第1章　緒論

1.1　鎂及鎂合金概述

1.1.1　我國的鎂資源

鎂在地殼中的儲量很大，占2.7%，在金屬元素中僅次于鋁和鐵，主要以白云石（碳酸鎂鈣）、菱鎂礦存在，此外，海水中含鎂約0.13%，可謂取之不盡^［1，2］。我國是世界上鎂儲量最為豐富的國家，目前我國的原鎂產量和出口量為世界第一位^［3，4］，但有80%以上以初級原料低價出口，屬典型資源出口型工業，而我國在軍工、航天、運輸等領域應用的一些高性能鎂合金材料卻大多需要進口，民用產品尚未進行大力開發。因此，利用我國豐富的鎂資源，研究具有高技術含量的先進鎂合金材料，具有重大意義。

1.1.2　鎂的性質

鎂具有金屬光澤，呈亮白色。其原子序數為12，相對原子質量為24.305，位于周期表中第3周期第2族，純鎂的密度在20℃時為1.738g/cm³，在大氣壓下純鎂的熔點為（650±1）℃。鎂單胞內沿主要晶面和晶軸方向的原子排布如圖1.1所示。

Mg是密排六方（hcp）結構金屬，在25℃時晶格常數為a=0.3202nm，c=0.5199nm，c/a=1.6236。由于晶體發生塑性變形時滑移面總是原子排列最密的面，而滑移方向也總是原子排列最密的方向，因此密排六方結構的鎂，其塑性變形在低于498K時僅限于基面滑移。因此鎂滑移系少是造成其室溫塑性差的主要原因。高于498K時還可以進行面上的方向上的棱柱面滑移，從而塑性顯著提高。因此鎂合金可以在573～873K溫度范圍內通過擠壓、軋制和鍛造成形。密排六方晶體各晶面原子密排程度常隨軸比c/a值變化而改變，在鎂中加入鋰可以使軸比降低，或晶體結構的改變，使其可加工性提高。

純鎂力學性能較低，不能直接用做結構材料，通過在純鎂中添加合金元素，可以改善其物理、化學和力學性能，構成鎂合金。

1.1.3　鎂合金的性能特點

通常所說的鎂合金是指已經商品化和正在研究開發的以鎂為主要成分的金屬材料。鎂合金是目前國內外積極開發的一種新型環保材料，是21世紀最具生命力的新型環保材料^［5～7］，是工程上應用的最輕的金屬結構材料，該材料能回收再利用。鎂合金的性能特點主要有^［8］：

①鎂合金的比強度高于鋁合金和鋼，略低于纖維增強塑料；

②其比剛度與鋁合金和鋼相當，遠高于纖維增強塑料；

③耐磨性能比低碳鋼好得多，已超過壓鑄鋁合金A380；

④導熱導電性能好，并具有很好的阻尼性；

⑤鎂合金具有良好的切削加工性能和鑄造性能，加工成本低，加工所需能量僅為鋁合金的70%；

⑥其減振性能和降噪性能優良，減振性能、磁屏蔽性能遠優于鋁合金。

由于上述性能特點，鎂合金在航空航天工業、軍事工業、汽車工業、電子通信工業中正得到日益廣泛的應用^［9，10］。

1.1.4　變形鎂合金的應用及分類

鎂合金材料根據生產方式的不同可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類，兩者在成分、組織及性能上存在很大差異。鑄造鎂合金多用壓鑄工藝生產，其主要的工藝特點為：生產效率高、鑄件表面質量好，鑄件組織優良，可生產結構復雜的構件。鑄造鎂合金主要有AZ、AM、AS和AE系列，應用最廣泛的是AZ91D和AM60。鑄造鎂合金主要應用在汽車零件、機車罩殼和電器構件等^［11］。

變形鎂合金一般是指通過擠壓、軋制、鍛造等成形方法加工獲得的鎂合金。變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更高的強度和伸長率，因此，變形鎂合金可以提供尺寸多樣的板、棒、型材及鍛件產品，并且可以通過材料組織結構控制獲得更高的強度、更好的延展性及更多樣化的力學性能，可以滿足多樣化結構件的要求^［12］。從20世紀40年代開始，變形鎂合金已經開始應用于航天、航空、國防軍工等領域^{［13，14］}，進入20世紀90年代后期，變形鎂合金開始用于汽車、電子以及其它民用產品領域^{［15～18］}。常見商用變形鎂合金成分和基本性質見表1.1^［19］。

近幾年來變形鎂合金的研究呈現迅猛發展的趨勢^［20］，盡管國際上對變形鎂合金進行了大量的研究，為變形鎂合金的應用提供了一定的基礎，但是依然沒從根本上解決變形鎂合金的塑性成形困難、抗腐蝕性能差以及高生產成本等問題。在變形鎂合金中，常用的合金系有Mg-Al-Zn-Mn系、Mg-Zn-Zr系、Mg-Mn系、Mg-Li系等，Mn能提高合金的力學性能及耐蝕性，Al含量過高時，會導致合金塑性變形能力降低，因此要嚴格控制其含量。這類合金一般屬于中等強度、塑性較高的變形材料，能夠進行熱處理強化，并有良好的鑄造和加工性能，可加工成板材、管材、型材和鍛件，用來制作承力較大的零件。鋁在鎂中的含量一般為0～8%（質量分數），典型合金為AZ31、AZ61和AZ80合金，由于Mg-Al合金具有良好的強度、塑性和耐腐蝕等綜合性能，而且價格較低，因此是最常用的合金系。

