镁及镁合金材料与热处理 教学PPT课件
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金属材料热处理
1镁及镁合金
镁的来源：
• 海水含量为 2.8% ，也以其它方式存在.
• 白云石：dolomite (CaMg(CO3)2) .
• 菱镁矿：magnesite (MgCO3) .
• 光卤石：Carnallite (KMgCl3.6H2O).
• 镁是在自然界中分布最广的十个元素之一.
• 纯度99.8% 镁的就可以应用，但纯镁很少应用于工程中.
（3）T4,淬火处理。
可以提高合金的抗拉强度和延伸率，ZM5常用此规范。
为提高过饱和固溶度，淬火温度只比固相线低5-10℃。加热时间较长（砂型厚壁铸件）
（4）T6,淬火+人工时效。
目的：提高合金的屈服强度，塑性有所降低。主要应用于Mg-Al-Zn系和Mg-RE-Zr系合金。
10
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
镁合金常用热处理类型
（1）T1（人工时效）, 铸造或铸锭变形加工后，不再单独进行固溶处理而是直接人工时效。
特点：工艺简单，有一定的实效强化效果
如Mg-Zn合金，重新加热淬火会造成粗晶粒组织，时效后综合性能反不如T1状态。
（2）T2（退火），为了消除铸件残余应力及变形合金的冷作硬化而进行的退火处理。
如：Mg-Al-Zn系铸造合金ZM5的退火规程为350℃加热2-3h，空冷，冷却速度对性能无影响。
• 1927～1930年：德国生产的汽车平均每辆用73.8公斤镁合金。
• 1936～1940年：德国大众汽车（巴西）公司在“甲壳虫”汽车上累计用了4万
吨镁合金（曲轴箱、传动箱壳体）。
2
金属材料热处理
镁的发展过程：
•1948～1962年：美国采用热室压铸机生产了数百万件汽车镁压铸件。
• 20世纪70年代：镁合金材料价格上扬，应用受阻。
Mg-Mn系合金主要优点：优良的抗蚀性和可焊性。
MB8合金是在MB1基础上添加了0.15%～0.35%Ce而形成的。因添加的铈细化晶粒，使屈服强度增大，耐热
性升高，可在200 ℃温度下长期工作，MB1工作温度 < 150 ℃。
MB8合金的焊接性能低于MB1。MB1和MB8在退火状态下使用，其规程如下。
15
金属材料热处理
16
金属材料热处理
镁合金的强化
合金强化
利用合金元素形成的固溶强化、沉淀强化和弥散强化来提高常温或高温力学性能
热处理强化
取决于合金中各组元在固溶体中的溶解度是否随温度变化
细晶强化
多晶体镁结构特征中晶粒细化对其屈服强度与延展性改善的巨大作用与潜力。根据
Hall-Petch公式：
②ZM2：Mg-3.5/5.0Zn-0.5/1.0Zr-0.7/1.7Ce.
常用热处理方式： ZM2合金在T1状态下使用，时效规程是325±5℃，
保温5~8小时后空冷。人工时效后抗拉强度变化太小，但屈服强度升
高显著。
应用：ZM2合金在航空工业中用于制作工作温度较高的零件，如：发
动机机匣、整流舱、电动壳体等。
散热性好：金属的热传导性是塑料的数百倍，其热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，常
用合金中比热最高。
耐蚀性好：为碳钢的8倍，铝合金的4倍，为塑料材料的10倍以上。
质感佳：外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。
可回收性好：花费相当于新料价格的4%，可回收利用镁合金制品及废料。
6
金属材料热处理
镁合金的应用
电子工业
汽车工业
航空航天工业
7
金属材料热处理
1.2镁的合金化及热处理
纯镁的强度低无法在工程上使用，通过加入合金元素制成镁合金。由于合金元素的加入，
产生的固溶强化、细晶强化、沉淀强化及过剩相强化作用，使镁合金力学性能、耐蚀性能
及耐热性能得到提高。
镁合金中常用的合金元素有铝、锌、锰、锆及稀土元素等。
20
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
铸造镁合金
较高的常温温度和良好的铸造工艺性能，但耐热性较差，长期工作温度不得超
过150℃。
国产高强铸造镁合金主要有：ZM1、ZM2、ZM5，分别属于Mg-Al-Zn系和
Mg-Zn-Zr系.
