2002含锆镁合金系中的合金相
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晶体。
Mg - Zr 二 元合金相图如 图 1 所示, 其中虚线 表示界限尚不确定( 以下同) , 相图富镁端系包晶型。 冷却时从液体中结晶出锆质点, 包晶温度时, 锆质点 与液体相互作用先生成富锆的固溶体, 此过程一直 进行到残余液体中锆含量减少到下限时为止。由于
锆质点及富锆固溶体首先成核, 而锆的晶格常数( a = 0. 323nm, c= 0. 514nm) 与镁( a= 0. 321nm, c= 0. 521nm) 非常接近, 因而过冷液体中这些优先形成 的含锆质点可以作为异质形核核心而使镁晶粒得到 细化。需要指出的是, 并非加入合金中的锆均能起 细化晶粒的作用, 只有在浇注时溶于液体金属中的 锆才对铸造金属的晶粒有细化作用。Ca 是镁合金 中组织 细 化 最有 效 的 合金 元 素 之 一[ 3] 。 研究 表 明[ 4] , Zr 和 Ca 联合加入到镁合金中( 如阻燃镁合金 Mg - Y- Ca- Zr 和 Mg - Zn- Ca- Zr) , 可以使合 金显著细化, 这是因为 Ca 促进了 Zr 在镁熔体中的 溶解。当金属液中存在铝、硅、铁、氢等杂质时, 锆可 能和这些元素结合生成高熔点金属间化合物从镁液
为了解决 M g- Zn- Zr 合金锌含量高而给工艺 上带来的困难, 可以采取牺牲强度来达到改善合金 工艺 性的目的, 如降低锌含量, 或添加稀 土金属或 钍, 从而形成了 Mg - Zn- RE - Zr 和 Mg - Zn- T h - Zr 系合金。添加 RE 或 T h 后, 由于形成了 M gZ n- RE( T h) 化合物, 固溶体中锌含量大大降低, 从 而使合金热裂、显微疏松倾向大为改善。但也正是
-
-
1120 MgZn2 & 1010 Mg; 密 排 六 方 结 构, a =
0. 52nm, c= 0. 848nm; 2%的大量析出使合金开始发
生过时效[ 10] 。
过时效生成的平衡非共格析出相 M g2Zn3 属三 角晶系, a= 1. 724nm , b= 1. 445nm, c= 0. 52nm, = 138∋。但是, Mg - Zn二元合金难 以晶粒细化, 易
52
兵器材料科学与工程
第 25 卷
图 2 M g- Zn 二元合金相图[ 6, 7]
- M g7 Zn3 - M gZn - M g2Zn3 !- M gZn5 ∀- M gZn2
于形成微孔洞, 因而不用于商业铸件或变形产品。 M g- Zn 合金中一般添加含量大于 0. 5% 的锆。
M g- Zn- Zr 合 金铸造组织为镁固溶体和 Mg - Zn 块状 化 合物, 并 可能 存 在 Zn3Zr2 金 属间 化 合 物。 Z n3Zr2 金属间化合物可能在熔铸过程中由于不合适
1 M g- Zr 系
锆在液态镁中的最大固溶度为 0. 6% 。锆对镁
的铸造组织有显著的细化作用。但只以锆合金化的
镁合金往往强度达不到要求, 因此锆通常是作为晶 粒细化剂 添加到 其它合 金系 ( M g - Zn、M g - RE、 Mg- T h、M g - Ag ) 中与 其它合 金元 素一起 使用。 目前, 只以锆合金化得到商业化应用的 Mg - Zr 合 金只有 K1A 这一种牌号的铸造镁合金, 主要是应用 其优异的阻尼性能在铸态下使用[ 1] 。Mg - Zr 合金 的组织为镁固溶体以及镁晶粒内少量分布的细小锆
( 1. 重庆大学 材料科学与工程学院, 重庆 400044; 2. U niversity o f L ondon)
摘 要: 根据镁合金中主要合金元素的种类、作用以及合 金组织、性 能主特征 , 分 析归纳 了含锆镁 合金的 主要合 金 体系, 重点综述了 M g - Zr、M g - Zn- Zr、M g- RE- Zr 和 M g - T h- Zr 等合 金系中 合金相 的种类 和形成 规律, 分 析讨论了合金相的研究现状和对若干性能的影响。
GP 区 呈 圆 盘 状, 与 基 体 完 全 共 格, 盘 平 行 于
{ 0001} M g;
% 1
呈棒
状,
