镁合金强韧化方法的研究进展

“强韧化机理研究”资料合集目录一、Mg4Al15Si镁合金的组织细化与强韧化机理研究二、AZ31镁合金合金化及外场细晶强韧化机理研究三、G50超高强度钢强韧化机理研究四、电热力耦合场下AlMgSi合金的组织演变及强韧化机理研究五、Mg4Al15Si镁合金的组织细化与强韧化机理研究六、960MPa高强钢金属粉芯型药芯焊丝及焊缝金属强韧化机理研究Mg4Al15Si镁合金的组织细化与强韧化机理研究镁合金作为一种轻质、高强度的材料，在航空、汽车和电子产品等领域得到了广泛应用。

然而，镁合金的塑性较差，韧性不足，限制了其进一步的应用和发展。

为了解决这一问题，研究者们提出了多种方法，其中之一就是通过添加合金元素来改善镁合金的性能。

在此背景下，Mg4Al15Si镁合金作为一种新型的镁合金，受到了广泛。

本文将重点探讨Mg4Al15Si镁合金的组织细化与强韧化机理。

Mg4Al15Si镁合金是一种含有少量硅元素的镁铝合金。

硅元素的加入可以有效地细化镁合金的组织，提高其力学性能。

这是因为硅元素在镁合金熔体中具有较大的密度，可以产生强烈的重力作用，使得熔体中的非金属杂质和气体被有效地去除，从而得到更加纯净的镁合金熔体。

同时，硅元素的加入还可以改变镁合金的结晶过程，使其组织更加细小、均匀。

除了硅元素的添加外，Mg4Al15Si镁合金的强韧化机理也是研究的重点。

通过研究发现，Mg4Al15Si镁合金的强韧化主要得益于以下几个因素：固溶强化：铝元素的加入可以形成固溶强化效应，提高镁合金的强度。

这是因为在镁合金中添加铝元素后，铝原子会替代部分镁原子，从而产生固溶强化作用。

相变强化：Mg4Al15Si镁合金在冷却过程中会发生相变，生成α-Mg 基体和Mg-Al-Si相。

相变过程中会引入大量的界面，阻碍位错的运动，从而提高镁合金的强度。

细晶强化：通过添加硅元素细化Mg4Al15Si镁合金的组织，使晶粒尺寸减小，晶界数量增加，阻碍位错的运动，从而提高镁合金的强度和韧性。

用 手 提 砂 轮 机 轻 轻 磨 平 补 焊 区 域 ，采 用 便 携 式 布 氏硬 度 计 锤 击 三 个 点 ，将 焊 补 区 硬 度 值 与 铸 钢 件 本 身 硬 度 值 进 行 比较 。如 果 两 个 区 域 的硬 度
值相 近 ，则说 明氧一 乙 炔 回 火 处 理 基 本 成 功 ；如
陷 的 气 孔 可 视 为铸 造 缺 陷 的气 孔 评 定 。但 一 般 工 况 阀 门 的订 货 合 同 中 ， 通 常 都 不 标 注 阀 门铸 件 等 级 ， 更 少 在 合 同 中注 明 缺 陷补 焊 后 的 合 格 等 级 ，
气工业一 含Ｈ Ｓ 的 使 用 和 天 然 气 生产 环 境 中所 使 用
基 体 、热 影 响 区 和 焊 补 区硬 度 保 持 在 材 料 规 定 的
最 高硬 度 范 围 内才 可 使 用 。 碳 钢 、低 合 金 钢 承 压 铸 钢 件 经 热 处 理 后 的本 身硬 度 值 一 般 设 计 在 １ ４ ０ ￣２ ０ ０ ＨＢＷ ，铸 件 硬 度 太 低 或 太 高 都 不 利 于 机 加 工 作 业 。缺 陷焊 补 后 如 焊 补 区 硬 度 过 高 ， 会 使 其 塑 性 下 降 、 强 度 增 高 ， 降 低 阀 门等承 压 设 备 壳 体承 载 的安全 性 能 。
制 造 与 维 修 的 一 体 化 ， 推 进 这 项 可 持 续 发 展 的 再 制 造 工程 技 术 。
域 熔 敷 金 属 的 强度 很 高 ， 塑 性 变 差 ，补 焊 区 域 硬 度 高 ，机 加 工 时 易 导 致 刀 具 崩 裂 。若 母 材 和 熔 敷
金 属 性 能 不 一 致 ， 还 容 易造 成 局 部 应 力 集 中 ， 出 现 补 焊 过 渡 交 界 的 明 显 痕 迹 。 因 此 ，补 焊 区域 需

