1.3 主要的镁锂合金体系
Mg-Li二元合金强度低［51～53］，其中（α+β）两相合金的拉伸强度在110～120MPa，屈服强度在60～90MPa。β相合金的强度更低，拉伸强度在100MPa左右，屈服强度在60MPa以下，该合金抗蠕变性能差，在室温或稍高于室温时，在较小的应力作用下即发生蠕变失效［54，55］。因此，Mg-Li二元合金难以单独使用。需要添加合金元素形成三元合金或者多元合金，以获得高强度的合金。
用于合金化Mg-Li二元合金的合金元素可分为三类［56］：一是固溶度较大的元素，如Al、Zn、Ag、Cd等；二是固溶度较小的元素，代表性元素是Sn、Ca、Si、Cu和RE；三是固溶度很小的元素，如Cr、V、Ti、Zr、Fe、Mn等。第一类元素的强化效果较好，但合金的组织及性能稳定性较差，在室温或稍高于室温时易产生过时效现象；二类元素的强化效果较小，但组织及性能稳定性好。到目前为止，研究较多的是第一类元素。合金化的目的就是通过合金化以及固溶时效处理，在合金基体中获得弥散析出的强化相，同时抑制锂的扩散，从而提高强度和抗蠕变能力。代表性的三元合金是Mg-Li-Al系和Mg-Li-Zn系。
1.3.1 Mg-Li-Al系合金
Al是Mg-Li合金中最主要的合金元素之一。铝因其熔点（660℃）与镁相近，易于熔炼；密度较小，使合金的密度增加较少，在710K时，在32.3%Al、67.7%Mg处与镁发生共晶反应，在镁合金中加入Al可以有效地降低液相线的温度，而且单位重量的原子数多，强化效果好［57］。
Al在固态Mg中有较大的固溶度，且随温度降低而显著减少。图1.3为Mg-Li-Al在200℃时的等温截面图［58］。可以看出对于Li<10%（原子百分比，下同）时的合金，当Al<3%时组织为单相α，当Al>3%时组织为α+γ（Mg17Al12）。对于Li为10%～18.4%的合金，当Al>1.5%～3%时合金组织为α+η（AlLi）。对于Li含量为18.4%～30%的共晶合金，当Al<1.5%时组织无明显变化，Al>1.5%时合金组织为α+β+AlLi。对于Li>30%的β合金，Al<2%时仍为单相β组织，Al>2%时可产生AlLi相。
图1.3 Mg-Li-Al三元合金200℃时等温截面图
Al在（α+β）相及β相Mg-Li合金硬化（强化）的主要机制是固溶硬化（强化）。如β相合金经1h固溶处理时，随固溶处理温度升高，Al在β相中固溶量增加，晶格常数减小，原子间结合力增加，导致合金淬火后硬度增加。固溶处理温度升高至350℃，Al全部固溶，合金硬度达到最大。相应地，随淬火温度增加，合金淬火后强度增加；然而300℃以上淬火时由于再结晶晶粒粗大，其强度反而有可能降低，且表现为脆性断裂，但通过适当缩短保温时间，抑制再结晶仍可获得较高的强度。Mg-Li-Al合金经固溶（350℃，1h），淬火处理后的时效（50℃）过程中，将出现时效硬化及过时效的软化效应［59～61］。
随铝含量增加，镁锂合金的强度提高，但塑性降低、组织及性能稳定性变差，易产生过时效现象，并且随着铝含量提高，过时效出现时间提前，由过时效产生的性能下降相对增加。有研究表明，高Li合金时效存在这样一个过程：β→MgLi2Al→AlLi［62］，时效强化相MgLi2Al是一个亚稳相，随着时效时间的延长会转变成稳定相AlLi［62，63］。Song Guang Sheng指出在高于345K时，MgLi2Al相就分解出稳定相AlLi，并伴有α相析出，高于373K时分解基本结束［63］。Alamo等研究了Mg-11.2Li-0.9Al合金，表明有如下相反应机理［64］：