与 基体 完全 共格,
棒 垂 直于
{0001} M g; 密排六方结构, a= 0. 52nm, c= 0. 85nm;
该相的析出对应于合金的时效硬化峰值; 2%呈圆盘
状, 与 基 体 半 共 格, 盘 平 行 于 { 0001 } M g,
组成稍 有 差 异,
分 别为
M g 7Zn3[ 6]
和
M
g
51
Zn2
[ 0
7]
,
M g/ Zn 之比大致在 2. 3~ 2. 4 之间。
L. Y . Wei[ 8] 对 M g - 9Zn 二元合金铸态组织的
研究表明, 合金中的共晶相主要为 M g51Zn20; 另外还
∃ M g2Zn3 这里, SSSS 表示过饱和固溶体( 以下同) ; 其中,
铸 造
K1A
Zn Mn
ZK51A 3. 8~ 5. 3
ZK61A 5. 7~ 6. 3
铸 造
ZE41A 3. 7~ 4. 8 0. 15
ZE63A( a) 5. 5~ 6. 0
M g- Zn
ZH62A( a) 5. 2~ 6. 2 ZK21A 2. 0~ 2. 6
ZK 31( b) 2. 5~ 3. 5 变 形 ZK40A 3. 5~ 4. 5
的熔炼或熔体转移技术而形成, 也可能在铸造过程 中由于异常的慢冷而形成。M g- Zn- Zr 合金属高 强度镁合金, 一般锌含量不超过 6% ~ 6. 5% , 也有锌 含量高达 9% 的铸造合金。随锌含量增加, 抗拉强度 和屈服强度提高, 延伸率略有下降, 铸造性能、工艺 塑性和焊接性能恶化。铸造 Mg - Zn- Zr 三元合金 典型牌号有 ZK51A, ZK61A, 变形合金有 ZK21A, Z K31, ZK 40A , ZK60A , ZK 61[ 11, 12] 。
注: ( a) 取自 A STM B 80; ( b) 取自 CS A H G. 5; ( c) 取自 CSA HG. 9; ( d) 取自 A STM 275。其它铸造合金均取自 A STM B 93; 其它变形合 金均取自 AS TM B 275。未指明时, 均指最大含量。
有合金凝固冷却过程中由 M g51Zn20化合物分解而来 的 MgZn 相和 MgZn2 相。合金经 315 # 、4h 固溶处 理后, M g51Zn20完全分解形成与 MgZn2L aves 相晶体 结构相同的中间相。M g51 Zn20 具有体心正 交点阵, 空间 群为 Immm, 晶格 常 数 a = 1. 408 3nm, b = 1. 448 6nm, c= 1. 402 5nm。
0. 05~ 0. 10 0. 01
0. 30
1. 5~ 4. 0 0. 40~ 1. 0
0. 03 0. 005 0. 01 4. 75~ 5. 5Y
0. 30
2. 4~ 4. 4 0. 3~ 1. 0
0. 03 0. 005 0. 01 3. 7~ 4. 3Y 0. 2
0. 3
1. 9~ 2. 4 0. 3~ 1. 0 2. 0~ 3. 0
0. 002
0. 02
∀ 0. 45
0. 10 0. 01
0. 30
∀ 0. 45
0. 30
0. 6~ 1
0. 01
2. 5~ 4. 0 0. 20
0. 10 0. 01
0. 30
2. 5~ 4. 0 0. 50~ 1. 0
0. 10 0. 01
0. 30
1. 5~ 3. 0 0. 3~ 1. 0 1. 3~ 1. 7
锆是镁合金中有效的晶粒细化剂, 除含铝、锰的 镁合金外, 其它镁合金中一般都添加锆以细化晶粒。 根据镁合金中主要合金元素的种类, 对镁合金组织、 性能的作用及影响程度, 以及合金组织、性能的主要 特征, 将含锆镁合金 归为 Mg - Zr, M g - Zn - Zr, M g- RE- Zr 和 Mg - T h- Zr 等四大类系; 重点介 绍了这四大类系中合金相方面的研究现状, 综述了 合金元素作用下合金相的形成和形态的变化进而对 性能产生的影响。本文所提及的各合金系中主要合 金牌号( 铸造镁合金和/ 或变形镁合金) 的化学成分 如表 1 所示。
0. 03 0. 010
0. 30
0. 6~ 1. 6 0. 3~ 1. 0 2. 0~ 3. 0 1. 0
0. 30 0. 010 0. 01
0. 30
