镁合金的强韧化研究新进展

李士杰

（华北理工大学以升创新教育基地，河北 唐山 063210）

镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料，能更好的满足人们对材料的要求。镁合金材料的高抗冲击能力，优良的切削性能，优异的切削性能，高比强度和比刚度以及环保等优点，使其比其他的金属材料具有更大的发展潜力。镁合金材料能够更好的在数码产品、武器装备、航天飞机以及治理环境污染等方面代替其他材料[1]。国外的许多国家已经开始加快研究高性能镁合金的进程。

镁合金的晶体结构是密排六方，这也是影响镁合金性能的重要因素。目前，镁合金根据合金化元素主要形成了添加Zn 的AZ 系列、添加Mn 的AM 系列、添加RE 的AE 系列、添加Zn 和Zr 的ZK 系列等。以传统的三种强化方式（细晶强化、固溶强化以及析出强化等）为基础，逐步形成添加合金元素、优化热处理工艺、细化晶粒等手段来提高镁合金的综合力学性能。以下主要对镁合金的强韧化方式进行阐述。

1 镁合金的细晶强化

镁合金和大部分结构金属材料类似，可以通过细化晶粒尺寸来提高镁合金的力学性能。镁合金的屈服强度与晶粒尺寸的关系可用著名的霍尔-公式表示：，式中：代表单晶屈服强度，d 代表平均晶粒尺寸，K 代表霍尔-佩奇系数，只与材料种类有关。对于镁合金，K 的取值一般在280 至320 之间，比铝合金的K 值（68MPa·m 左右）大得多[2]。由此可见细晶强化能够很大幅度的提高镁合金的力学性能。目前，经镁合金晶粒细化的主要工艺有：①大挤压比热挤压、大变形锻造铸造合金；②ECAP 或扭转应变实现大塑性变形；③温(冷)变形与动、静态再结晶相结合；④快速凝固(RS)粉末的粉末冶金(PM)工艺；⑤机加工碎屑挤压压制；⑥机械合金化、非晶化等。

1.1 等通道挤压

等通道挤压是前苏联科学家 Segal 在1981 年提出的。该方法的工艺结构是由沿长度方向截面保持不变的两个相同的挤压通道组成。这两个加通道的截面形状可根据需要来确定两个加通道可采用一定的角度θ 来连接，一般情况下，90°=<θ<180°。在进行等通道挤压时坯料在压力作用下，有一个挤压通道进入另一个挤压通道，在经过两个通道的连接处时，坯料将产生纯剪切变形，但其截面保持不变。由于等通道挤压方法可以在不改变坯料截面尺寸的条件下，进行纯剪切变形，因此等通道挤压过程可以反复循环进行，获得巨大的总变形量。

另一方面，等径角挤压工艺可以细化镁合金的晶粒尺寸，甚至可以达到纳米尺度，形成纳米材料。在挤压变形过程中，小角度织构在剪切力的作用下旋转变形为具有较大晶界角的亚细晶粒，晶粒开始破碎。在下一次转变中，细小等轴晶粒出现在原始晶界和亚晶细晶界之间。将此技术与适当的热处理工艺相结合，可大大提高变形镁合金的力学性能。

1.2 半固态挤压法

半固态挤压工艺，顾名思义就是将半固态的坯料（固液共存状态）装入挤压装置进行加工，使坯料流出并完全凝固，用这种工艺获得的镁合金材料断面均一，性能优异。由于材料在半固态（存在液态）状态变形，坯料的变形抗力比全是固态时小很多，所以需要的及压力也很小（约为普通热挤压的20%～25%），这样就可以在较大范围内调节挤压比，使产品获得较高的密度。

半固态形成枝结晶球化的机理是在镁合金的凝固过程中，枝晶臂受到流体的快速扩散和温度的变化，会产生热震动并在根部产生应力集中。另一方面，由于热流的扰动，固相中溶质含量较高的根部熔点会降低，这会促使枝晶臂的熔断。进一步演化就会产生球形结构组织。近几年，对粉末板挤出技术和喷射沉积成型技术进行了深入研究，开发了各种合金的高品质米合金管、棒、模具产品。

1.3 快速凝固

快速凝固技术指凝固速度比常规铸造凝固速度大得多的凝固过程（如104～109K/s）。其基本原理是减少同时凝固的熔体积与热计面积之比，减少熔体和导热性良好的冷却介质的界面热阻，并以传导方式散热。通过快速凝固技术得到的合金晶粒细小，微观组织无偏析或少偏析的，形成与常规合金不同的组织和结构特征。利用快速凝固技术可以使镁合金晶粒细化，促进细小弥散分布的沉淀相的形成，提高镁合金的综合力学性能。

快速凝固镁合金产品通常是合金粉末，必须通过后续工艺的加工才能得到大块的结构材料。想要更好的保留原有的组织特征，需要进一步优化后续加工工艺。快速凝固技术还需要进一步的优化与发展，以降低生产成本，实现工业一体化生产。快速凝固技术是研发新型镁合金的理想方法，具有十分广阔的应用前景。