Mg-Zn-Zr系合金屬于高強度鎂合金，可通過時效處理來強化，主要強化元素是Zn，且隨著Zn含量的增加，合金的抗拉強度和屈服強度皆隨之提高，而伸長率略有下降。但是，Zn有引起顯微疏松和熱裂的傾向，Zn含量過高對合金的鑄造性能和壓力加工性能都有不利影響。合金中的Zr含量為0.6%～0.8%（質量分數）時，具有最佳的細化晶粒和提高力學性能的作用。另外，Zr對改善合金耐蝕性和耐熱性也有較大作用。Mg-Zn-Zr系合金其變形能力不如Mg-Al-Zn-Mn系合金，一般采用擠壓工藝生產，典型合金為ZK60合金，在該合金系基礎上加入稀土后，力學性能極大提高。

Mg-Mn系合金有良好的耐腐蝕性能和較好的焊接性能，澆鑄時的凝固收縮大、熱裂傾向高、強度不高，其Mn含量一般在1.2%～2.0%（質量分數），當合金中Mn含量為1.5%（質量分數）時可獲得最佳耐蝕性，但過量的Mn反而造成耐蝕和塑性下降。合金的工藝塑性（如擠壓、沖壓等）好，不產生應力腐蝕，一般在退火狀態下使用，可加工成板材、型材和鍛件，用來制作承力不大的零件。

Mg-Mn、Mg-Al-Zn-Mn系及Mg-Zn-Zr系合金的共同缺點是高溫性能差，工作溫度一般不能超過423K。這三個變形鎂合金系加入稀土后由于生成鎂稀土強化和耐熱相，能夠滿足高溫使用要求，加入稀土形成的Mg-Mn-RE，Mg-Zn-Zr-RE，Mg-Al-Zn-Mn-RE合金就是常見的耐熱鎂合金。

另一大類就是超輕變形Mg-Li系合金，Mg-Li系合金是最有代表性的超輕高比強合金。Mg中以Li為主要添加元素，即構成了Mg-Li合金。Li的密度僅為0.53g/cm³，所以又稱Mg-Li合金為超輕鎂合金。

Mg-Li合金密度只有1.30～1.65g/cm³，僅為鋁合金的1/2，是傳統鎂合金的3/4。

Mg-Al-Zn-Mn系合金是國外發展最早、研究較為充分的合金系。合金中的Al能與Mg形成固溶體而提高合金的力學性能。Zn在合金中主要以固溶態存在，對合金的影響與鋁相似。但是當Zn含量超過2%（質量分數）時，凝固時有熱裂傾向，是迄今最輕的金屬結構材料。作為最輕的結構材料，Mg-Li合金不僅具有高比剛度、高彈性模量，切削加工性好、塑性好、沖擊韌性好、低溫韌性好，各向異性不明顯，對缺口不敏感，良好的阻尼性能等優點，還具有良好的磁屏蔽、防震性能^{［21，22］}。Mg-Li合金可以降低宇宙射線對電子儀器設備的干擾，能滿足航空、航天工業對輕質材料的需求，在通信電子工業、軍工和航空航天領域中得到日益廣泛的應用^{［23～27］}，座艙架、吸氣管、導彈艙段以及發射裝置上部分瞄準裝置、壁板、蒙皮、直升機上機閘等都可采用鎂鋰合金材料。另外，在汽車、自行車、醫療器械、便攜式電器、體育設施等方面也極具應用前景。

Mg-Li合金相圖如圖1.2^［28］，在862K下，含鋰量為7.5%（質量分數）的合金熔體中發生共晶轉變：L→α+β，Mg與Li可形成以Mg為基的α相和以Li為基的β相。α相是Li固溶于Mg中形成的固溶體，其晶體結構與Mg一致，具有hcp晶體結構，Li在Mg中的最大固溶度為5.7%，而且不隨溫度變化而變化。β相是Mg固溶于Li中形成的具有bcc結構的固溶體，Mg在Li中的最大固溶度為89.7%（質量分數），也不隨溫度而變化。具有bcc結構的β相有更多的滑移系，因此表現出較高的延性。

Mg-Li合金中根據Li含量（質量分數，下同）及結構的不同，一般分為三種類型：

①Li<5.7%，這類合金由Li在Mg中的固溶體α相組成，具有密排六方（hcp）結構。這種合金由于軸比c/a降低，使鎂合金晶格對稱性提高，從而使棱柱面滑移系被激活或錐面滑移系被激活。因此，盡管合金仍然為hcp結構，其可加工性提高。

②5.7%<Li<10.3%，這類合金具有（α+β）兩相組織，其中β相是Mg在Li中的固溶體，為體心立方（bcc）結構，具有α+β的合金既保持α相的適當強度又有β相良好的延性。

③Li>10.3%，這類合金全部由β相組成。