0. 40~ 1. 0
2. 5~ 4. 0 0. 10 0. 01
0. 30
0. 10 0. 3~ 1. 0
2. 6~ 3. 8 0. 03 0. 010
M g- Zn 合金在时效过程中有共格 GP 区和半 共格中间沉淀相形成, 其时效析出序列为[ 9] :
SSSS ∃ GP zones ∃ 1%( M gZn2) ∃ 2%( MgZn2)
图 1 M g- Zr 二元合金相图[ 2]
2 M g- Zn 系和 M g- Zn- Zr 系
锌是镁合金中重要的合金元素。锌在镁中的固
关键词: 镁合金; 相图; 化合物; 合金元素; 组织 中图分类号: T G 146. 22 文献标识码: A 文章编号: 1004 244X( 2002) 06 0050 07
能源、环保问题促使材料工作者和产品设计师 在材料合成、加工和产品设计的全过程中越来越重 视产品的轻量化问题。镁合金具有重量轻, 高的比 强度、比刚度, 优良的阻尼防震性能, 高的尺寸稳定 性, 良好的机械加工性能等一系列优点; 而且镁在地 球上的储量丰富、易于回收利用, 因而受到材料工作 者的青睐, 日益成为现代工业产品的理想材料。镁 被喻为 21 世纪的绿色环保工程材料。目前在世界 范围内正在兴起一股镁合金热。许多国家都实施了 镁合金的大型联合开发计划, 旨在提高镁合金的性 能、研制新型镁合金、扩大镁合金在民用产品上的应 用范围。新型镁合金和镁合金生产新技术不断被开 发出来。可以预见, 镁合金必将得到愈来愈广泛的 应用。
Mg- Th
铸 HK31A( a) 0. 30 造 HZ32A 1. 8~ 2. 4
化学成分/ %
RE
Zr
Ag
Th
Cu
Ni Si 其它 其它每种杂质 其它杂质
0. 3~ 1. 0
0. 30 0. 010 0. 01
0. 30
0. 3~ 1. 0
0. 03 0源自文库 010
0. 30
0. 3~ 1. 0
0. 03 0. 010 0. 01
第 25 卷 第 6 期 2002 年 11 月
兵器材料科学与工程 ORD NA N CE M A TER IAL SCIEN CE A N D ENG IN EERIN G
Vol. 25 No . 6 Nov. 2002
含锆镁合金系中的合金相
张 静1, 潘复生1, 郭正晓2, 丁培道1, 汪凌云1
ZK60A 4. 8~ 6. 2
ZK61( c) 5. 5~ 6. 5
EK30A( d) ∀0. 30
Mg- RE
EZ33A( a) 2. 0~ 3. 1
铸 造
EQ 21A
WE54 0. 20 0. 15
WE43 0. 20 0. 15
Mg- Ag
铸 QE22A 造 QH21A
0. 2 0. 2
0. 15 0. 15
溶度为 6. 2% , 除了起固溶强化作用外, 时效硬化也
是很有效的。锌还可以消除镁合金中铁、镍等杂质 元素对腐蚀性能的不利影响[ 5] 。文献中发表的 Mg
- Zn 二元合金相图有两种不同的形式, 图 2 是其中 一种[ 6, 7] 。其不同之处主要表现在相区富镁端的共
晶温度和共晶化合物的存在范围上; 共晶化合物的
0. 30
1. 0~ 1. 75 0. 3~ 1. 0
0. 03 0. 010
0. 30
2. 1~ 3. 0 0. 4~ 1. 0
0. 10 0. 01
0. 30
0. 5~ 1. 0
1. 4~ 2. 2 0. 10 0. 01
0. 30
0. 45~ 0. 8
0. 10 0. 01
0. 30
0. 5~ 1
中沉淀出来。
收稿日期: 2002- 05- 27; 修订日期: 2002- 09- 10 基金项目: 国家 863! 计划资助项目( 2001A A331050) 作者简介: 张 静, 31 岁, 博士, 助理研究员
第6期
张 静等: 含锆镁合金系中的合金相
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表 1 含锆镁合金的化学成分
合金
Mg- Zr
Mg - Zr 二 元合金相图如 图 1 所示, 其中虚线 表示界限尚不确定( 以下同) , 相图富镁端系包晶型。 冷却时从液体中结晶出锆质点, 包晶温度时, 锆质点 与液体相互作用先生成富锆的固溶体, 此过程一直 进行到残余液体中锆含量减少到下限时为止。由于