国外高强铸造镁合金中除主要元素铝、锌、锆、等，还添加一些其他元素，如
晶粒尺寸对镁的塑性的影响
18
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
变形镁合金
1、Mg-Mn系变形镁合金：国产变形镁合金有：MB1、MB8，
通常以板，带，棒材和锻件形式供应。板材可以用于飞机蒙皮、壁板及内部构件，模锻件可制作外形复杂构件，
管材多用于汽油、润滑油等要求抗腐蚀性的管路系统。
MB8是MB1的改型，在Mg-Mn二元合金基础上添加少量的Ce，以细化晶粒，改善室温和高温性能.
MB1：340～400 ℃保温3～5h，空冷.MB8：280～320 ℃保温2～3h，空冷.
19
金属材料热处理
Mg-Mn二元相图中，在625 ℃发生包晶转变：
L + β（Mn）→α固溶体
在包晶温度下，Mn在α固溶体中溶解度为3.4%，随着温度的下降，固溶度迅速减小，620 ℃时为
2.06%，455 ℃为0.25%
8
金属材料热处理
1.2镁的合金化及热处理
主要合金元素及其作用
1、按合金元素与镁的作用性质，镁的二元相图可分为；
（1）在液态及固态只能有限互溶的合金系，如Mg与Na、K、V等
（2） 在液态及固态均可完全互溶的合金系，如Mg-Cd
（3） 在固态有限溶解并具有共晶或包晶转变的二元系，大多数属于这种情况。
1. 铝在镁中有较大固溶度，有固溶强化和时效强化的作用，时效强化相为Mg4Al3相。
2. 锌在镁中固溶度随温度降低而显著减少，具有时效强化和固溶强化作用。
3. 锰在镁中可以提高耐蚀性、耐热性、改善焊接性能，对强度影响不大。
4. 锆在镁中可细化晶粒，减少热裂倾向，提高力学性能。
5. 稀土元素在镁中显著提高耐热性，细化晶粒，减轻热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能。
• 2005年：全球镁压铸件比上年增长8%。
3
金属材料热处理
1镁及镁合金
1.1纯镁的性质
•
地壳中储量最丰富的金属之一，储量占地壳质量的2.5%，仅次于铝和铁。
•银白色，密度1.74g/㎝3，熔点651℃，沸点1090℃.
• 晶体结构：密排六方结构，室温下不易发生塑性变形。
• 具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。
2、Mg合金化原则
与铝合金十分相近，利用固溶强化和时效处理所造成的沉淀硬化来提高合金的常温和高温性能。
所选择的合金元素在镁基体中应有较高的固溶度，并随温度有较明显变化。
在时效过程中形成强化效果显著的第二相，另也要考虑合金元素对抗腐蚀和工艺性的影响。
9
金属材料热处理
1.2镁的合金化及热处理
前面两个字母： 第一个字母：含量最大的合金元素；
第二字母：含量为第二的合金元素；
数字： 表示两个主要合金元素的含量：
第一个数字：第一个字母的重量%；
第二个数字：第二字母的重量%。
最后面的英文字母：标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差
别的不同合金。
13
金属材料热处理
14
金属材料热处理
按生产工艺：
铸造镁合金，
ZM+数字顺序号
变形镁合金，
MB+数字顺序号，
合金元素含量较低。
以保证良好的工艺塑性。
11
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
常见变形镁合金、铸造镁合金的牌号、成分图
12
金属材料热处理
镁合金新、旧牌号
纯镁：Mg+数字（纯度的%） 镁合金的牌号：GB/T5153-2003
镁合金：英文字母（两个）+数字（两个） +英文字母
• 20世纪80年代：汽车轻量化，镁压铸件应用增加。
• 20世纪90年代中期：原镁产量大增，价格和铝相近，压铸工艺技术设备完善，镁应用进
入成熟阶段，发展速度空前。
• 1991年：全球汽车用镁压铸件2.5万吨。
• 1995年：全球汽车用镁压铸件5.6万吨。
• 2000年：全球汽车用镁压铸件近15万吨，占全球镁压铸件的80%。
镉、钕、银、镧等，使合金的力学性能获得进一步改善。
21
金属材料热处理
Mg-Al-Zn系（ZM5,7.5-9.0%Al,0.15-0.5%Mn,0.2-0.8%Zn）
ZM5应用最广泛，早在第一次世界大战中就被广泛的应用。
性能：强度较高，塑性最好，易于铸造，适合生产各类铸造.