1.4 变质处理

1.4.1 FeC13法

FeCl3法是将镁合金加热到熔融状态（750℃左右），然后再向其中加入细化镁合金的晶粒。经过大量实验和理论研究证明，在向熔融状态下的镁合金中加入无水FeCl3可以晶粒细化效果，可能是因为铁元素与镁合金中的铝元素和锰元素形成Fe-Mn-Al化合物，以此作为结晶的晶核促进结晶，达到细化晶粒的效果。该方法不仅能运用于 Mg-Al 系合金，同样也能适用于 Mg-Zn 系等合金。但这种细化晶粒的原理至今还没有明确的说法，而且铁元素含量的增加会降低镁合金的耐腐蚀性能。因此，FeCl3法未能在工业中广泛应用。

1.4.2 碳质孕育法

碳质孕育法最成功的应用是在Mg-Al 合金系中，向镁合金熔体中加入含碳的化合物（如二氧化碳、碳酸盐和乙炔等）进而引入碳元素，以此来达到促进形核细化晶粒的目的。由于该方法原料来源广泛，操作温度低，且细化效果稳定，已成为 Mg-Al 类合金晶粒细化技术的重要手段。碳质孕育法对含有铝元素的镁合金的细化作用更为明显（一般认为 Al 的含量应大于1%），向镁合金中加入的碳化物会在高温时分解出碳原子，碳元素与镁合金中的铝元素生成大量的Al4C3物质。Al4C3与镁的晶格结构十分相似，都属于六方晶系。所以在凝固过程中，根据结晶共各理论，Al4C3能够作为α-Mg异质形核的基底，从而促进镁合金形核，细化了晶粒。虽然该方法具有很多优点，但是在大量实验中，并没有如期的在镁合金中直接发现 Al4C3颗粒，观察到的是含有Al、C、O 三种元素形成的Al2CO 复合颗粒，该物质并不会细化镁合金晶粒。此外，常用的引入碳化物的物质一般含有氯元素，在使用此方法生产时会产生大量的有毒气体，污染环境。优先开发新型的、环保的 C 质细化剂，并量化C 质细化剂细化Mg-Al系合金的工艺参数，如加入温度、加入量、保温时间等[3]。

1.4.3 添加合金元素

向镁合金中添加合金元素进行合金化，以此来改善镁合金的组织，从而达到提高力学性能的目的，也是一种行之有效的办法，不同的合金元素细化机理也不相同。在镁合金的冷却凝固过程中，合金中添加的碱土元素会在固体/液体界面富集，形成成分过冷区域。同时又存在着能量起伏，成分过冷区域内的更多形状的质点被激活，晶粒得到细化。此外，由于碱土元素在镁合金中的扩散速率低，反应生成的高稳定相聚集于固/液的表层，阻碍了颗粒的生长，从而使镁合金晶粒发生细化。

1.5 热处理强化

热处理过程会产生不同的效果。主要目的是提高材料的机械性能，消除残余应力，改善金属的切削加工性。退火、固溶处理及时效处理都是对于镁合金常用热处理工艺，这些热处理技术不仅能够大幅度地提高镁合金的力学性能，有时甚至还能够大幅度地提高铸造工件的稳定性。然而，并非所有的热处理技术都可以改善镁合金的力学性能。这主要是由镁合金中各种元素的溶解程度变化决定的。而且，不同种类型的镁合金在其热处理工艺上也存在着很大差别。

1.5.1 镁合金固溶处理

将镁合金材料经过加热至一定的温度后保温，过剩相就有机会充分地的溶解于固溶体中，然后用快冷的方式对其进行冷却，就有机会获得过饱和的固溶体，该类处理方法变为固溶处理。固溶处理的效果通常和加热温度、保温时间和冷却速度有关。加热的温度越高，合金元素溶解的就会越彻底，经过后续的加工工艺所获得的性能也就越好。加热的温度越高，保温的时间就会变短，合金中的组织有可能来不及转变，这样就不适合就行后续的淬火处理。而且，温度过高也会让工件产生过烧现象，破坏合金的性能。保温后的冷却处理一般采用水淬或油淬，这两种冷却方式所需时间短。冷却时间过长会在基体中析出第二相，所获得的材料的溶质原子和空位的过饱和度就会降低，性能会有所降。根据镁铝合金二元相图可知，为了得到最好的性能，淬火的温度通常控制在415℃到430℃之间比较合适。

1.5.2 镁合金时效处理

将固溶处理后的合金放置在一定的温度下，保持一定的时间，通过过饱和固溶体的洗脱和晶格沉淀使强度逐渐上升，这叫做时效。关于时效硬化过程的本质，陆续提出了扩散硬化理论、滑动干涉理论等各种时效理论。过饱和固溶体在时效时会析出第二相，弥散分布的、细小的析出相会对位错产生强烈的钉扎作用，当合金受到外力变形时，首先需要克服析出物对位错的钉扎作用，这样就需要更大力，从宏观上看就是材料的强度和硬度得到显著提。随着析出相含量的不断增加，镁合金的强度和硬度也会越来越高。理想状态是沉淀的颗粒很小，并且均匀地分布在基质中。它们与晶体上的基质相干，当温度升高时，它们不会生长或变粗。如果可以在可以进行热处理和强化的铝合金中形成，则GP 区域中的原子团簇会更好[4]。

2 结语

随着能源和环保问题的加剧，对于高强度、质量轻的结构材料需求量也必定会越来越大，因此对镁合金的研究也必然会得到越来越广泛的关注。现在最重要的事情就是加快性能优异镁合金的研究进程，尤其是通过变形来时镁合金得到强韧化这一重要的方向。争取通过我们的努力，早日使得镁合金在工业制造当中占有重要的、不可替代的地位，不断满足交通、航空、电子产品以及其他各个领域的需求。