2.6　鎂合金熱處理時效組織和性能

鎂合金可以通過熱處理時效改變其組織和性能，不同系列的鎂合金其時效組織不完全相同，但大部分鎂合金時效過程的一個重要特點是有一個與鎂點陣形成共格沉淀物的階段，這種沉淀物具有DO19晶體結構（見表2-23），它類似于Al-Cu合金時效時形成的θ″相。DO19晶胞的a軸為鎂基體a軸的2倍長，c軸相同。沉淀相以片或盤的形式存在，平行于沿{100}Mg和{110}Mg平面的{0001}Mg方向。

2.6.1　Mg-Al系合金

Mg-Al系二元合金在時效過程中，過飽和α固溶體不經過任何中間階段直接析出非共格的平衡相Mg17Al12，不存在預沉淀或過渡相階段。但Mg17Al12相在形成方式上有兩種類型，即連續析出和非連續析出。在一般的情況下。這兩種析出方式是共存的，但通常以非連續析出為先導，然后再進行連續析出。這表明前者在能量上處于有利地位，易于形成。

非連續析出大多從晶界或位錯處開始，Mg17Al12相以片狀形式按一定的取向往晶內生長，附近的α固溶體同時達到平衡濃度。由于整個反應區呈片狀結構，故有時也稱為珠光體型沉淀。反應區和未反應區有明顯的分界面，后者的成分未發生變化，仍保持原有的過飽和程度（見圖2-16）。

從晶界開始的非連續析出進行到一定程度后，晶內產生連續析出。Mg17Al12以細小片狀形式沿基面（0001）生長。與此相應，基體含鋁量不斷下降，晶格常數連續增大，此時晶格常數變化是連續的。

最新的研究表明，AZ91鎂合金析出相有三種形態：Ⅰ類板條狀、Ⅱ類六角棱柱狀、Ⅲ類短棒狀（見圖2-17）。Ⅰ類析出相數量占90%以上，顆粒比較粗大，平躺在鎂的（0001）基面內，而鎂在常溫下的滑移面也是（0001）基面，因此，這類析出相顆粒不能有效地阻礙位錯在基面上的滑移，時效強化效果欠佳。相反，由于第Ⅱ類與基面正交，而第Ⅲ類與基面斜交，所以，有利于阻礙位錯的基面滑移，即有利于時效強化，但是其數量太少。增加這類相的數量應是提高這類合金強度的有效途徑之一。

2.6.2　Mg-Zn系合金

Mg-Zn系合金的時效過程比較復雜，存在預沉淀階段。在110℃以下，觀察到G.P.區→β'→β（MgZn）。在110℃以上，不形成G.P.區，而是α→β'→β（MgZn）。β'為亞穩定過渡相，具有與拉弗斯相MgZn2同樣的結構，穩定性較高。在250℃時效時，可保持到5000h。

Mg-Zn系合金時效為連續析出，相尺寸很小，呈片狀，并與基面平行。在長期時效后，利用電子顯微鏡可觀察到相的形態及分布特征。

Mg-Zn系合金的時效強化效果超過Mg-Al系，且隨含鋅量的增加而提高。但Mg-Zn系合金晶粒容易長大，故工業合金中常添加少量鋯，以細化晶粒，改善力學性能。

2.6.3　Mg-Mn系合金

單獨的Mg-Mn系合金應用較少，但Mn是大多數工業鎂合金中常見的輔助元素，它對改善合金耐熱性及抗蝕性具有良好的作用。

Mg-Mn合金時效析出α-Mn（立方），α-Mn呈棒狀，Mn通常單獨加入，如果與Al同時加入，則形成MnAl、MnAl6和MnAl4等化合物。Mg-Mn系合金在時效期間，不經過預析出階段，直接形成α-Mn。α-Mn具有立方晶格，強化效果較差，但穩定性卻較高。

2.6.4　Mg-RE系合金

Mg-RE系合金時效強化相為Mg9RE或Mg12RE。向鎂中添加原子半徑比鎂大及電負性比鎂低的元素，可形成共格的沉淀物。例如Y及鑭系稀土（Ce、Nd、Gd和Dy）可與鎂形成Mg3X型沉淀物，它具有DO19型晶體結構，與α相共格。

在稀土元素中，釹在α固溶體中溶解度較大（約4%），鈰、鑭、鐠則較低（最大固溶體分別為0.74%，1.9%和2.0%），故Mg-Nd系合金的時效強化效果最顯著。圖2-18為Mg-5.38%Y-3.10%Nd-0.36%Zr在400℃時效24h和50h后β相的形貌。

2.6.5　其他合金

2.6.5.1　Mg-Gd合金

Gd的含量對Mg-Gd合金時效有重要影響，當Gd的含量為5%～10%時，時效過程中不出現β'相。當Gd的含量為15%時，時效過程中產生β'相。Mg-15%Gd時效析出過程為：α→β″（DO19型結構）→β'（斜方結構bco）→β（Mg5Gd：fcc）。而Mg-10%Gd和Mg-5%Gd時效析出過程為：α→β″（DO19型結構）→β（Mg5Gd：fcc）。圖2-19顯示了Mg15Gd在330℃沉淀相β'形貌。

對于Mg-RE系合金的時效序列，目前尚有分歧意見，有人認為，在這類合金的過飽和固溶體分解過程中，不存在明顯的預析出階段，直接形成Mg9Nd或Mg9Ce等平衡相；另外有一些實驗結果則表明存在中間過渡相，沉淀序列為過飽和α固溶體→G.P.區→β″→β'（Mg9Nd），過渡相與基體之間保持共格關系。

Mg-RE系的時效產物彌散度高，與硬化峰值相對應的時效組織在普通光學顯微鏡下難以分辨，只是晶界處有較深的浸蝕色，是由于強化相優先在晶界析出所致。

工業Mg-RE合金中常常添加少量鋅，除有補充固溶強化作用外，還能增加時效硬化效應。此時，強化相Mg9RE中固溶了一部分鋅，成為（MgZn）9RE。

2.6.5.2　Mg-Ca，Mg-Ca-Zn合金

Mg-Ca合金的時效析出過程為α→β（Mg2Ca：六方結構）。在Mg-1%Ca合金中加入1% Zn，可顯著地提高時效硬化效果。研究發現，Mg-2Zn-0.8Ca合金中存在細小的沉淀物，該相平行與鎂晶格的底面；Mg-5Al-3Ca-0.2Sr合金組織在晶界有層狀的（Mg，Al）2Ca相，它與α相共格。其位向關系如下：（010）Mg//（001，[010]Mg//[110。

2.6.5.3　Mg-Ag-RE（Nd）

Mg-RE（Nd）-Zr合金中加入Ag可明顯地提高時效硬化效果，如果Ag濃度小于2%，時效析出過程與Mg-RE相同；如果Ag濃度大于2%，時效析出過程非常復雜。

在鎂合金熱處理過程中，有時可能發生過燒現象。過燒表現為以下三種情況：①表面熱析；②表面上有灰黑色粉末；③表面和內部出現空洞。特別是在真空固溶熱處理時容易出現這種蜂窩狀表面。

綜上所述，鎂合金時效過程非常復雜，現將可能出現的沉淀過程總結如表2-24。

注：SSSS為過飽和固溶體。