重庆大学学报 （ 自然科学版） JOurnaI Of ChOngging University （ NaturaI Science EditiOn）
NOv. 2006 VOI. 29 NO. ll
文章编号： l000 - 582X （ 2006 ） ll - 008l - 04
AZ3l 镁合金的研究进展
［ 11 ， 20 ］ Mg - AI 系镁合金熔体中， 发生下列反应 ： MgCO3 = MgO + CO2 ， 2Mg + CO2 = 2MgO + C， 3C + 4AI = AI4 C3 . C 与 AI 生成大量弥散分布的 AI4 C3 ， AI4 C3 是高熔 ［ 19 ］
［ 8］ 组织为 ! （ Mg） + " （ Mgl7 AIl2 ） .
提高铸件强度 . 但 AI 可改善压铸件的可铸造性，
［ 9］ 是 Mgl7 AIl2 在晶界上析出会降低其抗蠕变性能 .
当含 AI 量 小 于 l0% 时， 随 着 含 AI 量 增 加， Mg - AI合金的抗拉强度提高， 伸长率则随着含 AI 量 增加先是提高然后下降 . AI 提高 Mg - AI 合金的强度 的原因是 AI 在 Mg 中的固溶强化作用及时效强化作 当 用 . 由于 AI 在 Mg 中的溶解度随温度降低而下降， 合金凝固或时效处理时， 过饱和固溶体中析出弥散、 平 （ Mgl7 AIl2 ） 强化相， 提高 Mg - AI 合金的强度 . " 衡的 "
Mpa 伸长率 /% 14 ~ 17 12
［ 6］ 性能，而且价格较低，因此是最常用的合金之一 ，
AZ31 镁合金的典型室温力学性能如表 2 所示 . AZ31 镁合金主要通过轧制、 挤压和锻造等变形方式加工成 形， 制成各类棒、 杆、 型材和管材 .

镁合金的强韧化研究新进展
I 行业发展 ndustry development
李士杰
（华北理工大学以升创新教育基地，河北 唐山 063210）
摘 要 ：镁合金是商业金属工程材料中最轻的，也可作为现代理想的结构材料使用，在电子技术通信和航空航天等领域有着非
常广泛的应用前景。因此，为了更好地扩展镁合金的应用领域，有必要提高镁合金的综合性质。本文主要介绍了变形镁合金的
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 ：σ=s
σ0
+
−1
Kd 2
，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
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
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高性能镁合金的研究进展摘要：镁合金是以镁为基体加入其它元素组成的合金，其密度小，比强度高，散热好，承受冲击载荷能力比铝合金大，被誉为“21 世纪绿色工程材料”。

目前，燃料资源的枯竭和CO2排放是学术界关注的重要问题。

在运输、军事、航天等领域中使用轻质材料可减少燃料消耗和环境问题。

本文主要对高性能镁合金的研究进展进行论述，详情如下。

关键词：高性能；镁合金；研究引言镁(Mg)是一种具有优异力学性能的结构材料，是加工和应用中表现出高性能的合适候选材料，尤其随着航空航天领域对轻质材料的需求不断增加，促进了镁基材料的开发研究。

然而，与其可替代材料，如铝合金和钢相比，镁合金虽作为最轻的轻质结构材料可大大减轻质量，但其强度低、塑性差、耐腐蚀性差等的缺点限制了其广泛应用。

1高强度铸造镁合金高性能铸造镁合金是变形镁合金的基础，目前，研究人员已经开发出了具有不同成分和性能的镁合金。

在纯镁中添加合金元素有助于改变其性质。

镁具有化学活性，可以与其他金属合金元素发生反应，形成金属间化合物，影响微观结构，从而影响镁合金的力学性能。

当前，研究者主要通过添加合金元素，利用固溶强化、析出强化等提升镁基体的力学性能。

2高性能镁合金的研究进展2.1等轴晶AZ80镁合金镁合金有相对高的强度和刚度，尺寸稳定性和阻尼性能较好，机加工性能优良等优势；在环保方面，镁合金更容易回收，可以减轻对环境的污染，所以作为轻质结构材料研究与开发的主要对象。

与传统的工程材料相比，镁合金的密排六方结构(HCP)和室温滑移系过少造成其室温成形能力差，主要表现为：强度低、塑韧性差和高性能较差，严重地限制了镁合金的实际应用。

