稀土er对zk21变形镁合金组织和性能的影响-材料科学与工程专业论文.docx

1 绪论镁资源丰富，约占地壳质量的2%，海水质量的0.14%。每1m3 海水可提取1kg 以上的镁，盐湖中的镁含量也很高，加之镁材可以回收利用，因此镁可谓是“用之不竭”的金属。因此，在很多重要金属趋于枯竭的今天，加速开发镁金属材料是实现可持续发展的重要措施之一。然而，目前镁的实际应用还很少，正如著名材料专家Cahn[1]所指出的，“在材料领域还没有任何材料像镁那样存在潜力与现实如此大的颠倒”。究其原因主要是[2]：第一、镁的晶体结构为密排六方，塑性加工困难，大多数的镁结构件都来自于压铸一种加工方式，这就限制了产品品种和类型。对于金属材料，变形产品的综合性能优于铸造产品，更高的强度和塑、韧性，更适合于大型结构件和满足结构多样化的要求，而镁材尚未达到这一境地。第二、镁的氧化膜（MgO）不够致密，耐蚀性能差，工件必须进行可靠的表面处理。第三、产品成本尚高。这些问题应通过科学技术的进步加以解决，以根本上突破现阶段镁合金产品类别少、应用范围窄的局限，使镁合金作为理想的轻质材料在更多、更广阔的领域得到应用。1.1镁及镁合金性能1.1.1 镁的物理性能镁是位于元素周期表中第第3周期第ⅡA族，其电子层结构为1s22s22p63s2。纯镁的基本特性是密度小，膨胀系数较大，弹性模量较低。镁的主要物理化学性质[3]如表1.1所示。表1.1 纯镁的基本物理性能Table1.1Physicscharacteristicsofmagnesium性质温度/℃数值性质温度/℃数值原子序数12多晶镁泊松比250.35相对原子质量24.3线收缩20~6501.9%熔点650℃液-固收缩6504.2%沸点1090℃热熔2724.87J/(mol·K)晶体结构25密排六方熵2732.52J/(mol·K)c/a1.6236焓52714.1kJ/(mol·K)密度251736kg/m3热导率27156W/(mol·K)多晶镁电阻率204.46×10-8?·m热扩散率270.874cm2/s多晶镁杨氏模量2545GPa电化学位-2.37V25℃下，镁是密排六方结构，晶格常数a=0.32049nm，c=0.52107nm；晶胞的轴比c/a=1.6236，在配位数等于12时，原子半径为0.162nm，其晶体结构如图1.1所示。图1.1 金属镁的晶体结构Fig.1.1ThecrystalstructureofMagnesium1.1.2镁合金的性能特征镁的室温塑性很差，纯镁的强度和硬度很低，故不能直接用作结构材料，其主要力学性能见表1.2 所示。因此，工程上所应用的几乎都是镁合金材料。表1.2 纯镁的主要力学性能[4]Table1.2Mechanicalpropertiesofpuremagnesium抗拉强度屈服强度弹性模量伸长率断面收缩率硬度σb/MPaσs/MPaE/GPaδ/%ψ/%HBS11.52.545893020.09.04511.512.536加工状态铸态变形态镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，常用镁合金的密度通常介于1.4g/cm3和1.9g/cm3之间，分别为铝合金和钢铁的2/3和1/4[5,6,7]。虽然镁合金的强度、弹性模量比铝合金、合金钢低，但其比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则与铝合金和钢大致相当[8,9]。与铝合金具有相同刚度的镁合金构件，其重量约减轻了25%[10]。虽然工程塑料，尤其是纤维增强塑料的比强度最高，但其弹性模量很小，比刚度远小于镁合金，且工程塑料难以回收利用。因此，用镁合金制造刚性要求高的结构材料零件比工程塑料更适宜，表1.3 给出了镁合金与一些常用的工程材料的性能比较。表1.3 镁合金与铸造铝合金、工程塑料、铸铁和钢板的性能比较Table1.3PropertiescomparisonoftheMagnesiumAlloywithCastAluminiumAlloy,Engineering Plastics,CastIronandSteelPlate材料ρ/g.cm-3E/GPaE/ρσ/MPaσ/ρα/Wm-1k-1减震系数铸铁7.1518024.3200-40027-548010-17%钢7.821027200-50027-6446-铝合金2.77025.9200-35073-1282472-5%塑料1.13-215-2510-12.5100-25050-16720-50-镁合金1.74-1.904524-26180-30011860%1.1.3镁合金的分类镁合金一般按照合金的化学成份、成形工艺及合金中是否含有锆三个标准来分类：按照合金的化学成份，镁合金可分为二元、三元或多元合金。一般地依据镁与其中的一个主要合金元素将镁合金化分为Mg-Al，Mg-Mn，Mg-Zn，Mg-RE, Mg-Ag，Mg-