锆质点及富锆固溶体首先成核, 而锆的晶格常数( a = 0. 323nm, c= 0. 514nm) 与镁( a= 0. 321nm, c= 0. 521nm) 非常接近, 因而过冷液体中这些优先形成 的含锆质点可以作为异质形核核心而使镁晶粒得到 细化。需要指出的是, 并非加入合金中的锆均能起 细化晶粒的作用, 只有在浇注时溶于液体金属中的 锆才对铸造金属的晶粒有细化作用。Ca 是镁合金 中组织 细 化 最有 效 的 合金 元 素 之 一[ 3] 。 研究 表 明[ 4] , Zr 和 Ca 联合加入到镁合金中( 如阻燃镁合金 Mg - Y- Ca- Zr 和 Mg - Zn- Ca- Zr) , 可以使合 金显著细化, 这是因为 Ca 促进了 Zr 在镁熔体中的 溶解。当金属液中存在铝、硅、铁、氢等杂质时, 锆可 能和这些元素结合生成高熔点金属间化合物从镁液
为了解决 M g- Zn- Zr 合金锌含量高而给工艺 上带来的困难, 可以采取牺牲强度来达到改善合金 工艺 性的目的, 如降低锌含量, 或添加稀 土金属或 钍, 从而形成了 Mg - Zn- RE - Zr 和 Mg - Zn- T h - Zr 系合金。添加 RE 或 T h 后, 由于形成了 M gZ n- RE( T h) 化合物, 固溶体中锌含量大大降低, 从 而使合金热裂、显微疏松倾向大为改善。但也正是
-
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1120 MgZn2 & 1010 Mg; 密 排 六 方 结 构, a =
0. 52nm, c= 0. 848nm; 2%的大量析出使合金开始发
生过时效[ 10] 。
过时效生成的平衡非共格析出相 M g2Zn3 属三 角晶系, a= 1. 724nm , b= 1. 445nm, c= 0. 52nm, = 138∋。但是, Mg - Zn二元合金难 以晶粒细化, 易
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兵器材料科学与工程
第 25 卷
图 2 M g- Zn 二元合金相图[ 6, 7]
- M g7 Zn3 - M gZn - M g2Zn3 !- M gZn5 ∀- M gZn2
于形成微孔洞, 因而不用于商业铸件或变形产品。 M g- Zn 合金中一般添加含量大于 0. 5% 的锆。
M g- Zn- Zr 合 金铸造组织为镁固溶体和 Mg - Zn 块状 化 合物, 并 可能 存 在 Zn3Zr2 金 属间 化 合 物。 Z n3Zr2 金属间化合物可能在熔铸过程中由于不合适
1 M g- Zr 系
锆在液态镁中的最大固溶度为 0. 6% 。锆对镁
的铸造组织有显著的细化作用。但只以锆合金化的
镁合金往往强度达不到要求, 因此锆通常是作为晶 粒细化剂 添加到 其它合 金系 ( M g - Zn、M g - RE、 Mg- T h、M g - Ag ) 中与 其它合 金元 素一起 使用。 目前, 只以锆合金化得到商业化应用的 Mg - Zr 合 金只有 K1A 这一种牌号的铸造镁合金, 主要是应用 其优异的阻尼性能在铸态下使用[ 1] 。Mg - Zr 合金 的组织为镁固溶体以及镁晶粒内少量分布的细小锆
( 1. 重庆大学 材料科学与工程学院, 重庆 400044; 2. U niversity o f L ondon)
摘 要: 根据镁合金中主要合金元素的种类、作用以及合 金组织、性 能主特征 , 分 析归纳 了含锆镁 合金的 主要合 金 体系, 重点综述了 M g - Zr、M g - Zn- Zr、M g- RE- Zr 和 M g - T h- Zr 等合 金系中 合金相 的种类 和形成 规律, 分 析讨论了合金相的研究现状和对若干性能的影响。
GP 区 呈 圆 盘 状, 与 基 体 完 全 共 格, 盘 平 行 于
{ 0001} M g;
% 1
呈棒
状,
与 基体 完全 共格,
棒 垂 直于
{0001} M g; 密排六方结构, a= 0. 52nm, c= 0. 85nm;