采用大塑性变形工艺可以细化材料的晶粒以及改善材料的织构，进而提高镁合金的成形性能。

其中，等径角挤压工艺是目前应用最广泛的加工工艺。

相比于传统材料的模型结构，变形时镁合金晶体具有较低的对称性和较强的各向异性，此时，晶体塑性模拟成为镁合金等HCP金属微观变形机理研究的一个理想的理论平台。

现有文献 之不足 (mJm-2)
{0001}<1-100> {1-200}<11-20> {11-22}<11-23>
稳定层错能 （31-36） （221-99）
非稳定层错能 （84-99） （189-356） （463-1080）
柱面和锥面的数据波动非常大
弛豫参数
三、弛豫参数对广义层错能计算结果的影响
(0.7b) 1029 (0.7b) 503 (0.7b) 413
36 35 35
4
5
35
35
86
86
169
169
(0.3b) 243
(0.3b) 242
1200 1000
(0.5b) 184
(0.5b) 182
1 2 3 4 5
(0.7b) 393
(0.7b) 390
y方向的弛豫，不会影响基面和柱面。 但是对锥面有显著影响： 1、各最值点的位置。 2、各最值点的大小。
塑性较差的原因：非基面位错的开启非常困难。 Peierls认为，位错的形核，与非稳定层错能密切 相关。该值越小，位错形核越容易。
添加合金元素
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
促进非基面位错的开启
<11-23>
三、弛豫参数对广义层错能计算结果的影响
强度
一、选题背景和研究内容
前期
1、研究弛豫参数对广义层错能计算结果的影响， 并确定后续计算中的弛豫方案。 2、利用第一性原理，模拟合金元素对广义层 错能的影响（涉及到的滑移系包括：{0001}<1 0-10>、 {1-100}<11-20>、 {11-22}<11-23>）， 对I1层错能的影响，对裂纹形成能的影响。 3、基于模拟结果，讨论合金元素对变形模式 的影响。涉及到的内容包括：基面位错的运动 模式、非基面位错开启的难易程度、模式I下的 本征塑性。

镁合金的强韧化技术及其应用研究镁合金是一种轻质高强度的金属材料，由于其具有良好的机械性能和耐腐蚀性，被广泛应用于航空、汽车、电子等领域。

然而，它也存在着一些缺陷，如低的塑性和断裂韧性等，限制其在某些应用中的发挥。

为了提高镁合金的综合性能，研究人员开展了强韧化技术的研究，并在实践中取得了良好的效果。

本文将对镁合金的强韧化技术及其应用研究进行介绍。

一、强韧化技术强韧化是指通过某种方式使材料既具有较高的强度，同时又有较好的韧性和塑性。

目前，一些强韧化技术已经应用于镁合金的研究中，以提高其机械性能，包括以下几种：1.纳米颗粒强化通过在镁合金基体中添加纳米颗粒，能够有效的限制其晶粒生长，提升材料的强度和韧性。

据研究表明，纳米颗粒与基体之间存在着一种类似游离原子的相互作用，能够形成一种强化的区域，从而增强材料的力学性能。

2.形变诱导强化形变诱导强化是通过对材料进行多次形变处理，使其应变能够积累。

这种方法可以有效增加镁合金的位错数量和形变硬化度，从而提高其强度和韧性。

3.表面强化表面强化技术是指对镁合金表面进行处理，以提高其机械性能。

常用的表面处理方法包括化学沉积（如电沉积、化学氧化）、溅射法、离子注入等。

这些方法可以在镁合金表面形成一层保护膜，增加其耐腐蚀性和耐疲劳性。

4.热处理热处理是一种常见的强韧化技术，可以通过调整材料的晶体结构来提高其强度和韧性。

通常情况下，热处理需要在高温下对镁合金进行加热，形成一定的织构和位错，然后再进行冷却。

这样可以有效的消除材料内部的缺陷，从而提升其强度。

二、应用研究强韧化技术的应用研究主要集中在镁合金的汽车、航空等领域。

以下是一些典型的应用研究：1.汽车行业随着汽车工业的发展，对材料轻量化和强度提高的要求也越来越高。

镁合金作为一种轻质高强度材料，被广泛应用于汽车工业中。

其中，强韧化技术的应用是提高其机械性能的重要手段之一。

据报道，通过对镁合金进行热处理和化学处理，能够有效的提高其强度和韧性，从而用于汽车车身、引擎、传动等重要部件。

镁合金强韧化方法的研究进展摘要:镁合金是一种新兴的金属结构材料,具有很好的应用前景。

本文介绍了目前镁合金强韧化处理方法和研究现状,阐述了不同强韧化方法的特点及强化机理。

关键词:镁合金强化韧化镁合金是目前最轻的金属结构材料,具有高的比强度、比刚度、减振性、导热性、可切削加工性和可回收性,而且镁是自然界中分布最广的元素之一,金属中仅次于Al和Fe而占第三位,被人们誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”[1～3]。