ZM5常用热处理方式:
dolomite白云石
Magnesite菱镁矿
Carnallite光卤石
1
金属材料热处理
镁的发展过程：
•1775年：发现了镁的化合物。
• 1808年：英国戴维用钾还原氧化镁，制得镁。
• 1886年：德国将镁应用于工业领域。
• 1909年：德国生产出镁合金铸件。
• 1916年：美国道屋化学公司开始生产电解镁。
• 热导率: 156 W/(m·K)
• 因镁具有低的强度、韧性、抗蚀性，以及易与氧作用而燃烧，限制了镁的应用.
• 用Al、 Zn、Mn、稀土等进行合金化生产具有高的强度与密度比值的镁合金 。
4
金属材料热处理
物理及其冶金性质
化学活性高：
潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀。
ZM2缺点：加铈能改善工艺性，但常温机械性能，强度和塑性＜ZM1
24
①T4：固溶处理后在室温冷却→保持淬火状态的原有性能，适用于飞机零件
②T6：固溶处理后人工时效→强度上升，塑性下降。适用于发动机内零件。
22
金属材料热处理
Mg-Zn-Zr系
与Mg-Al-Zn系合金相比，具有更高的σb、σs.
此类合金的性能对铸件壁厚和显微缩松敏感性较低。但铸造工艺性较差，氧化和热裂
干燥大气、碳酸盐、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及
不含水和酸形成氧化镁薄膜，但薄膜较脆，也不像氧化铝薄膜
那样致密，故其耐蚀性很差。
室温强度低、塑性差：
纯镁单晶体临界切应力为4.8MPa左右，其多晶体的强度和硬度很低，不能直接用做
=
1
−2
0 +
镁的Hall-Petch系数Ky=280MPa·m-1/2，为铝的相应系数Ky= 68 MPa·m-1/2的倍。这
说明晶粒细化对镁的强化作用远远大于铝的。
17
金属材料热处理
晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于铝合金。是开发镁合金最重要的因素之一。
晶粒尺寸对镁、铝 合金强度的影响
结构材料。
5
金属材料热处理
镁及镁合金的特点
重量轻：镁合金是最轻的工程结构材料。镁的密度1.74，约为钢的1/4，铝的2/3，为工程塑料的1.5
倍。
比强度、比刚度高：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工
程塑料，为一般塑料的10倍。
减振性好：相同载荷下，是铝的100倍，钛合金的300～500倍。电磁屏蔽性佳。
倾向高于Mg-Al-Zn系合金。焊接性也较差。
①国产ZM1： 3.5~5.5%Zn，0.5~1.0%Zr，Zr元素可细化晶粒.
常用热处理方式：T1：铸件直接进行人工时效（175±5℃，28~32h或195±5℃，
16h）
ZM1合金铸造工艺性不如ZM5，热裂倾向较大，焊接性差。
23
金属材料热处理
β（Mn）实际上是纯锰，固热处理强化作用很小，一般在退火状态下使用。
2、Mg-Al-Zn系合金：如MB2和MB3，含铝量均在5%以下，锌含量约1%。
具有良好的热塑性与耐蚀性。
3、Mg-Zn-Zr系合金：如MB15，含5.0-6.0%Zn、0.3-0.9%Zr、和约0.1%Mn。
航空工业主要用于制作受力较大的零件，如翼肋、摇臂等。
1镁及镁合金
镁的来源：
• 海水含量为 2.8% ，也以其它方式存在.