βq→β+θ'（MgLi2Al）+α298K （1.1）
βq→β+θ'（MgLi2Al）+AlLi+α473K （1.2）
q指淬火后的即刻状态，并指出Al含量小于0.7%时，AlLi相还是稳定相。
我国研究人员在对Mg-8Li-1Al及Mg-11Li-3Al合金时效特性的研究过程中发现，MgLi2Al是Mg-Li-Al合金的时效硬化相，但发生过时效并非是因为AlLi相的生成，而是因为MgLi2Al时效硬化相发生了长大，造成了与基体共格关系的破坏［65］。
Mg-Li-Al系合金中，Al和Li的含量都不能过大，当Al及Li的含量超过某一定值后，由于大量粗大的AlLi相沿晶界析出而引起晶间脆性，强度下降。Mg-Li-Al系合金中，Al含量一般控制在3%以下，如LA91、LAZ933、LA141等典型的Mg-Li合金牌号。
目前国内外研究人员虽对Mg-Li-Al系的镁锂合金的时效行为有一些研究，但是对其时效行为还缺乏系统的认识，没有找到好的抑制Mg-Li-Al合金发生过时效的方法。
1.3.2 Mg-Li-Zn系合金
锌的熔点（420℃）较低，具有与镁相同的晶体结构（hcp），与镁原子半径相差不大，容易与镁形成连续固溶体，在镁中有较大固溶度（约为6.2%），并且随温度降低，固溶度减小而产生时效强化。锌也是Mg-Li基合金中主要合金强化元素之一，还可以作为Mg-Li-Al系合金的补充强化元素，锌能提高合金的应力腐蚀敏感性，从而提高合金的疲劳极限。
Zn具有与Al类似的作用效果，即随着Zn的增加，合金的强度增加而塑性下降。所不同的是单位质量的强化效果较铝差，若要达到相同的强度，所需Zn的质量要多于Al，但是少量Zn的加入可以增加Al元素在镁合金里的固溶度。随Zn量的增加，合金硬度会增加，塑性下降较小，即使较高Zn的加入量时，合金的塑性仍较好，如在Mg-11Li中添加9%（质量分数）Zn时伸长率仍可达到27%。
图1.4为Mg-Li-Zn三元系在373K和673K的等温截面图［56］。可见当Zn<2%（原子百分比）时对Mg-Li合金的组织中的相组成无明显影响，但当Zn>2%（原子百分比）时，组织中即会出现θ（MgLiZn）相。
图1.4 Mg-Li-Zn三元系在373K和673K的等温截面图
Mg-Li-Zn合金为时效硬化型合金，由于Li含量及Zn含量的差异，合金中第二相析出行为不同，导致其时效硬化行为的差异。当合金中Li含量较少，合金由α相组成，时效时于基体α相中析出稳定相θ（MgLiZn）而产生硬化［66］。Li含量增加，合金由（α+β）两相组成且Zn主要溶解于β相中；其中α相基本无时效硬化效应，而β相将出现时效硬化及过时效的软化效应。这里β相的时效硬化效应主要是亚稳相θ'（MgLi2Zn）析出而导致的；过时效效应则是由于β相中析出稳定的θ相所造成的。Li含量进一步增加，合金全部由β相组成，同样由于β相中θ'相和稳定的θ相的析出，而导致合金的时效硬化及过时效的软化［66，67］。β相的时效析出过程及析出相的作用如下：
（1.3）
研究还表明，Mg-Li-Zn合金时效温度越高，达到峰值硬度的时间越短，且峰值硬度越低，同时β相中Zn含量越低，θ相析出延迟，硬化效果更好。
因此，Zn在α单相Mg-Li合金中可适当增加含量，但在（α+β）两相及β单相合金中为避免发生过时效现象，Zn含量一般控制在2%（原子百分比）以下。