【文章內(nèi)容簡介】 用其他字母表示，例如AZ31HP中的“HP”表示“High Pure”，即表示高純度。鎂合金一般可分為含Al和不含Al鎂合金，又由于不含Al鎂合金一般都用Zr作為晶粒細(xì)化劑，故也可分為含Zr和不含Zr鎂合金。按產(chǎn)品形態(tài)，也可分為鑄造和變形合金，后者又可分為鍛壓合金、擠壓合金和軋制合金。除以上常用鎂合金外，還有其它一些新系鎂合金，如MgZnCu系，典型合金有ZC63砂鑄合金和變形合金ZC71，MgLi系合金等[12]。鎂合金與其它相關(guān)材料的物理和力學(xué)性能如表15所示。表15 鎂合金與相關(guān)材料的物理和力學(xué)性能比較[13]Table 15 the pare between magnesium alloy and related materials in the physical and mechanical properties材料名稱密 度/ gcm3熔 點(diǎn)/℃導(dǎo)熱系數(shù)/W(mK) 1抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率/﹪彈性模量/GPa比強(qiáng)度鎂合金AZ9159672280160845187鎂合金AM60615622701401545180鋁合金380595100315160371106碳鋼1520425171402220080塑料ABS90(Tg)35—4041塑料PC160(Tg)104—3102作為“21世紀(jì)的綠色工程材料”[14]，與其他結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金具有以下特點(diǎn)鎂合金擁有著許多優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用[1517]：(1) 鎂合金的密度較小，并且具有很高的比強(qiáng)度?！?g/cm3，是鋁的2/3，鋅的1/4，鋼的1/5，與工程塑料相近是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。(2) 鎂合金具有良好的減震性和吸振性。受力時能產(chǎn)生較大的彈性變形，因而在受沖擊載荷和振動時能吸收較大的能量，是制造抗震零件的良好材料，在汽車、電子、電器、交通、航天、航空和國防軍事工業(yè)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。比如汽車殼體，座椅，輪轂等結(jié)構(gòu)件。(3) 鎂的電極電位很低，電化學(xué)次序在常用金屬中居最后一位，所以可以用它作犧牲陽極，保護(hù)其他金屬物件免受電化腐蝕。(4) 鎂合金具有良好的散熱性、抗電磁干擾及屏蔽能力，是制造手機(jī)外殼、筆記本電腦外殼等電子產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)材料。(5) 鎂合金尺寸穩(wěn)定，收縮率小，不易因環(huán)境溫度變化而改變(相對于塑料)，具有優(yōu)良的制造與切削加工性能。切削時對刀具的消耗很低，切削消耗功率很小，因而可以使用較高的切削速度。擠壓與鑄造成形方法是鎂合金主要的生產(chǎn)方法。鎂合金能夠鑄造薄壁的、接近成品尺寸的復(fù)雜零件，其零件在重量、價格、功能以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面都具備較大的優(yōu)越性。(6) 鎂在干燥及氫氟酸、鉻酸、礦物油(如汽油、煤油)和堿性介質(zhì)中比較穩(wěn)定，可用作輸油管道(7) 鎂合金資源很豐富，而且具有易回收且可多次利用的特點(diǎn)，屬再生資源，是有利于環(huán)保的一種綠色金屬，非常符合當(dāng)前的環(huán)保概念，因此鎂合金被譽(yù)為“世紀(jì)的綠色工程材料”。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，隨著近年來節(jié)能與環(huán)保觀念的日益增強(qiáng)，鎂合金已廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、電子、航空、航天、國防及軍事裝備、交通、冶金、化學(xué)、電化學(xué)、辦公、電器、家用和體育用品等眾多行業(yè)中，這給鎂合金的發(fā)展帶來了極大的契機(jī)。但由于鎂合金自身結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的原因，其應(yīng)用范圍仍受到很大限制，這主要是因?yàn)殒V合金及其產(chǎn)品存在以下不足之處[1820]：(1) 耐蝕性差。