1.2.1鎂合金的分類

鎂合金是以金屬鎂為基體，通過添加一些其它的元素而形成的合金，鎂合金中添加的合金元素主要有Al、Zn、Mn、Si、Zr、Ca、Li以及部分稀土族元素等[10]，一般說來鎂合金的分類依據(jù)有以下三種：合金化學成分、成形工藝和是否含鋯。

鎂合金按合金化組元數(shù)目可分為二元、三元和多元合金體系。常見的鎂合金體系一般都含有不止一種合金元素。但在實際中，為了分析方便，簡化和突出合金中主合金元素的作用，可以把鎂合金分為 Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Li 和 Mg-Ag 等合金系列[11]。

按合金中是否含鋯，鎂合金可劃分為含鋯和不含鋯兩大類。最常見的含鋯鎂合金系列為：Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Ag-Zr 系列。不含鋯鎂合金有：Mg-Zn、Mg-Mn和Mg-Al系列。目前應用最多的是不含鋯壓鑄鎂合金 Mg-Al 系列。含鋯和不含鋯鎂合金中均既包含著變形鎂合金，又包含著鑄造鎂合金。鋯在鎂合金中的主要作用就是細化鎂合金晶粒。含鋯鎂合金具有優(yōu)良的室溫性能和高溫性能。遺憾的是Zr不能用于所有的工業(yè)合金中，對于 Mg-Al 和 Mg-Mn 合金，由于冶煉時Zr與Al及Mn形成穩(wěn)定的化合物，并沉入坩堝底部，無法起到細化晶粒的作用[12]。

按成形工藝鎂合金可分為兩大類，即變形鎂合金和鑄造鎂合金。變形鎂合金是指可用擠壓、軋制、鍛造和沖壓等塑性成形方法加工的鎂合金。鑄造鎂合金是指適合采用鑄造的方式進行制備和生產出鑄件直接使用的鎂合金[11]。變形鎂合金和鑄造鎂合金在成分、組織和性能上存在著很大的差異。目前，鑄造鎂合金比變形鎂合金的應用要廣泛，但與鑄造工藝相比，鎂合金熱變形后合金的組織得到細化，鑄造缺陷消除，產品的綜合機械性能大大提高，比鑄造鎂合金材料具有更高的強度、更好的延展性及更多樣化的力學性能[13]。因此，變形鎂合金具有更大的應用前景。

1.2.2 主合金元素的作用

 根據(jù)鎂合金的強化效果，其合金的元素可以分為三類[14,15]：

1)既提高強度又提高韌性的合金元素，按作用效果順序為：

強度標準：Al、Cn、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th；韌性標準：Th、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、Cu；

2)強化能力較低，提高韌性的元素：Cd，Ti和Li；

3)強化效果較好，但使韌性降低的元素：Sn、Pb、Bi和Sb。

1.3 Mg-Zn-RE系合金的研究現(xiàn)狀

1.3.1 Mg-Zn系合金

純粹的Mg-Zn二元合金在實際中幾乎沒有得到應用，因為該合金的鑄造性差，合金組織粗大，容易出現(xiàn)偏析和熱裂等鑄造缺陷，對顯微疏松非常敏感。但Mg-Zn合金有一個最為明顯的優(yōu)點，就是可以通過時效處理來提高合金的強度。所以該合金的進一步的發(fā)展就是尋找新的合金添加元素，達到細化晶粒，使組織均勻化，減少合金顯微疏松[1,16,17]。在Mg-Zn合金中加入Cu元素，會使合金的韌性和時效硬化明顯增加，這是因為Cu元素能提高Mg-Zn合金的共晶溫度，因而可在較高的溫度固溶，使更多的Zn、Cu溶于合金中，增加了合金隨后的時效強化效果[16]。Mg-Zn合金中引入Cu元素的缺點是導致合金的耐蝕性降低;Zr是對Mg-Zn系合金最為有效的晶粒細化元素，在Mg-Zn合金中加入Zr元素會使粗大的晶粒得到細化。這類合金均屬于時效強化合金，一般都在固溶+時效或者直接時效的狀態(tài)下使用，具有較高的抗拉強度和屈服強度[18]。然而，這類合金的不足之處是對顯微疏松比較敏感，焊接性能差，解決的辦法就是在適當?shù)募尤隦E元素。這樣就能得到組織晶粒被細化，形成顯微疏松的傾向明顯降低，鑄造性能得到改善的優(yōu)質合金。

1.3.2 Mg-RE系合金

稀土是我國的富有資源，也是鎂合金中重要添加元素。RE元素對鎂合金的組織和性能均有著極其重要的影響。在鎂合金中，稀土能改善鑄造性能，減少顯微疏松和熱烈傾向;改善合金焊接性能，提高焊縫強度，能提高合金的耐蝕性能;提高合金的高溫強度和抗蠕變性能;并且稀土鎂合金在醫(yī)學上得到廣泛應用[19]。