强韧性较低是限制镁合金广泛应用的主要原因之一,因此提高镁合金的强韧性是目前镁合金研究的重点之一。

本文综述了近年来国内外提高铸造镁合金强韧化的方法。

1 合金化目前,提高铸造镁合金的强韧化的一个主要方法就是合金化,即向纯镁中添加合金化元素,利用固溶强化、沉淀硬化和弥散强化来提高合金的常温及高温性能[4～7]。

来提高镁的物理、化学和力学性能。

合金化设计从晶体学、原子的相对大小,以及原子价、电化学因素等[8]方面进行考虑,选择的合金化元素应在镁基体中有较高的固溶度,并且随着温度变化有明显的变化,在时效过程中合金化元素能形成强化效果比较突出的过渡相。

除了对力学性能进行优化外,还要考虑合金化元素对抗蚀性、加工性能及抗氧化性的影响。

根据合金化元素对二元镁合金机械性能的影响,可以将合金化元素分为三类[4～6]。

①提高强度韧性的(以合金元素作用从强到弱排序)。

Al,Zn,Ca,Ag,Ce,Ga,Ni,Cu,Th(以强度为评价指标)。

Th,Ga,Zn,Ag,Ce,Ca,Al,Ni,Cu(以韧性为评价指标)。

②能增强韧性而强度变化不大的,如Cd,Tl,Li。

③明显增强强度,而降低韧性的,如Sn,Pb,Bi,Sb。

[9]1.1 固溶强化[10]固溶强化是合金化元素(溶质)完全溶入基体金属(溶剂)中,溶质原子在溶剂晶格点阵处取代了溶剂原子,从而通过原子错排及溶质与溶剂原子之间弹性模量的不同而强化基体金属。

另外,如果溶质原子能提高合金熔点,增大弹性模量,减小原子的自扩散,则抗蠕变性也随之得到改善。

镁合金强韧化技术的研究进展0 前沿随着科学技术的快速发展，大规模生产的出现使金属材料的消耗量急剧上升，地球表壳的资源日趋贫化。

提高强韧化以节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命是可靠的路径。

希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础。

金属材料的的强化一般都是通过固溶强化、析出强化及弥散强化，细晶强化和热处理强化来提高合金的室温或高温力学性能。

韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的综合表现。

1. 镁合金的特点镁合金是目前实际应用中最轻的金属材料，它密度小且具有高的比强度、比刚度及良好的铸造、减震、切削加工和尺寸稳定等性能，早已引起航空和汽车工业的注意。

但是镁合金的强度、随着镁合金应用领域的扩大，镁合金的研究和开发不断深入，但镁合金的屈服强度和抗拉强度一般分别低于200、300MPa，镁合金的强度不高一直是扩大其应用范围的障碍。

所以，提高镁合金的室温及高温强度是镁合金研究中要解决的首要问题。

2. 镁合金的常用强韧化方法目前镁合金的强韧化方法主要以细晶强化、固溶强化、时效析出强化为基础，逐步发展了合金元素优化、热处理强韧化、形变强化和机械合金化等。

2.1 合金元素强化镁合金中合金元素的强化机制主要是固溶强化和第二相强化。

所谓固溶强化，就是根据原子尺寸、电子浓度、晶格类型和电化学性质等因素，镁和可形成合金的元素几乎只能形成有限固溶体，合金元素溶入到基体中，通过原子错排、溶质与溶剂原子弹性模量的差异而强化基体。

第二相强化：超过溶解度的合金元素会与镁形成中间相，有下列三种类型：AB 型，AB2 型，CaF2 型。

当合金元素在基体中的溶解度随温度降低而下降时，将从基体中析出第二相阻碍位错运动和滑移使屈服强度提高，产生析出强化(时效强化)。

第二相对镁基体力学性能的影响因其形态、大小、分布及所占比例而异。

太原理工大学博士学位论文铝镁系合金强韧性能及焊接性能研究姓名：***申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：***20080501高强高韧镁合金材料制备及性能的研究摘要镁合金作为21世纪最具生命力的新型环保结构材料，它的开发和应用对于实现人类可持续发展具有重要而深远的意义。