• 白云石：dolomite (CaMg(CO3)2) .
• 菱镁矿：magnesite (MgCO3) .
• 光卤石：Carnallite (KMgCl3.6H2O).
• 镁是在自然界中分布最广的十个元素之一.
• 纯度99.8% 镁的就可以应用，但纯镁很少应用于工程中.
（3）T4,淬火处理。
可以提高合金的抗拉强度和延伸率，ZM5常用此规范。
为提高过饱和固溶度，淬火温度只比固相线低5-10℃。加热时间较长（砂型厚壁铸件）
（4）T6,淬火+人工时效。
目的：提高合金的屈服强度，塑性有所降低。主要应用于Mg-Al-Zn系和Mg-RE-Zr系合金。
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金属材料热处理
1.3常见的镁合金
镁合金常用热处理类型
（1）T1（人工时效）, 铸造或铸锭变形加工后，不再单独进行固溶处理而是直接人工时效。
特点：工艺简单，有一定的实效强化效果
如Mg-Zn合金，重新加热淬火会造成粗晶粒组织，时效后综合性能反不如T1状态。
（2）T2（退火），为了消除铸件残余应力及变形合金的冷作硬化而进行的退火处理。
如：Mg-Al-Zn系铸造合金ZM5的退火规程为350℃加热2-3h，空冷，冷却速度对性能无影响。
• 1927～1930年：德国生产的汽车平均每辆用73.8公斤镁合金。
• 1936～1940年：德国大众汽车（巴西）公司在“甲壳虫”汽车上累计用了4万
吨镁合金（曲轴箱、传动箱壳体）。
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金属材料热处理
镁的发展过程：
•1948～1962年：美国采用热室压铸机生产了数百万件汽车镁压铸件。
• 20世纪70年代：镁合金材料价格上扬，应用受阻。
Mg-Mn系合金主要优点：优良的抗蚀性和可焊性。
MB8合金是在MB1基础上添加了0.15%～0.35%Ce而形成的。因添加的铈细化晶粒，使屈服强度增大，耐热
性升高，可在200 ℃温度下长期工作，MB1工作温度 < 150 ℃。
MB8合金的焊接性能低于MB1。MB1和MB8在退火状态下使用，其规程如下。
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金属材料热处理
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金属材料热处理
镁合金的强化
合金强化
利用合金元素形成的固溶强化、沉淀强化和弥散强化来提高常温或高温力学性能
热处理强化
取决于合金中各组元在固溶体中的溶解度是否随温度变化
细晶强化
多晶体镁结构特征中晶粒细化对其屈服强度与延展性改善的巨大作用与潜力。根据
Hall-Petch公式：
②ZM2：Mg-3.5/5.0Zn-0.5/1.0Zr-0.7/1.7Ce.
常用热处理方式： ZM2合金在T1状态下使用，时效规程是325±5℃，
保温5~8小时后空冷。人工时效后抗拉强度变化太小，但屈服强度升
高显著。
应用：ZM2合金在航空工业中用于制作工作温度较高的零件，如：发
动机机匣、整流舱、电动壳体等。
散热性好：金属的热传导性是塑料的数百倍，其热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，常
用合金中比热最高。
耐蚀性好：为碳钢的8倍，铝合金的4倍，为塑料材料的10倍以上。
质感佳：外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。
可回收性好：花费相当于新料价格的4%，可回收利用镁合金制品及废料。
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金属材料热处理
镁合金的应用
电子工业
汽车工业
航空航天工业
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金属材料热处理
1.2镁的合金化及热处理
纯镁的强度低无法在工程上使用，通过加入合金元素制成镁合金。由于合金元素的加入，
产生的固溶强化、细晶强化、沉淀强化及过剩相强化作用，使镁合金力学性能、耐蚀性能
及耐热性能得到提高。
镁合金中常用的合金元素有铝、锌、锰、锆及稀土元素等。
20
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
铸造镁合金
较高的常温温度和良好的铸造工艺性能，但耐热性较差，长期工作温度不得超
过150℃。
国产高强铸造镁合金主要有：ZM1、ZM2、ZM5，分别属于Mg-Al-Zn系和
Mg-Zn-Zr系.
