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镁合金热处理工艺及研究现状
摘要:镁合金具有较高的比刚度、比强度、良好的电磁屏蔽性、减振性能和散热性能,是最轻的结构金属材料之一,在航空航天领域具有广泛的应用前景。本文综述了镁合金热处理工艺及其研究现状。
关键词:镁合金 热处理  研究现状
多数镁合金都可通过热处理来改善或调整材料的力学性能和加工性能。镁合金能否通过热处理强化完全取决于合金元素的固溶度是否随温度变化。当合金元素的固溶度随温度变化时,镁合金可以进行热处理强化。镁合金的常规热处理工艺分为退火和固溶时效两大类。
镁合金热处理强化的特点是:合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢,因此固溶和时效处理时需要保持较长的时间。另外,镁合金在加热炉中应保持中性气氛或通入保护气体以防燃烧。
一、 退火
退火可以显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性,对某些后续加工有利。变形镁合金根据使用要求和合金性质,可采用高温完全退火(O)和低温去应力退火(T2)。
完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应,恢复和提高其塑性,以便进行后续变形加工。完全退火时一般会发生再结晶和晶粒长大,所以温度不能过高,时间不能太长。当镁合金含稀土时,其再结晶温度升高。AM60、AZ31、AZ61、AZ60 合金经热轧或热挤压退火后组织得到改善。去应力退火既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力,也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。
二、固溶和时效
1、固溶处理
要获得时效强化的有利条件,前提是有一个过饱和固溶体。先加热到单相固溶体相区内的适当温度,保温适当时间,使原组织中的合金元素完全溶入基体金属中,形成过饱和固溶体,这个过程就称为固溶热处理。由于合金元素和基体元素的原子半径和弹性模量的差异,使基体产生点阵畸变。由此产生的应力场将阻碍位错运动,从而使基体得到强化。固溶后屈服强度的增加将与加入溶质元素的浓度成二分之一次方比。
根据Hmue-Rothery规则,如果溶剂与溶质原子的半径之差超过14%~15%,该种溶剂在此种溶质中的固溶度不会很大。而Mg的原子直径为3.2nm,则Li,Al,Ti, Cr,Zn,Ge,Yt,Zr,Nb,Mo,Pd,Ti,Pb,Bi等元素可能在Mg中会有显著的固溶度。另外,若给定元素与Mg的负电性相差很大,例如当Gordy定义的负电性值相差0.4以上(即∣xMg-x∣>0.4)时,也不可能有显著的固溶度。因为此时Mg和该元素易形成稳定的化合物,而非固溶体。
2、人工时效
沉淀强化是镁合金强化(尤指室温强度)的一个重要机制。在合金中,当合金元素的固溶度随着温度的下降而减少时,便可能产生时效强化。将具有这种特征的合金在高温下进行固溶处理,得到不稳定的过饱和固溶体,然后在较低的温度下进行时效处理,即可产生弥散的沉淀相。滑动位错与沉淀相相互作用,使屈服强度提高,镁合金得到强化:
Tyield=(2aGb)/L+τa (1)
式中Tyield为沉淀强化合金的屈服强度;τa为没有沉淀的基体的屈服强度;(2aGb/L)为在沉淀之间弯出位错所需的应力。
由于具有较低的扩散激活能,绝大多数镁合金对自然时效不敏感,淬火后能在室温下长期保持淬火状态。部分镁合金经过铸造或加工成形后不进行固溶处理而是直接进行人工时效。这种工艺很简单,可以消除工件的应力,略微提高其抗拉强度。对Mg-Zn系合金就常在热变形后直接人工时效以获得时效强化效果,即可获得T5状态加工产品。
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