第1章 绪论
1.1 镁及镁合金概述
1.1.1 我国的镁资源
镁在地壳中的储量很大，占2.7%，在金属元素中仅次于铝和铁，主要以白云石（碳酸镁钙）、菱镁矿存在，此外，海水中含镁约0.13%，可谓取之不尽［1，2］。我国是世界上镁储量最为丰富的国家，目前我国的原镁产量和出口量为世界第一位［3，4］，但有80%以上以初级原料低价出口，属典型资源出口型工业，而我国在军工、航天、运输等领域应用的一些高性能镁合金材料却大多需要进口，民用产品尚未进行大力开发。因此，利用我国丰富的镁资源，研究具有高技术含量的先进镁合金材料，具有重大意义。
1.1.2 镁的性质
镁具有金属光泽，呈亮白色。其原子序数为12，相对原子质量为24.305，位于周期表中第3周期第2族，纯镁的密度在20℃时为1.738g/cm3，在大气压下纯镁的熔点为（650±1）℃。镁单胞内沿主要晶面和晶轴方向的原子排布如图1.1所示。
图1.1 金属镁的晶体结构
Mg是密排六方（hcp）结构金属，在25℃时晶格常数为a=0.3202nm，c=0.5199nm，c/a=1.6236。由于晶体发生塑性变形时滑移面总是原子排列最密的面，而滑移方向也总是原子排列最密的方向，因此密排六方结构的镁，其塑性变形在低于498K时仅限于基面
滑移。因此镁滑移系少是造成其室温塑性差的主要原因。高于498K时还可以进行
面上的
方向上的棱柱面滑移，从而塑性显著提高。因此镁合金可以在573～873K温度范围内通过挤压、轧制和锻造成形。密排六方晶体各晶面原子密排程度常随轴比c/a值变化而改变，在镁中加入锂可以使轴比降低，或晶体结构的改变，使其可加工性提高。
纯镁力学性能较低，不能直接用做结构材料，通过在纯镁中添加合金元素，可以改善其物理、化学和力学性能，构成镁合金。
1.1.3 镁合金的性能特点
通常所说的镁合金是指已经商品化和正在研究开发的以镁为主要成分的金属材料。镁合金是目前国内外积极开发的一种新型环保材料，是21世纪最具生命力的新型环保材料［5～7］，是工程上应用的最轻的金属结构材料，该材料能回收再利用。镁合金的性能特点主要有［8］：
①镁合金的比强度高于铝合金和钢，略低于纤维增强塑料；
②其比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；
③耐磨性能比低碳钢好得多，已超过压铸铝合金A380；
④导热导电性能好，并具有很好的阻尼性；
⑤镁合金具有良好的切削加工性能和铸造性能，加工成本低，加工所需能量仅为铝合金的70%；
⑥其减振性能和降噪性能优良，减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金。
由于上述性能特点，镁合金在航空航天工业、军事工业、汽车工业、电子通信工业中正得到日益广泛的应用［9，10］。
1.1.4 变形镁合金的应用及分类
镁合金材料根据生产方式的不同可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类，两者在成分、组织及性能上存在很大差异。铸造镁合金多用压铸工艺生产，其主要的工艺特点为：生产效率高、铸件表面质量好，铸件组织优良，可生产结构复杂的构件。铸造镁合金主要有AZ、AM、AS和AE系列，应用最广泛的是AZ91D和AM60。铸造镁合金主要应用在汽车零件、机车罩壳和电器构件等［11］。
变形镁合金一般是指通过挤压、轧制、锻造等成形方法加工获得的镁合金。变形镁合金比铸造镁合金具有更高的强度和伸长率，因此，变形镁合金可以提供尺寸多样的板、棒、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织结构控制获得更高的强度、更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足多样化结构件的要求［12］。从20世纪40年代开始，变形镁合金已经开始应用于航天、航空、国防军工等领域［13，14］，进入20世纪90年代后期，变形镁合金开始用于汽车、电子以及其它民用产品领域［15～18］。常见商用变形镁合金成分和基本性质见表1.1［19］。
表1.1 常见商用变形镁合金成分和基本性质