国外高强铸造镁合金中除主要元素铝、锌、锆、等，还添加一些其他元素，如
晶粒尺寸对镁的塑性的影响
18
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
变形镁合金
1、Mg-Mn系变形镁合金：国产变形镁合金有：MB1、MB8，
通常以板，带，棒材和锻件形式供应。板材可以用于飞机蒙皮、壁板及内部构件，模锻件可制作外形复杂构件，
管材多用于汽油、润滑油等要求抗腐蚀性的管路系统。
MB8是MB1的改型，在Mg-Mn二元合金基础上添加少量的Ce，以细化晶粒，改善室温和高温性能.
MB1：340～400 ℃保温3～5h，空冷.MB8：280～320 ℃保温2～3h，空冷.
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金属材料热处理
Mg-Mn二元相图中，在625 ℃发生包晶转变：
L + β（Mn）→α固溶体
在包晶温度下，Mn在α固溶体中溶解度为3.4%，随着温度的下降，固溶度迅速减小，620 ℃时为
2.06%，455 ℃为0.25%
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金属材料热处理
1.2镁的合金化及热处理
主要合金元素及其作用
1、按合金元素与镁的作用性质，镁的二元相图可分为；
（1）在液态及固态只能有限互溶的合金系，如Mg与Na、K、V等
（2） 在液态及固态均可完全互溶的合金系，如Mg-Cd
（3） 在固态有限溶解并具有共晶或包晶转变的二元系，大多数属于这种情况。
1. 铝在镁中有较大固溶度，有固溶强化和时效强化的作用，时效强化相为Mg4Al3相。
2. 锌在镁中固溶度随温度降低而显著减少，具有时效强化和固溶强化作用。
3. 锰在镁中可以提高耐蚀性、耐热性、改善焊接性能，对强度影响不大。
4. 锆在镁中可细化晶粒，减少热裂倾向，提高力学性能。
5. 稀土元素在镁中显著提高耐热性，细化晶粒，减轻热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能。
• 2005年：全球镁压铸件比上年增长8%。
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金属材料热处理
1镁及镁合金
1.1纯镁的性质
•
地壳中储量最丰富的金属之一，储量占地壳质量的2.5%，仅次于铝和铁。
•银白色，密度1.74g/㎝3，熔点651℃，沸点1090℃.
• 晶体结构：密排六方结构，室温下不易发生塑性变形。
• 具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。
2、Mg合金化原则
与铝合金十分相近，利用固溶强化和时效处理所造成的沉淀硬化来提高合金的常温和高温性能。
所选择的合金元素在镁基体中应有较高的固溶度，并随温度有较明显变化。
在时效过程中形成强化效果显著的第二相，另也要考虑合金元素对抗腐蚀和工艺性的影响。
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金属材料热处理
1.2镁的合金化及热处理
前面两个字母： 第一个字母：含量最大的合金元素；
第二字母：含量为第二的合金元素；
数字： 表示两个主要合金元素的含量：
第一个数字：第一个字母的重量%；
第二个数字：第二字母的重量%。
最后面的英文字母：标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差
别的不同合金。
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金属材料热处理
14
金属材料热处理
按生产工艺：
铸造镁合金，
ZM+数字顺序号
变形镁合金，
MB+数字顺序号，
合金元素含量较低。
以保证良好的工艺塑性。
11
金属材料热处理
1.3常见的镁合金
常见变形镁合金、铸造镁合金的牌号、成分图
12
金属材料热处理
镁合金新、旧牌号
纯镁：Mg+数字（纯度的%） 镁合金的牌号：GB/T5153-2003
镁合金：英文字母（两个）+数字（两个） +英文字母
• 20世纪80年代：汽车轻量化，镁压铸件应用增加。
• 20世纪90年代中期：原镁产量大增，价格和铝相近，压铸工艺技术设备完善，镁应用进
入成熟阶段，发展速度空前。
• 1991年：全球汽车用镁压铸件2.5万吨。
• 1995年：全球汽车用镁压铸件5.6万吨。
• 2000年：全球汽车用镁压铸件近15万吨，占全球镁压铸件的80%。
镉、钕、银、镧等，使合金的力学性能获得进一步改善。
21
金属材料热处理
Mg-Al-Zn系（ZM5,7.5-9.0%Al,0.15-0.5%Mn,0.2-0.8%Zn）
ZM5应用最广泛，早在第一次世界大战中就被广泛的应用。
性能：强度较高，塑性最好，易于铸造，适合生产各类铸造.