该相的析出对应于合金的时效硬化峰值; 2%呈圆盘
状, 与 基 体 半 共 格, 盘 平 行 于 { 0001 } M g,
组成稍 有 差 异,
分 别为
M g 7Zn3[ 6]
和
M
g
51
Zn2
[ 0
7]
,
M g/ Zn 之比大致在 2. 3~ 2. 4 之间。
L. Y . Wei[ 8] 对 M g - 9Zn 二元合金铸态组织的
研究表明, 合金中的共晶相主要为 M g51Zn20; 另外还
∃ M g2Zn3 这里, SSSS 表示过饱和固溶体( 以下同) ; 其中,
铸 造
K1A
Zn Mn
ZK51A 3. 8~ 5. 3
ZK61A 5. 7~ 6. 3
铸 造
ZE41A 3. 7~ 4. 8 0. 15
ZE63A( a) 5. 5~ 6. 0
M g- Zn
ZH62A( a) 5. 2~ 6. 2 ZK21A 2. 0~ 2. 6
ZK 31( b) 2. 5~ 3. 5 变 形 ZK40A 3. 5~ 4. 5
的熔炼或熔体转移技术而形成, 也可能在铸造过程 中由于异常的慢冷而形成。M g- Zn- Zr 合金属高 强度镁合金, 一般锌含量不超过 6% ~ 6. 5% , 也有锌 含量高达 9% 的铸造合金。随锌含量增加, 抗拉强度 和屈服强度提高, 延伸率略有下降, 铸造性能、工艺 塑性和焊接性能恶化。铸造 Mg - Zn- Zr 三元合金 典型牌号有 ZK51A, ZK61A, 变形合金有 ZK21A, Z K31, ZK 40A , ZK60A , ZK 61[ 11, 12] 。
注: ( a) 取自 A STM B 80; ( b) 取自 CS A H G. 5; ( c) 取自 CSA HG. 9; ( d) 取自 A STM 275。其它铸造合金均取自 A STM B 93; 其它变形合 金均取自 AS TM B 275。未指明时, 均指最大含量。
有合金凝固冷却过程中由 M g51Zn20化合物分解而来 的 MgZn 相和 MgZn2 相。合金经 315 # 、4h 固溶处 理后, M g51Zn20完全分解形成与 MgZn2L aves 相晶体 结构相同的中间相。M g51 Zn20 具有体心正 交点阵, 空间 群为 Immm, 晶格 常 数 a = 1. 408 3nm, b = 1. 448 6nm, c= 1. 402 5nm。
0. 05~ 0. 10 0. 01
0. 30
1. 5~ 4. 0 0. 40~ 1. 0
0. 03 0. 005 0. 01 4. 75~ 5. 5Y
0. 30
2. 4~ 4. 4 0. 3~ 1. 0
0. 03 0. 005 0. 01 3. 7~ 4. 3Y 0. 2
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1. 9~ 2. 4 0. 3~ 1. 0 2. 0~ 3. 0
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∀ 0. 45
0. 10 0. 01
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∀ 0. 45
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2. 5~ 4. 0 0. 20
0. 10 0. 01
0. 30
2. 5~ 4. 0 0. 50~ 1. 0
0. 10 0. 01
0. 30
1. 5~ 3. 0 0. 3~ 1. 0 1. 3~ 1. 7
锆是镁合金中有效的晶粒细化剂, 除含铝、锰的 镁合金外, 其它镁合金中一般都添加锆以细化晶粒。 根据镁合金中主要合金元素的种类, 对镁合金组织、 性能的作用及影响程度, 以及合金组织、性能的主要 特征, 将含锆镁合金 归为 Mg - Zr, M g - Zn - Zr, M g- RE- Zr 和 Mg - T h- Zr 等四大类系; 重点介 绍了这四大类系中合金相方面的研究现状, 综述了 合金元素作用下合金相的形成和形态的变化进而对 性能产生的影响。本文所提及的各合金系中主要合 金牌号( 铸造镁合金和/ 或变形镁合金) 的化学成分 如表 1 所示。