但是，镁合金的合金系统还较少，现有镁合金的力学性能还远远不能满足人们的需求。

本论文在现有镁合金系统的基础上，添加稀土元素，研究和开发了两种新型高强高韧镁合金材料，并对广泛应用的AZ31B镁合金的焊接冶金性能和焊接接头力学性能进行了深入研究。

在AZ31镁合金系统的基础上，加入微量合金元素钇Y，研究了钇Y 对AZ31合金的微观组织、室温力学性能和断裂机制的影响。

AZ31镁合金中加入钇Y后，形成块状Al2Y化合物，该合金组织由α-Mg固溶体+Mg17Al12+Al2Y相组成。

钇Y的加入使Mg-3Al-Zn合金系统韧性提高，铸造状态下的抗拉强度达到212 MPa，延伸率达到7%以上，拉伸断口出现撕裂棱和韧窝，使该合金系统的断裂机制由解理断裂转变为准解理断裂。

分析了稀土元素镧La对AZ91镁合金的改性作用及其作用机理。

稀土元素镧La的添加，可以有效地细化晶粒，使Mg17Al12相由原先连续、粗大的网状转变为细小的、致密的不连续状。

当镧La的添加量在0.2%左右、精炼温度为993K的条件下，能得到理想的合金性能、最少的合金损耗。

与国家标准AZ91镁合金材料比较，由于稀土元素镧La的添加，合金试样的硬度、冲击吸收功提高1倍以上，抗拉强度提高73%，延伸率提高了7倍。

探究了AZ31镁合金材料TIG自熔焊、填丝TIG焊和MIG焊的焊接冶金性能。

分析了三种焊接方法焊接裂纹产生原因及裂纹特征，AZ31B镁合金焊接热裂纹在接近焊缝中心处产生，裂纹向熔合区方向扩展，扩展速度很快并且过程中存在多次分叉裂纹，裂纹及其分叉都是沿晶扩展。

研究了AZ31镁合金及其焊接接头的基本力学性能。

新型高强度镁合金制备与加工技术研究进展新型高强度镁合金是近年来材料科学领域的研究热点之一。

其具有良好的飞行器零部件、汽车零部件、航空航天设备等领域的应用前景。

然而，高强度镁合金的制备与加工技术仍然面临一些挑战。

本文将对新型高强度镁合金的制备与加工技术研究进展进行综述。

首先，高强度镁合金的制备必须克服传统镁合金的一些缺点，例如低强度、低塑性和较高的腐蚀敏感性等。

研究人员通过添加合金元素或采用复合强化相的方法，成功地提高了镁合金的强度和塑性。

例如，通过添加稀土元素、铝、锌等合金元素，可以显著提高镁合金的强度和硬度。

同时，采用纳米颗粒、碳纤维等复合强化相也可进一步提高材料的强度和耐磨性。

此外，通过粉末冶金、快速凝固、等离子体喷涂等新工艺方法，可以得到均匀分布的强化相，提高材料的强度和塑性。

其次，高强度镁合金的加工技术也是制备优质材料的重要环节。

高强度镁合金具有较低的塑性和较高的弹性模量，传统的加工方法往往会导致材料的开裂和变形。

因此，开发适用于高强度镁合金的新型加工技术是目前的研究重点。

目前，研究人员已经成功研发了多种适用于高强度镁合金的加工方法。

例如，通过等离子弧焊、激光焊接等非传统焊接方法，可以实现高强度镁合金的精细焊接。

同时，采用轧制、挤压、拉伸等变形加工方法，可以有效地改善高强度镁合金的塑性和强度。

此外，采用热处理、沉淀强化等热处理方法，还可以进一步提高材料的强度和韧性。

最后，高强度镁合金的应用前景十分广阔。

飞行器零部件、汽车零部件、航空航天设备等领域对材料的强度、塑性和耐腐蚀性要求较高，而高强度镁合金可以满足这些要求。

例如，在航空航天领域，新型高强度镁合金可以用于制造飞机发动机零部件、航空发动机叶片等。

在汽车领域，高强度镁合金可以用于制造发动机缸体、底盘零部件等。

此外，高强度镁合金还可用于制造高速列车、高速船舶等领域的零部件，提高整体性能和降低重量。

综上所述，新型高强度镁合金的制备与加工技术是当前材料科学研究的热点之一。