变形镁合金研究的进展.pdf

综 述收稿日期:作者简介:朱新亚()男河南周口人在读研究生主要研究方向为稀土镁合金塑性变形和断裂机制的研究 联系电话:.通信作者:何建丽()女博士副教授主要从事稀土镁合金塑性变形和断裂机制研究等工作:.基金项目:国家自然科学基金资助项目()变形镁合金研究的进展朱新亚何建丽向雨欣郑惠泽(上海工程技术大学 材料工程学院上海)摘 要:镁合金密度低比强度和比刚度高被广泛应用于航空航天和汽车制造等领域 与铸造镁合金相比变形镁合金具有较均匀的组织和较好的力学性能 综述了十多年来 系、系和 系变形镁合金研究的进展 简述了、和 等合金元素对变形镁合金显微组织和性能的影响 提出了今后的研究方向和进一步改善变形镁合金力学性能的途径关键词:变形镁合金合金化力学性能微观组织中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言镁合金密度低比强度和比刚度高机加工性能良好被广泛应用于航空航天和汽车制造等领域被称为“世纪绿色工程材料”与铸造镁合金相比变形镁合金具有更好的力学性能 高性能变形镁合金有 系、系和 系等 由于镁合金为密排六方结构低温变形过程中没有足够的滑移系协调变形低温加工时易开裂应用受到限制因此亟待提高镁合金的低温塑性以进一步扩大镁合金的应用范围本文综述了近年来变形镁合金的最新研究成果包括 系、系和 系提出了变形镁合金的研究方向 变形镁合金的发展变形镁合金最初是应用于军工领域 上世纪 年代美国在 轰炸机上使用了 级锻造镁合金 上世纪 年代 美国 成功开发了一系列高性能商用变形镁合金如 和 等尤其是加入稀土元素 的 镁合金时效处理后断后伸长率达到了抗拉强度高于 目前仍被广泛应用 年德国科学技术协会牵头实施的“计划”中有变形镁合金用于汽车领域的项目同年加拿大斥资一千余万开发汽车用高性能变形镁合金热处理 年第 卷 第 期 年美国汽车工程师学会制定了变形镁合金标准促进了变形镁合金的进一步发展英国成功开发了用于核反应燃料罐的挤压态 高性能变形镁合金以色列也成功开发了航天领域用高性能变形镁合金目前我国世界首条大型镁合金板材生产线已实现量产但变形镁合金的开发起步较晚航空航天用高性能变形镁合金仍靠进口民用变形镁合金很少 系变形镁合金 系变形镁合金应用最广 能产生固溶强化、析出、二次相提高镁合金的力学性能 然而二次相通常沿晶界析出导致 系合金的高温力学性能较差于是 系(系)和 系(系)等镁合金应运而生 近年来人们对在 系镁合金中加入、和 等元素进行了深入研究在改善 系变形镁合金性能方面取得了一定的进展 能在 合金中形成稳定的 二次相显著提高 系镁合金的蠕变性能和强度 等研究了 含量对 系镁合金组织和性能的影响结果表明加入.(质量分数下同)的 系镁合金抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别提高到了 、和.如图 所示尺寸为 的 二次相在挤压过程中起阻碍晶界移动、抑制晶粒生长从而细化晶粒的作用 等对比了加入 元素前、后挤压态 镁合金的组织和力学性能结果与 等的研究结果相吻合图 挤压态.()、.()、.()和.()镁合金的显微组织 元素的加入不仅能促进镁合金的非基面滑移和交叉滑移改善镁合金的塑性变形还能进一步降低镁合金的密度 文献对 合金的塑性变形行为进行了大量研究结果发现室温下 在镁合金中的溶解度达.表明 能显著改变镁合金固溶体的晶格参数导致 合金的/比降低(如表 所示)且 含量的增加显著降低基面织构的强度(如图 所示)改善 镁合金的力学性能加入 的 合金拉伸性能显著提高加入 的塑性显著提高此外还开发了一种新型加工方法即非对称复合挤压()大大改善了 合金的热变形性能和力学性能 等研究表明随着 含量的增加()合金(、)的抗拉强度降低断后伸长率增加()合金的断后伸长率达到了 在 系合金中加入稀土元素()不仅能加速形成热稳定相()改善高温力学性能还能显著改善耐热性和减震性能 等研究了 含量对 合金力学性能的影响结果表明含.的 系合金的断后伸长率比含.的合金提高了.等分热处理 年第 卷 第 期析了微量(、.和.)对轧制态.合金板材组织和力学性能的影响发现含.的 系合金中形成了尺寸约为 的 相(如图 所示)抑制了 相的生成导致其强度低于含.的合金表 镁固溶体的晶格参数合金/体积/.图 挤压态()、()、()和()镁合金的()极图图 两次时效后不含()和含.()、.()的.合金的 图热处理 年第 卷 第 期 等研究了 含量对轧制态 镁合金组织和塑性变形行为的影响结果如表 所示.合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别提高到了 、和 其原因是形成了 相且细化了 颗粒 但随着 含量的进一步提高 与 形成粗大的 团簇导致合金力学性能下降 对铸态和热轧态.合金组织和力学性能的研究得到了相似的结果 热轧后晶粒度从 减小到了 晶界强化导致合金力学性能大幅度提升抗拉强度和屈服强度分别从原 和 提高到了 和 基于以上研究 等进一步优化工艺添加 在 热轧的 合金具有优良的热稳定性和力学性能与铸态相比抗拉强度和屈服强度分别提高了.和 表 合金的室温拉伸性能合金抗拉强度/屈服强度/断后伸长率/().