ZM5常用热处理方式:
dolomite白云石
Magnesite菱镁矿
Carnallite光卤石
1
金属材料热处理
镁的发展过程：
•1775年：发现了镁的化合物。
• 1808年：英国戴维用钾还原氧化镁，制得镁。
• 1886年：德国将镁应用于工业领域。
• 1909年：德国生产出镁合金铸件。
• 1916年：美国道屋化学公司开始生产电解镁。
• 热导率: 156 W/(m·K)
• 因镁具有低的强度、韧性、抗蚀性，以及易与氧作用而燃烧，限制了镁的应用.
• 用Al、 Zn、Mn、稀土等进行合金化生产具有高的强度与密度比值的镁合金 。
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金属材料热处理
物理及其冶金性质
化学活性高：
潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀。
ZM2缺点：加铈能改善工艺性，但常温机械性能，强度和塑性＜ZM1
24
①T4：固溶处理后在室温冷却→保持淬火状态的原有性能，适用于飞机零件
②T6：固溶处理后人工时效→强度上升，塑性下降。适用于发动机内零件。
22
金属材料热处理
Mg-Zn-Zr系
与Mg-Al-Zn系合金相比，具有更高的σb、σs.
此类合金的性能对铸件壁厚和显微缩松敏感性较低。但铸造工艺性较差，氧化和热裂
干燥大气、碳酸盐、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及
不含水和酸形成氧化镁薄膜，但薄膜较脆，也不像氧化铝薄膜
那样致密，故其耐蚀性很差。
室温强度低、塑性差：
纯镁单晶体临界切应力为4.8MPa左右，其多晶体的强度和硬度很低，不能直接用做
=
1
−2
0 +
镁的Hall-Petch系数Ky=280MPa·m-1/2，为铝的相应系数Ky= 68 MPa·m-1/2的倍。这
说明晶粒细化对镁的强化作用远远大于铝的。
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金属材料热处理
晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于铝合金。是开发镁合金最重要的因素之一。
晶粒尺寸对镁、铝 合金强度的影响
结构材料。
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金属材料热处理
镁及镁合金的特点
重量轻：镁合金是最轻的工程结构材料。镁的密度1.74，约为钢的1/4，铝的2/3，为工程塑料的1.5
倍。
比强度、比刚度高：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工
程塑料，为一般塑料的10倍。
减振性好：相同载荷下，是铝的100倍，钛合金的300～500倍。电磁屏蔽性佳。
倾向高于Mg-Al-Zn系合金。焊接性也较差。
①国产ZM1： 3.5~5.5%Zn，0.5~1.0%Zr，Zr元素可细化晶粒.
常用热处理方式：T1：铸件直接进行人工时效（175±5℃，28~32h或195±5℃，
16h）
ZM1合金铸造工艺性不如ZM5，热裂倾向较大，焊接性差。
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金属材料热处理
β（Mn）实际上是纯锰，固热处理强化作用很小，一般在退火状态下使用。
2、Mg-Al-Zn系合金：如MB2和MB3，含铝量均在5%以下，锌含量约1%。
具有良好的热塑性与耐蚀性。
3、Mg-Zn-Zr系合金：如MB15，含5.0-6.0%Zn、0.3-0.9%Zr、和约0.1%Mn。
航空工业主要用于制作受力较大的零件，如翼肋、摇臂等。