鎂合金的化學(xué)性質(zhì)活躍，在潮濕的環(huán)境下容易腐蝕，與鋼鐵等其它金屬材料易于引起接觸腐蝕，這使得鎂合金對應(yīng)用環(huán)境有較高的要求，這是限制鎂合金普遍應(yīng)用的主要原因之一。(2) 耐熱性差。鎂合金熔點(diǎn)比較低，高溫強(qiáng)度低、抗蠕變性能差，限制了鎂合金在較高溫度下的應(yīng)用。同時，高溫下，鎂合金極易氧化和燃燒，在熔鑄過程中須使用阻燃劑和熔煉劑或者保護(hù)氣氛，增加了鎂合金及其鑄件的成本，并對環(huán)境造成一定的污染； (3) 塑性差。鎂晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，鎂基體的獨(dú)立滑移系少，它的滑移系統(tǒng)只有基面滑移和錐面孿生，共5個滑移系，即3個幾何滑移系和兩個獨(dú)立滑移系，室溫和低溫塑性較差，在室溫下難以進(jìn)行塑性加工，因而大部分鎂制品都是由壓鑄成形，限制鎂合金在工業(yè)構(gòu)件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。此外，鎂合金鑄件的固溶處理也要在SOCO2或SF6氣體保護(hù)下進(jìn)行，或在真空下進(jìn)行，且固溶處理和時效處理時間均較長。這些都限制了鎂合金及其產(chǎn)品的應(yīng)用及發(fā)展。 鎂合金的熱處理工藝多數(shù)鎂合金都可通過熱處理來改善或調(diào)整材料的力學(xué)性能和加工性能。鎂合金能否通過熱處理強(qiáng)化完全取決于合金元素的固溶度是否隨溫度變化。當(dāng)合金元素的固溶度隨溫度變化時，鎂合金可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。鎂合金的常規(guī)熱處理工藝分為退火和固溶時效兩大類。 鎂合金熱處理強(qiáng)化的特點(diǎn)是：合金元素的擴(kuò)散和合金相的分解過程極其緩慢，因此固溶和時效處理時需要保持較長的時間。另外，鎂合金在加熱爐中應(yīng)保持中性氣氛或通入保護(hù)氣體以防燃燒。 退火退火可以顯著降低鎂合金制品的抗拉強(qiáng)度并增加其塑性，對某些后續(xù)加工有利。變形鎂合金根據(jù)使用要求和合金性質(zhì)，可采用高溫完全退火和低溫去應(yīng)力退火。 完全退火可以消除鎂合金在塑性變形過程中產(chǎn)生的加工硬化效應(yīng)，恢復(fù)和提高其塑性，以便進(jìn)行后續(xù)變形加工。完全退火時一般會發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大，所以溫度不能過高，時間不能太長。當(dāng)鎂合金含稀土?xí)r，其再結(jié)晶溫度升高。AM60、AZ3AZ6AZ60合金經(jīng)熱軋或熱擠壓退火后組織得到改善。去應(yīng)力退火既可以減小或消除變形鎂合金制品在冷熱加工、成形、校正和焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也可以消除鑄件或鑄錠中的殘余應(yīng)力。 固溶處理要獲得時效強(qiáng)化的有利條件，前提是有一個過飽和固溶體。先加熱到單相固溶體相區(qū)內(nèi)的適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時間，使原組織中的合金元素完全溶入基體金屬中，形成過飽和固溶體，這個過程就稱為固溶熱處理。由于合金元素和基體元素的原子半徑和彈性模量的差異，使基體產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變。由此產(chǎn)生的應(yīng)力場將阻礙位錯運(yùn)動，從而使基體得到強(qiáng)化。固溶后屈服強(qiáng)度的增加將與加入溶質(zhì)元素的濃度成二分之一次方比。 根據(jù)HmueRothery規(guī)則，如果溶劑與溶質(zhì)原子的半徑之差超過14%～15%，該種溶劑在此種溶質(zhì)中的固溶度不會很大。，則Li，Al，Ti，Cr，Zn，Ge，Yt，Zr，Nb，Mo，Pd，Ti，Pb，Bi等元素可能在Mg中會有顯著的固溶度。另外，若給定元素與Mg的負(fù)電性相差很大，（即∣xMg－x∣）時，也不可能有顯著的固溶度。因?yàn)榇藭rMg和該元素易形成穩(wěn)定的化合物，而非固溶體。 人工時效沉淀強(qiáng)化是鎂合金強(qiáng)化(尤指室溫強(qiáng)度)的一個重要機(jī)制。在合金中，當(dāng)合金元素的固溶度隨著溫度的下降而減少時，便可能產(chǎn)生時效強(qiáng)化。將具有這種特征的合金在高溫下進(jìn)行固溶處理，得到不穩(wěn)定的過飽和固溶體，然后在較低的溫度下進(jìn)行時效處理，即可產(chǎn)生彌散的沉淀相?