系变形镁合金镁锌系合金是公认的变形性能最好的镁合金之一如具有良好室温强度和塑性的 系合金但由于析出相沿方向分布对时效的响应和高温力学性能较差几十年来为改善镁锌系合金的时效响应进行了一系列研究并取得了一定进展例如在镁锌合金中加入 元素以提高其固溶温度增加 元素的析出量进而改善合金的高温力学性能 等开发了一系列添加稀土、等合金元素的新型变形镁锌合金改善了镁锌合金的高温力学性能近年来因 变形镁合金具有较高的室温和高温强度而得到了广泛的研究和关注 等研究了 添加量(、.、和)对挤压态.合金组织和性能的影响发现添加 的合金中有 相和 相且随着 含量的增加细小的二次相增多导致其周围的位错密度和取向梯度增大有利于激发形核、细化晶粒 等研究了、和 元素对轧制态.合金力学性能和织构的影响结果表明:、和 元素的加入能有效减弱.合金的基面织构提高其室温塑性含.稀土元素的合金的塑性均得到改善.合金的二次相数量大幅度增加尺寸减小(如图 所示)使其塑性显著改善断后伸长率达到了 远高于 .和 .合金 等报道了微量钇和铈对挤压态镁锌合金组织和性能的影响结果表明加入.和.的合金挤压态屈服强度高达 抗拉强度高达 断后伸长率达.尽管采用变形工艺制备的镁锌稀土合金具有较高的强度和塑性但由于稀土元素昂贵导致合金的成本较高应用范围受限 近年来人们又采用廉价元素来改善 系合金的性能如、合金等 等研究了钙含量(、.和)对 合金硬度和组织的影响结果表明 的加入能显著细化晶粒提高合金硬度且促进 金属间化合物的形成抑制 二次相的形成 等研究发现微量 能改善镁锌合金的高温力学性能 等在.合金中加入 挤压后形成了大量直径为 的 析出物得到了在不影响塑性的情况下提高了屈服强度和抗拉强度的镁锌合金其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别达到了、和 等也研究了锰含量对挤压态镁锌合金的组织和力学性能的影响得到了与之类似的结果 系变形镁合金稀土元素在镁基体中具有较高的溶解度能产生很强的固溶强化和时效强化效应显著提高合金的强度和成形性能近年来已开发出含、和 等稀土元素的变形镁合金 等制备了两种 合金研究了 含量对合金性能和组织的影响结果表明 的加入能延缓合金热处理 年第 卷 第 期动态再结晶的发生且随着 含量的增加合金的塑性改善强度降低这是合金的织构减弱所致 等研究了挤压态 合金室温拉伸过程中组织和织构的变化 合金的断后伸长率高达其优异的塑性主要是以基面滑移和拉伸孪晶为主的变形方式及非基面滑移、孪晶滑移和收缩孪晶交互作用的结果图 .()、.()、.()和.()合金的显微组织 等研究了 含量对镁合金组织和性能的影响 结果表明:随着 含量的增加和与()相含量增加且弥散分布有利于动态再结晶的形核提高抗拉强度含.的合金平均晶粒尺寸细化到了.并发现含.的合金挤压态板材力学性能最佳抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别达到了 、和.等研究了 镁合金的低温力学性能发现合金的低温断裂强度显著提高如图 所示 等研究发现 的加入能抑制挤压过程中镁合金的动态再结晶且再结晶晶粒的面积分数随 加入量的增加而降低 的固溶强化还增加了滑移系的临界分切应力导致收缩孪晶的活性增大 以不同稀土元素合金化的镁合金具有较高的强度和较好的室温塑性 等总结了部分变形稀土镁合金的力学性能如表 所示 结束语十多年来对具有优良力学性能的变形镁合金的研究取得了很大的进展变形镁合金的屈服强度达到了 甚至 近年来变形镁合金的研究方向主要为:图 在不同温度下 镁合金垂直()和平行()于变形方向的真应力真应变曲线及初始试样()的极图(压缩方向挤压方向轴向法向)热处理 年第 卷 第 期表 稀土元素含量不同的变形镁合金的力学性能合金屈服强度/抗拉强度/断后伸长率/加工工艺.锻造.锻造 时效 .锻造 时效 .锻造 时效 .保温 挤压.保温 挤压.保温 挤压.保温 挤压.铸造 时效淬火.铸造 时效淬火 时效 .挤压 时效 .铸造 挤压 热轧.铸造 挤压 热轧 时效 .挤压 时效 .挤压 时效 ()将合金晶粒细化至纳米级超细晶以获得兼具高强度和高塑性的变形镁合金()通过热处理等手段获得具有长周期堆积有序相()的镁合金在不消除 相的前提下改善变形镁合金的加工性能()通过变形前预时效或变形后的热处理获得高密度、弥散分布的析出相使镁合金产生细晶强化和第二相强化改善力学性能然而目前研发的高强度变形镁合金大多含有大量稀土元素成本高使用范围有限 开发高强度和低成本的变形镁合金是今后的研究方向 要提高变形镁合金的力学性能还需进一步研究合金中的析出相、织构和溶质偏析等微观组织的演变及控制其数量和分布参考文献 .:.():.():.:():.:.:.():.:.():.():.:.():.:.():.热处理 年第 卷 第 期 ():.():.:./.:.:.:.():.:.:.:.:.:.:.().():.(.).:.:.:.:.(.).():.():.():.():.().:.().:.():.():.:.:.:.热处理 年第 卷 第 期 .:.:.():.:.:.:.:.():.().:.():.:.():.:.:.():.():.()()().():.:.().():.():.热处理 年第 卷 第 期