0. 03 0. 010
0. 30
0. 6~ 1. 6 0. 3~ 1. 0 2. 0~ 3. 0 1. 0
0. 30 0. 010 0. 01
0. 30
0. 40~ 1. 0
2. 5~ 4. 0 0. 10 0. 01
0. 30
0. 10 0. 3~ 1. 0
2. 6~ 3. 8 0. 03 0. 010
M g- Zn 合金在时效过程中有共格 GP 区和半 共格中间沉淀相形成, 其时效析出序列为[ 9] :
SSSS ∃ GP zones ∃ 1%( M gZn2) ∃ 2%( MgZn2)
图 1 M g- Zr 二元合金相图[ 2]
2 M g- Zn 系和 M g- Zn- Zr 系
锌是镁合金中重要的合金元素。锌在镁中的固
关键词: 镁合金; 相图; 化合物; 合金元素; 组织 中图分类号: T G 146. 22 文献标识码: A 文章编号: 1004 244X( 2002) 06 0050 07
能源、环保问题促使材料工作者和产品设计师 在材料合成、加工和产品设计的全过程中越来越重 视产品的轻量化问题。镁合金具有重量轻, 高的比 强度、比刚度, 优良的阻尼防震性能, 高的尺寸稳定 性, 良好的机械加工性能等一系列优点; 而且镁在地 球上的储量丰富、易于回收利用, 因而受到材料工作 者的青睐, 日益成为现代工业产品的理想材料。镁 被喻为 21 世纪的绿色环保工程材料。目前在世界 范围内正在兴起一股镁合金热。许多国家都实施了 镁合金的大型联合开发计划, 旨在提高镁合金的性 能、研制新型镁合金、扩大镁合金在民用产品上的应 用范围。新型镁合金和镁合金生产新技术不断被开 发出来。可以预见, 镁合金必将得到愈来愈广泛的 应用。
Mg- Th
铸 HK31A( a) 0. 30 造 HZ32A 1. 8~ 2. 4
化学成分/ %
RE
Zr
Ag
Th
Cu
Ni Si 其它 其它每种杂质 其它杂质
0. 3~ 1. 0
0. 30 0. 010 0. 01
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第 25 卷 第 6 期 2002 年 11 月
兵器材料科学与工程 ORD NA N CE M A TER IAL SCIEN CE A N D ENG IN EERIN G
Vol. 25 No . 6 Nov. 2002
含锆镁合金系中的合金相
张 静1, 潘复生1, 郭正晓2, 丁培道1, 汪凌云1
ZK60A 4. 8~ 6. 2
ZK61( c) 5. 5~ 6. 5
EK30A( d) ∀0. 30
Mg- RE
EZ33A( a) 2. 0~ 3. 1
铸 造
EQ 21A
WE54 0. 20 0. 15
WE43 0. 20 0. 15
Mg- Ag
铸 QE22A 造 QH21A
0. 2 0. 2
0. 15 0. 15
溶度为 6. 2% , 除了起固溶强化作用外, 时效硬化也
是很有效的。锌还可以消除镁合金中铁、镍等杂质 元素对腐蚀性能的不利影响[ 5] 。文献中发表的 Mg
- Zn 二元合金相图有两种不同的形式, 图 2 是其中 一种[ 6, 7] 。其不同之处主要表现在相区富镁端的共
晶温度和共晶化合物的存在范围上; 共晶化合物的
0. 30
1. 0~ 1. 75 0. 3~ 1. 0
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0. 10 0. 01
0. 30
0. 5~ 1. 0
1. 4~ 2. 2 0. 10 0. 01
0. 30
0. 45~ 0. 8
0. 10 0. 01
0. 30
0. 5~ 1
中沉淀出来。
收稿日期: 2002- 05- 27; 修订日期: 2002- 09- 10 基金项目: 国家 863! 计划资助项目( 2001A A331050) 作者简介: 张 静, 31 岁, 博士, 助理研究员
第6期
张 静等: 含锆镁合金系中的合金相
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表 1 含锆镁合金的化学成分
合金
Mg- Zr