RE元素可降低鎂在液態(tài)和固態(tài)下的氧化傾向。這是因為大部分的Mg-RE系，如Mg-Nd、Mg-Ce、Mg-La二元固相的富鎂區(qū)都是相似的，他們都具有簡單的共晶反應，因此在晶界處存在著熔點較低的共晶體。而這些網狀的共晶體能夠起到抑制顯微疏松的作用，只是用于合金中的部分鋅會在晶界上形成的M-Zn-RE相[20]，減輕了一些合金固有的固溶強化效果，導致合金力學性能下降，但高溫蠕變性能顯著提高。Nd的作用尤為顯著，由于其最大固溶度為3.6%，遠大于Ce的固溶度1.6%，以Mg12Nd高溫穩(wěn)定共晶相存在[21]，所以與Ce不盡相同，它不僅能提高鎂合金的高溫強度，而且還能提高室溫強度。比如，在鑄造鎂合金中，RE元素是改善合金耐熱性最有效、最具實用價值的。尤其Nd的作用最佳，可使鎂合金的室溫和高溫強度獲得強化。Nd以固溶和金屬間化合物的形式存在時具有細化晶粒、抑制二次相析出、使不完全離異共晶轉化為離異共晶的作用[21]；Nd通過固溶強化、析出強化和細晶強化增加了合金硬度和強度，并改善了塑性；加入Nd后合金的斷裂機制從脆性解理斷裂轉變?yōu)闇式饫頂嗔裑22].

Mg-Zn合金有著明顯的缺點：(1)一元合金難以晶粒細化，對顯微縮孔敏感，在實際應用中幾乎沒有得到應用。(2)合金的析出相主要是鎂鋅相，以長棒狀和短棒狀為主的鎂鋅相強化作用一般，這樣導致材料的室溫性能受到一定影響[23]。在Mg-4Zn合金中加入Nd是基于如下想法：(1)加入Nd后，合金形成含有稀土元素釹的三+元相，改善二元相的形狀和分布，可增加二元相的強化作用，改善合金的室溫力學性能；(2)Nd的主要作用是提高合金的室溫強度和高溫強度，與其它稀土元素相比其強化效果最好。Nd在鎂中的溶解度隨著溫度降低而迅速下降，熱處理強化效果較大；(3)加入Nd后，鑄態(tài)合金晶粒細化，對改善力學性能有良好作用[24]。

目前，由于稀土元素的價格比較昂貴，極大地限制了Mg-RE合金的應用和發(fā)展。但是我國擁有豐富的稀土資源，約占世界探明稀土儲量的80%。稀土的應用與開發(fā)對合理利用我國稀土資源具有相當重要的意義。換句話說，由于稀上鎂合金的耐熱、耐蝕、高強、高韌性能，可以進一步增加鎂合金材料的應用領域，同時也促進了鎂合金的發(fā)展。所以，在我們國家開發(fā)含稀土的高品質鎂合金具有獨特的優(yōu)勢。

1.3.3 Mg-Zn-RE-Zr系合金

在Mg-Zn合金中添加RE元素，可以改善合金的鑄造性能、提高合金的抗蠕變性能，并能提高鎂合金的強度[25]。RE元素在鑄造鎂合金中具有凈化合金組織、除氣、除渣等作用，還能提高合金的高溫力學性能，提高鎂合金的鑄造性能，改善鎂合金的流動性等。這是因為RE與鎂合金結晶溫度間隔小，形成了簡單的低熔點共晶體，具有良好的流動性。合金的流動性增加，疏松、熱烈傾向減少。在Mg-Zn-RE合金中，Zr元素作為必須的元素對凈化合金的顯微組織起到了重要作用，Zr能細化合金組織、凈化晶粒晶界、填補組織缺陷等[26~28]。并對合金的室溫性能和抗蠕變性能有著良好的作用。

Mg-Zn-RE-Zr系合金具有優(yōu)良的鑄造流動性、良好室溫力學性能和優(yōu)異的高溫抗蠕變性能，使其使用溫度達到300℃以上。由于Zn、RE元素的同時加入鎂合金中，合金中形成了Mg-Zn-Nd三元相，使固溶體中的Zn含量大大降低，從而使合金顯微疏松、熱烈傾向大大改善，使合金具有優(yōu)良的鑄造性能。合金中的添加元素通過固溶強化、析出強化和彌散強化來提高合金的室溫和高溫力學性能，同時Mg-Zn-Nd-Zr系合金還可通過氫化處理來進一步改善合金的力學性能[29]。研究發(fā)現(xiàn)ZE41合金在凝固過程中生成了一定數(shù)量的Mg和Zn-RE化合物的共晶體，經過熱處理后，細小的Zn-RE高溫相以網狀分布在Mg晶界上，因此其在150~200℃有很好的抗蠕變極限，尤其100~300℃之間有很好的瞬時拉伸屈服極限，廣泛應用于飛機和汽車的發(fā)動機、齒輪箱殼體上。

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