高塑性变形镁合金合金系简介

高塑性变形镁合金合金系简介

按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在较大差异。

铸造镁合金主要用压铸工艺生产，其主要特点是生产效率高、可生产薄壁及形状复杂的构件，且铸态组织优良、铸件表面质量好、尺寸精度高。在合金中加入铝可强化镁合金并使其具有优异的铸造性能，为了便于压铸，铸造镁合金中的铝大于3%，同样为了降低热裂倾向，铸造镁合金中的锌含量不超过2%。铸造镁合金应用于汽车零件、机件罩壳和电器结构等。

与铸造镁合金相比，变形镁合金组织更细、成分更均匀、内部更致密，因此变形镁合金强度和延伸率均较高。第一次世界大战以来，变形镁合金获得了较系统地研究与发展，并形成系列的镁合金系。变形镁合金的板材、挤压材以及锻件等塑性加工产品在军用飞机、航空航天、赛车等领域得到了较多的应用。

目前镁合金形成了一个较完整的体系，但镁合金牌号还没有形成国际通用的标准。美国材料试验协会(ASTM)的命名方法应用更普遍一点，其命名方法是由“字母-数字-字母”三部分组成的命名系统。第一部分的二个字母表示两种主要两种合金元素，第二部分数字分别表示这两种元素含量的重量百分比，第三部分的字母是用来区分具有相同标称成分的不同合金。

暂不考虑镁锂合金，下面介绍具有密排六方结构的镁合金。

①Mg-Al系

Mg-Al系合金一般属于中等强度、塑性较高的最常用合金系，它们具有良好的强度、塑性和耐腐蚀性等综合性能，而且价格较低。Mg-Al系合金中，部分AZ、AM、AE合金属于高塑性镁合金。Mg-Al-Zn系合金应用很广泛。它的主要特点是强度高，并具有良好的铸造性能。铝是该合金系中的主要元素，其主要作用是提高合金的室温强度，并赋于热处理强化效果。共晶温度(437℃)下，铝在镁中的溶解度为12.27%，100℃时溶解度为2.0%，因此可进行热处理强化。锌能提高合金的强度，改善合金的塑性，提高耐腐蚀性，但锌增加疏松和热裂纹的形成倾向。

AZ系中的AZ31、AZ61，具有良好的塑性、强度和耐腐蚀性等综合力学性能，AZ31和AZ61的延伸率能达到19%以上。常用Mg-Al合金铝含量小于10%，由于不平衡结晶，室温状态组织为α(Mg)+β(Mg17Al12)，β相随铝含量的增加而增多。在铝含量小于10%时，随着铝含量增加，固溶条件下β相可全部溶入α基体中，随Al量增加抗拉强度不断提高；伸长率则在3～8%范围内达到最大值。AZ合金在固溶处理条件下塑性较好,细小晶粒组织的塑性较好。在研究AZ31B合金的轧制时，发交叉轧制板材的塑性较好。

AM系列镁合金具有优良的韧性，用于经受冲击载荷、安全性要求高的场合。AM20压铸态下延伸率可达20%，AM50和AM60压铸态延伸率可达到15%，塑性均较好。对Mg-Al-Mn 三元镁合金，当锰含量小于1%时，室温状态组织为α(Mg)+β(Mg17Al12)+MnAl，随着锰含量的增加，组织中将出现脆性的β-Mn相，使塑性降低。

AE系合金具有较好的抗蠕变和耐热性能，其中有些合金塑性亦较好。AE42合金具有优良的综合性能，同时其铸态延伸率能达到17%，属于高塑性镁合金。

②Mg-Zn系

Mg-Zn系合金中，加入少量的锆，能显著细化晶粒并提高强度，改善合金的耐腐蚀性和耐热性。Mg-Zn-Zr系合金具有较高的强度、良好的塑性及耐腐蚀性。

ZK60除具有较高的强度外，塑性亦较好，挤压态延伸率能大于17%，它是工业变形镁合金中综合性能最好、应用广泛的合金[51，52]。在Mg-Zn合金中添加适量的稀土、锆或铜来净化合金并细化晶粒，对提高塑性也有益。

③Mg-Mn

Mg-Mn系合金包括，ASTM系列中M1A和GB/T5153-1985中的MB1和MB8。Mg-Mn 系合金具有良好的耐腐蚀性能、焊接性能和塑性，但强度较低，可用来制造承力不大，但要求耐腐蚀性高及焊接性好的零件。Mg-Mn系是具有包晶反应的合金系，且锰镁间不能形成化合物。锰容易同有害杂质元素铁化合，从而消除铁对抗蚀性的有害影响，使得合金在海水中的腐蚀速度大大降低。在Mg-Mn合金中加入少量的稀土，能够细化晶粒和净化晶界，使合金塑性进一步提高。Mg-1.5～2.5Mn-0.4Ce属于变形镁合金，主要用于生产板材、棒材、型材和锻件，应用较为广泛，其在热处理状态下，强度能达到250MPa，延伸率达20～23%。

④Mg-RE

向镁中加入稀土元素，能达到以下几方面的作用[53-55]：1)能显著提高高温强度和抗蠕变性能，Mg-RE系合金能在150-250℃下长期工作或在250-300℃下短期工作；2)能改善铸造性能，减小产生显微疏松和热裂纹的倾向；3)能改善焊接性能，并且有较高的焊缝强度；

4)Mg-RE系合金的耐腐蚀性不亚于其他镁合金，一般无应力腐蚀倾向。

镁合金中加入RE元素可以提高合金的强度、塑性和耐热性能。Mg-Y-Nd-Zr和Mg-Nd-Zr 两类镁合金，挤压并热处理后的延伸率大于20%，是塑性优越的镁合金。Mg-Y二元合金在565℃时发生共晶反应：L→α-(Mg)+β(Mg24Y5)，β是面心立方晶格，晶格常数为a=2.223nm。在565℃时，Y在镁中的最大固溶度为12%，Y溶基体中，能降低轴比，提高合金塑性。WE43是高塑性的高强度耐热镁合金，延伸率能达到20%。室温下WE43合金的组织为α-Mg、Mg24Y5、Mg9Nd(或Mg12Nd)三相共存。WE43在高性能汽车和导弹中具有广阔的应用前景。Mg-5Nd-0.5Zr合金的变形态延伸率大于20%。

⑤Mg-Li系

在镁合金中加入轻金属锂，使合金密度降低，促使合金的晶体结构由密排六方向体心立方转变，能大大提高了合金的塑性。Mg-Li合金中，当锂大于5.7%时，β相在组织中出现，使合金塑性急剧升高；当锂大于10%时，合金为β单相组织，塑性远大于普通镁合金，在室温下就可塑性成形。Mg-8.7Li等合金的延伸率大于50%。Mg-8.5Li-Y合金在较高的应变速率下具有超塑性。但Mg-Li合金成本很高，限制了它在工业中的推广应用。