近几年来变形镁合金的研究呈现迅猛发展的趋势［20］，尽管国际上对变形镁合金进行了大量的研究，为变形镁合金的应用提供了一定的基础，但是依然没从根本上解决变形镁合金的塑性成形困难、抗腐蚀性能差以及高生产成本等问题。在变形镁合金中，常用的合金系有Mg-Al-Zn-Mn系、Mg-Zn-Zr系、Mg-Mn系、Mg-Li系等，Mn能提高合金的力学性能及耐蚀性，Al含量过高时，会导致合金塑性变形能力降低，因此要严格控制其含量。这类合金一般属于中等强度、塑性较高的变形材料，能够进行热处理强化，并有良好的铸造和加工性能，可加工成板材、管材、型材和锻件，用来制作承力较大的零件。铝在镁中的含量一般为0～8%（质量分数），典型合金为AZ31、AZ61和AZ80合金，由于Mg-Al合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀等综合性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系。
Mg-Zn-Zr系合金属于高强度镁合金，可通过时效处理来强化，主要强化元素是Zn，且随着Zn含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度皆随之提高，而伸长率略有下降。但是，Zn有引起显微疏松和热裂的倾向，Zn含量过高对合金的铸造性能和压力加工性能都有不利影响。合金中的Zr含量为0.6%～0.8%（质量分数）时，具有最佳的细化晶粒和提高力学性能的作用。另外，Zr对改善合金耐蚀性和耐热性也有较大作用。Mg-Zn-Zr系合金其变形能力不如Mg-Al-Zn-Mn系合金，一般采用挤压工艺生产，典型合金为ZK60合金，在该合金系基础上加入稀土后，力学性能极大提高。
Mg-Mn系合金有良好的耐腐蚀性能和较好的焊接性能，浇铸时的凝固收缩大、热裂倾向高、强度不高，其Mn含量一般在1.2%～2.0%（质量分数），当合金中Mn含量为1.5%（质量分数）时可获得最佳耐蚀性，但过量的Mn反而造成耐蚀和塑性下降。合金的工艺塑性（如挤压、冲压等）好，不产生应力腐蚀，一般在退火状态下使用，可加工成板材、型材和锻件，用来制作承力不大的零件。
Mg-Mn、Mg-Al-Zn-Mn系及Mg-Zn-Zr系合金的共同缺点是高温性能差，工作温度一般不能超过423K。这三个变形镁合金系加入稀土后由于生成镁稀土强化和耐热相，能够满足高温使用要求，加入稀土形成的Mg-Mn-RE，Mg-Zn-Zr-RE，Mg-Al-Zn-Mn-RE合金就是常见的耐热镁合金。
另一大类就是超轻变形Mg-Li系合金，Mg-Li系合金是最有代表性的超轻高比强合金。Mg中以Li为主要添加元素，即构成了Mg-Li合金。Li的密度仅为0.53g/cm3，所以又称Mg-Li合金为超轻镁合金。
Mg-Li合金密度只有1.30～1.65g/cm3，仅为铝合金的1/2，是传统镁合金的3/4。
Mg-Al-Zn-Mn系合金是国外发展最早、研究较为充分的合金系。合金中的Al能与Mg形成固溶体而提高合金的力学性能。Zn在合金中主要以固溶态存在，对合金的影响与铝相似。但是当Zn含量超过2%（质量分数）时，凝固时有热裂倾向，是迄今最轻的金属结构材料。作为最轻的结构材料，Mg-Li合金不仅具有高比刚度、高弹性模量，切削加工性好、塑性好、冲击韧性好、低温韧性好，各向异性不明显，对缺口不敏感，良好的阻尼性能等优点，还具有良好的磁屏蔽、防震性能［21，22］。Mg-Li合金可以降低宇宙射线对电子仪器设备的干扰，能满足航空、航天工业对轻质材料的需求，在通信电子工业、军工和航空航天领域中得到日益广泛的应用［23～27］，座舱架、吸气管、导弹舱段以及发射装置上部分瞄准装置、壁板、蒙皮、直升机上机闸等都可采用镁锂合金材料。另外，在汽车、自行车、医疗器械、便携式电器、体育设施等方面也极具应用前景。
Mg-Li合金相图如图1.2［28］，在862K下，含锂量为7.5%（质量分数）的合金熔体中发生共晶转变：L→α+β，Mg与Li可形成以Mg为基的α相和以Li为基的β相。α相是Li固溶于Mg中形成的固溶体，其晶体结构与Mg一致，具有hcp晶体结构，Li在Mg中的最大固溶度为5.7%，而且不随温度变化而变化。β相是Mg固溶于Li中形成的具有bcc结构的固溶体，Mg在Li中的最大固溶度为89.7%（质量分数），也不随温度而变化。具有bcc结构的β相有更多的滑移系，因此表现出较高的延性。
图1.2 Mg-Li二元相图
Mg-Li合金中根据Li含量（质量分数，下同）及结构的不同，一般分为三种类型：
①Li<5.7%，这类合金由Li在Mg中的固溶体α相组成，具有密排六方（hcp）结构。这种合金由于轴比c/a降低，使镁合金晶格对称性提高，从而使
棱柱面滑移系被激活或
锥面滑移系被激活。因此，尽管合金仍然为hcp结构，其可加工性提高。
②5.7%<Li<10.3%，这类合金具有（α+β）两相组织，其中β相是Mg在Li中的固溶体，为体心立方（bcc）结构，具有α+β的合金既保持α相的适当强度又有β相良好的延性。
③Li>10.3%，这类合金全部由β相组成。