；瑒游诲e與沉淀相相互作用，使屈服強(qiáng)度提高，鎂合金得到強(qiáng)化： Tyield=(2aGb)/L+τa（1） 式中Tyield為沉淀強(qiáng)化合金的屈服強(qiáng)度；τa為沒有沉淀的基體的屈服強(qiáng)度；(2aGb/L)為在沉淀之間彎出位錯所需的應(yīng)力。 由于具有較低的擴(kuò)散激活能，絕大多數(shù)鎂合金對自然時效不敏感，淬火后能在室溫下長期保持淬火狀態(tài)。部分鎂合金經(jīng)過鑄造或加工成形后不進(jìn)行固溶處理而是直接進(jìn)行人工時效。這種工藝很簡單，可以消除工件的應(yīng)力，略微提高其抗拉強(qiáng)度。對MgZn系合金就常在熱變形后直接人工時效以獲得時效強(qiáng)化效果，即可獲得T5狀態(tài)加工產(chǎn)品。 固溶處理+人工時效 固溶淬火后人工時效可以提高鎂合金的屈服強(qiáng)度，但會降低部分塑性，這種工藝主要應(yīng)用于MgAlZn和MgREZr合金。為了充分發(fā)揮時效強(qiáng)化效果，對含鋅量高的MgZnZr合金也可選用T6處理。進(jìn)行T6處理時，固溶處理獲得的過飽和固溶體在人工時效過程中發(fā)生分解并析出第二相。時效析出過程和析出相的特點(diǎn)受合金系、時效溫度以及添加元素的綜合影響，情況十分復(fù)雜。另外，不同鎂合金系其熱處理工藝不同，不同類型工件其熱處理工藝也不相同。鎂合金擠壓件脫模后需要采用強(qiáng)制氣冷或水冷進(jìn)行淬火以獲得微細(xì)均勻的顯微組織。然而在淬火過程中，禁止冷卻水與熱模具直接接觸，否則將導(dǎo)致模具開裂。擠壓的鎂合金材料其狀態(tài)主要有TTF。其中T5為在線淬火后再進(jìn)行人工時效的狀態(tài)；T6為固溶處理與人工時效狀態(tài)；F為原加工狀態(tài)即擠壓狀態(tài)。固溶處理可提高強(qiáng)度，使韌性達(dá)到最大，并改善抗震能力。固溶處理之后再進(jìn)行人工時效，可使硬度與強(qiáng)度達(dá)到最大值，但韌性略有下降。鎂合金材料在熱加工、成形、矯直和焊接后會留有殘余應(yīng)力。因此，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。擴(kuò)散連接是在一定溫度、壓力和時間的條件下，使同種或異種金屬或者非金屬材料對接面之間的原子相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)連接的工藝過程。該過程包含了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，受到很多因素的相互影響。因此，深入研究金屬原子擴(kuò)散的基本規(guī)律，建立擴(kuò)散連接的幾何模型，可以對擴(kuò)散連接過程有一個全面的認(rèn)識，對超塑成形/擴(kuò)散連接試驗(yàn)的進(jìn)行具有重要的指導(dǎo)意義。擴(kuò)散焊接分為固相擴(kuò)散焊接和液相擴(kuò)散焊接兩大類[2223]，其分類見圖11。液相擴(kuò)散焊中間層的擴(kuò)散焊直接焊接的擴(kuò)散焊直接反應(yīng)擴(kuò)散焊加中間層焊接擴(kuò)散焊接固相擴(kuò)散焊反應(yīng)擴(kuò)散焊中間層溶化型擴(kuò)散焊圖11 擴(kuò)散焊接的分類 The classification of diffusion bonding 擴(kuò)散連接機(jī)理金屬材料是有著各自特有的晶體結(jié)構(gòu)并規(guī)則排列的原子集團(tuán)。擴(kuò)散連接時，首先必須要使待連接母材表面接近到原子間的引力作用范圍。如圖12原子間作用力和原子間距的關(guān)系示意圖。從圖中可以看出，兩個原子充分遠(yuǎn)離時其相互間的作用力幾乎為零，隨著原子間距離的不斷靠近，相互間的引力不斷增大。，引力達(dá)到最大值。如果原子進(jìn)一步接近，則引力與斥力的大小相等，原子間相互作用力為零，從能量角度考慮此時的狀態(tài)最穩(wěn)定。這時，自由電子成為共有，與晶格點(diǎn)陣的金屬離子相互作用形成金屬鍵，使兩材料間達(dá)到冶金結(jié)合。通過上述過程和機(jī)理來實(shí)現(xiàn)連接的方法即為擴(kuò)散連接。這一過程分為三個階段[24]：第一階段、變形——接觸階段 圖12 原子間作用力和原子間距的關(guān)系示意圖 The sketch of relation between Interatomic forces and atoms spacing固相擴(kuò)散連接時，材料表面通常是經(jīng)過機(jī)械加工后再進(jìn)行研磨、拋