金属材料学第12章 镁合金

49% 铝合金 14% 稀土合金 17% 镁压铸件 18% 炼钢脱硫 2% 金属还原
※国家科技部把镁的产业化列入国家十· 五
重大攻关项目，把镁的开发列入国家863计划 项目；
※国家计委把镁产业的发展列入国家高新技
术发展新材料专项；
在新世纪，镁及镁合金材料研究和应用的快
速发展已成为必然趋势！
美国ASTM标准：
以英文字母加数字再加英文字母的形式表示。
前面的两位英文字母是其主要代号， 按元素多少由大到小排列（元素符号有规定A-Al、 C-Cu、K-Zr、M-Mn、R-Cr、S-Si、T-Sn、Z-Zn、 E-Re、Q-Ag、W-Yb镱等），
其后的两位数字表示其主要合金元素的大致含量，
最后的字母为标识代号。 AZ91D，A代表主加Al，Z代表次高Zn，9代表铝含量，
Alloy AM50挤压
L＋Mn→α α →α＋Mn
图12.3MB1变形镁合金
图12.4Mg-Mn相图
4.合金元素Zr的作用：
Zr：提高力学性能及 耐蚀性。 Zr高熔点金属，较强 的固溶强化作用。且 凝固时析出α-Zr，作 为异质晶核，细化晶 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。 L＋Zr→α α →α＋Zr
Alloy ZK60铸态
① 显著减轻车重，降低油耗。
汽 车 工 业
② 降低零部件加工和装配成本； ③ 可极大改善噪声、振动现象。
目前在汽车上有60多个零部件采用了镁合金， 如方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳等。
航 空 领 域
ZM2、ZM3制造飞机发动机前支撑壳 体和壳体盖，前舱铸件； ZM5制造地空导弹舱体、战机机舱， ZM6扩大用于直升机发动机减速机匣、 歼击机翼肋等重要零件， 稀土超强镁合金MB25、MB26代替部分 中强铝合金，在歼击机上获得了应用。
铸造镁合金
Mg-Zn-Zr（Nd）
ZM1
ZM2 ZM4 ZM8
ZK51A
ZE41A EZ33 ZE63
Mg-Al-Zn（Mn ）
ZM5
ZM10
AZ81A
AM100A
12.2镁合金的合金化原理
12.2.1合金元素对组织和性能的影响
主要与晶体结构、原子尺寸、电负性等因素相关
（1）晶体结构因素。镁是HCP结构，但其他HCP 结构元素（如锌和铍）不能与镁形成无限固溶体
12镁合金magnesium alloy 12.1概述 12.1.1镁合金的性质
⑴ 相对原子质量为24.32，密排六方晶体结构。 ⑵ 20℃时ρ1.738g/cm3，结构材料中最轻金属。 ⑶ 体积热容最低。20℃时为1781J/（dm3· K）， →重要特性是升温与降温都比其他金属快。 ⑷ 化学活泼性高。在潮湿大气、海水等介质中 会引起剧烈腐蚀，但在干燥大气、汽油等介质中 却很稳定。 ⑸ 室温塑性很差。

