，镁合金的研究趋势：(1)以追求轻量化（高比强度）的室温用镁合金为研究目标；(2)追求高模量和高强度的颗粒或短纤维增强镁基复合材料的研究；(3)追求高温性能的镁合金的研究。2.1.3 应用领域镁合金是迄今在工程中应用的最轻的金属材料，和其他金属材料相比，具有一系列优越的性能。从 20 世纪 40 年代开始，镁合金首先在航空航天及军工领域得到了优先应用，之后逐步发展，广泛地应用于交通运输、93C(Computer，Communicat
19、ion，Consumer electronics products)、生物医用材料等领域 11,21。(一) 航空航天及军工领域镁合金的特点可满足于航空航天及军工等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量，可使武器轻量化，以更好满足现代战争远程快速部署的要求。(二) 交通运输领域镁合金在交通领域中的应用包括汽车工业、摩托车工业、自行车工业等。镁合金零件的好处可简单归纳为：(1)可减轻车身重量，提高加速和减速性能，减少行驶过程中的燃油消耗量；(2)镁合金耐冲击、阻尼性好，用于壳体可降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少震动，提高安全性和舒适性；(
20、3)镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低。(三) 通讯电子行业镁合金集优异的薄壁铸造性能、良好的比强度比刚度、极佳的减震能力、高的散热性、良好的防电磁波功能等诸多优点于一身，能充分满足 3C 产品高度集成化、转薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽、散热和环保的要求。因此，当前在手机、笔记本电脑、PDA 、CD 机、数码相机、摄像机、MP3、便携DVD、对讲机等行业，也已掀起了镁合金外壳及零部件研发与应用的热潮。(四) 生物医用材料镁合金作为硬组织植入材料，具有一系列突出的优点，如：密度小(约为1.7g/cm ，接近人骨的密质骨密度 1.75g/cm)、比强度和比刚度高、加工性能3好、弹
21、性模量较低(和人体匹配,能有效缓解应力遮挡效应)等。另外，镁合金还参与人体内一系列新陈代谢过程，包括骨细胞的形成，加速骨愈合能力。第三章 耐热镁合金高性能镁合金按照其使用的条件分为高强镁合金和耐热镁合金。耐热镁合金一般指能在 150以上温度范围内长期工作的镁合金，比一般镁合金使用温度高 50200 。根据已发展的 Mg-A1、Mg-Zn 系耐热镁合金的化学成分，目前己用于耐热镁合金开发的主要合金元素可分为 2 类：一是与 Mg 形成金属间10化合物的合金元素，如 IIA 族的 Ca 和 Sr，IA 族的 A1 和 zn，A 族的 si 和Sn， VA 族的 sb 和 Bi，B 族的 RE 等；
22、二是与 A1 形成金属间化合物的合金元素，如 IIA 族的 ca 和 Sr，IIIB 族的 RE，B 的等。3.1.1 提高镁合金耐热性的措施1 基体强化耐热镁合金的主要强化方法之一是强化镁合金基体。主要手段是固溶强化、析出强化和弥散强化。固溶强化是通过在合金中加入溶质元素提高其均匀化温度和弹性模量，减慢扩散和自扩散过程，降低了位错攀移的速率，因而合金的耐热性能提高。析出时效强化是在时效过程中合金元素的固溶度随温度下降而降低时形成散布的析出相，析出相与滑移位错之间的交互作用导致了合金的屈服强度提高。由于镁原子较大，通常形成与镁基体非共格的复杂析出相。这些相的界面能很高，在高温下易粗化，难以对晶
23、界起有效的钉扎作用。因此，提高镁合金耐热性的关键是改善析出相的晶体结构以降低它与镁基体点阵常数错配度并提高其熔点以降低其扩散性。弥散强化因弥散相具有很高的熔点并在基体中溶解度很小，其强化温度大大提高。目前应用的所有镁合金都是析出型强化合金，开发弥散强化的耐热镁合金是扩大镁合金高温应用的潜在途径。2 晶界强化晶界处因晶格缺陷较多使原子扩散迁移速度加快，导致晶界强度降低。强化晶界的措施有：(1)在晶界处形成大量细小析出硬化相；(2)增大晶粒尺寸以增大原子扩散距离，但根据 thll-Petch 效应，增大晶粒尺寸会降低合金的力学性能：(3)加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界处的晶格空位、改善晶界附近的组织形态。3.1.2 耐热镁合金中合金化元素的作用镁的合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径，其他方法往往都建立在镁的合金化基础上。镁合金中合金元素的选择是合金化的关键，表 1-2 是镁合金中部分合金组元的晶体结构。若仅从原子的尺寸因素考虑，原于半径与镁原子半径相差15 的范围内，元素周期表中大约应该有 40 种元素有可能与镁形成无限固溶体。由于化学元素与镁的晶格类型、电化学性质和电子浓度之间的差别，镁和其他所有的化学元素几乎只能形成有限固溶体，而过饱和的其他合金元素与镁形成中间相，