3.细晶强化：镁合金细晶强化效果显著。 方法（1）加入细化剂（RE、Zr、Ca 、Sr、 B） （2）热加工、塑性变形工艺。

4.形变强化：由于镁合金滑移系少，通过形变强 化实现晶粒细化。原理：通过大挤压比挤压，使 合金发生动态再结晶，或等角挤压技术，获得细 晶粒。
12.6镁合金的应用
12.5.镁合金的热处理
1.固溶强化：溶质与溶剂原子差别越大，屈服强度越高。
溶质
Al Zn Ca Ce Th Li
与镁的原子尺 寸差（dmgdm）/dmg 10 16 -24 -14 -13 5
溶质每增加1%的 强化效果 (屈服强度) 25 45 110 148 212 -
2.沉淀强化：经固溶及时效处理后理想的沉淀相 是弥散分布、与基体有共格关系、不易粗化。 但镁合金中尚未发现GP区，沉淀相随温度升高快 速粗化变软，时效强化较铝合金差。
12.1.2镁合金的特点
⑴ 比强度、比刚度高。 ⑵ 弹性模量较低。受力时应力分布均匀, ↓ 应力集中。在弹性范围内承受冲击时，所吸收 的能量比铝高50%左右。适于制造承受猛烈撞 击的零件。受冲击或摩擦，不产生火花。 ⑶ 良好的减振性。在相同载荷下，减振性 是铝的100倍，钛合金的300~500倍。 ⑷ 切削加工性优良，切削速度↑。 ⑸ 铸造性优良，所有铸造工艺都可采用。
12.4、铸造镁合金的组织和性能
主要合金系为Mg-Zn-Zr、Mg-Al-Zn及Mg-RE-Zr等。
大部分为含稀土元素的铸造镁合金 。 Mg-Al-Zn系 ：最典型和常用的镁合金是ZM5 。 Mg-Zn-Zr系 ：ZM1加入稀土和氢化处理后，各类强度 得到↑↑，铸件致密，易铸造和焊接，可在170~200℃ 工作，用于飞机的发动机和导弹各种铸件. Mg-RE-Zr系 ：ZM6是性能最好的合金，热处理后室 温σ 、高温瞬时σ 和蠕变σ 高，可在250℃长期工作
Mg-Zr相图
12.3、变形镁合金组织和性能
常用的合金系为Mg-Al系与Mg-Zn-Zr系。
典型的合金为MB2、MB5及MB7。 Mg-Al合金具有良 好的强度、塑性和耐腐蚀等的综合性能，且价格较低， 所以是最常用的合金系列
Mg-Zn-Zr系是高强度镁合金，强度高，耐蚀性好，无 应力腐蚀倾向，工艺简单，但变形能力较差，焊接性差。 常用MB15，可制造形状复杂的大型构件 加入锂能获得超轻变形镁合金，其ρ1.30~1.65g/cm3， 是最轻的金属结构材料，具有极优的变形性能和较好的 超塑性能，已应用在航天和航空器上
12.1.3镁合金的分类 GB/T5153-2003
分 类 与 牌 号 变形镁合金（MB）、铸造镁合金（ZM） 压铸镁合金（YM）和航空镁合金。 纯镁Mg99.95/99.50/99.0 合金顺序号表示合金间化学成分差异。 如: 1号铸造镁合金用ZMl表示， 2号变形镁合金用MB2表示， 5号压铸镁合金用YM5表示， 5号航空铸造镁合金用ZM-5表示。
Fe、Ni、Cu等是有害元素。
1.合金元素Al的作用： Al在Mg中极限固溶度较大： 12.7%， 随温度下降显著小，可 固溶强化，提高强度。且提高耐 蚀性。 析出强化？ 室温平衡组织：α+β
图12.1Mg-Al相图
β ：Mg17Al12，
在生产条件下，会出现共晶组织β 分布在α 晶界上。
2.合金元素Zn的作用：
1代表Zn含量，D标识代码，区分成分和先后序列。
表12.1中国与美国部分镁合金相近牌号对照
合金系 种类 变形镁合金 Mg-Mn Mg-Al-Zn MB1 MB8 MB2 MB5 MB6 MB7 Mg-Zn-Zr MB15 M1 M2 AZ31 AZ61 AZ63 AZ80 ZK60 中国 美国（ASTM）
Zn在Mg中极限固溶度6.2%，可固溶强 化，提高强度。MgZn 化合物可起沉淀 强化作用。Mg-Zn二元合金组织粗大， 几乎无应用。可通过加入第三组元改善 强度。 L→α＋Mg7Zn3 Mg7Zn3→α＋MgZn 图12.2Mg-Zn相图
AZ91挤压态组织
AZ61铸态组织
AZ31铸态组织

3.合金元素Al的作用： Mn在Mg中极限固溶度3.3%， 固溶强化效果不大。可提高 合金抗应力腐蚀倾向，提高 抗蚀性能。
1.说明下列符号的物理意义 ZM5；MB15；AZ80A；
（2）原子尺寸因素。△R＜15%时能形成无限固 溶体。约一半金属元素与镁可形成无限固溶体
（3）电负性因素。元素之间电负性相差越大，生
成的化合物越稳定，化合物往往具有Laves相结构，
同时其成分具有正常的化学价规律。
（4）原子价因素。元素间原子价相差越大，溶解 度越小。 合金元素有Al、Zn 、Mn等。
各种便携式商品上（如数码相机、摄象 机、手机等）和播放器、电脑等产品上广 泛采用镁合金
家 用 电 器
镁合金开发与应用前途无量
图12.9压铸镁合金在北美产系列汽车中的使用情况
我国镁合金材料开发与研究情况
※镁资源世界第一（菱镁矿储量世界首位27亿吨、白云
石矿青海盐湖廉价镁盐31.5亿吨）； ※原镁产量世界第一（20万吨，占世界产量近1/2）； ※原镁出口世界第一（80%作为初级原材料出口）； ※镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。