先进镁合金制备与加工技术

出版时间：2012-6  出版社：科学出版社  作者：巫瑞智、张景怀、尹冬松  页数：384  字数：508500  
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内容概要

先进镁合金制备与加工技术总结了作者近几年在耐热镁合金、超轻镁锂合金、镁合金的先进加工技术和复合技术、镁合金腐蚀及其防护技术等方面的研究工作，同时对国内外近年来在这些方面的研究现状进行了综述。先进镁合金制备与加工技术内容共七章，分别对高强耐热镁合金、超轻镁锂合金、超塑性镁合金、镁合金复合技术、镁合金先进加工技术、镁合金腐蚀与防护等先进材料与先进技术进行了系统的论述。
先进镁合金制备与加工技术可作为高等院校、研究院所材料科学与工程、冶金工程、腐蚀与防护等相关领域的教师、研究工作者、研究生和工程技术人员的教学参考用书。

书籍目录

前言第1章 绪论1.1 镁的特性1.1.1 镁的物理化学性质1.1.2 镁的力学性能1.1.3 镁的化学性质1.2 镁——21世纪绿色工程材料1.2.1 丰富的镁资源1.2.2 性能和价格优势1.2.3 减重节能效应1.2.4 生物效应1.3 镁合金的发展概况1.3.1 镁和镁合金的发展简史1.3.2 镁合金存在的问题1.3.3 镁合金的发展方向1.3.4 镁合金的发展前景参考文献第2章 高强耐热镁合金2.1 合金元素对高强耐热镁合金的影响2.1.1 稀土元素2.1.2 碱土元素2.1.3 第Ⅳ、Ⅴ族元素2.2 高强耐热镁合金的分类及性能2.2.1 含稀土的高强耐热镁合金2.2.2 不含稀土的高强耐热镁合金2.3 新型高强耐热镁合金的设计思路2.4 新型高强耐热镁合金的研究开发2.4.1 Mg-Al-RE系压铸合金的研究开发2.4.2 Mg-RE-Zn系合金的研究开发2.4.3 Mg-RE基合金的研究开发参考文献第3章 超轻镁锂合金3.1 镁锂合金的性质3.2 镁锂合金的发展历程3.3 镁锂合金的发展现状3.4 镁锂合金的合金化研究3.4.1 Al、Zn对镁锂合金组织与性能的影响3.4.2 稀土元素对镁锂合金组织与性能的影响3.4.3 Ca对镁锂合金组织与性能的影响3.4.4 Ag对镁锂合金组织与性能的影响3.5 镁锂合金的时效特性研究3.6 典型镁锂合金的组织和性能3.6.1 Mg-5Li-3Al-2Zn-xRE(LAZ532)合金3.6.2 Mg-8Li-1Al-xY(LA81-xY)和Mg-8Li-3Al-xY(LA83-xY)合金3.6.3 Mg-8.5Li-xCe合金3.6.4 Mg-5.6Li-3.37Al-1.14Ce合金3.6.5 Mg-5.5Li-3.0Al-1.2Zn-1.0Ce合金3.6.6 Mg-16Li-5Al-xCe合金3.6.7 Mg-5Li-3Al-2Zn-xSn合金3.6.8 LA141-xNd合金3.6.9 Mg-6Li-3Al-xCa合金3.6.10 Mg-5Li-3Al-2Zn-xAg合金3.6.11 Mg-5Li-3Al-2Zn-xCu合金3.6.12 挤压态Mg-8Li合金的超塑性3.7 镁锂合金的应用3.7.1 镁锂合金在航空航天领域的应用3.7.2 镁锂合金在军事领域的应用3.7.3 镁锂合金在民用领域的应用参考文献第4章 超塑性镁合金4.1 超塑性的发展概况4.2 超塑性变形的特点与机理4.2.1 超塑性现象的分类及特点4.2.2 镁合金超塑性变形的机理及特点4.3 超塑性镁合金的制备工艺4.3.1 大挤压比热挤压和反复轧制4.3.2 等径角挤压4.3.3 快速凝固/粉末冶金技术4.4 镁合金的超塑性加工方式4.4.1 镁合金的超塑性气胀成形4.4.2 一阶段超塑性拉伸及两阶段超塑性拉伸4.4.3 超塑性压缩4.4.4 超塑性扩散连接4.5 超塑性镁合金的发展趋势4.5.1 高应变速率超塑性镁合金4.5.2 低温超塑性镁合金4.5.3 大晶粒超塑性镁合金4.5.4 低成本化、安全化和环保化参考文献第5章 镁基复合材料与复合技术5.1 镁基复合材料的制备方法及其工艺5.1.1 传统制备方法5.1.2 其他制备方法5.2 镁基复合材料的增强相5.2.1 SiC增强体5.2.2 B4C增强体5.2.3 TiC增强体5.2.4 TiB2增强体5.2.5 氧化物颗粒增强体5.2.6 Mg2Si颗粒增强体5.2.7 晶须、纤维增强体5.3 镁锂基复合材料5.3.1 镁锂基复合材料的制备工艺5.3.2 镁锂合金增强相的种类和特性5.3.3 提高Mg-Li基复合材料性能的途径5.3.4 Mg-Li基复合材料制备方法的拓展5.4 镁基复合材料存在的问题与展望5.5 镁基复合材料的应用参考文献第6章 镁合金的先进加工技术6.1 压铸6.2 挤压铸造6.3 镁合金的半固态加工6.4 镁合金的超塑性加工6.5 镁合金的挤压变形6.6 镁合金的轧制技术6.7 镁合金的焊接6.7.1 镁及镁合金的焊接基础6.7.2 镁合金的焊接方法6.7.3 镁锂合金的焊接参考文献第7章 镁合金的腐蚀与防护7.1 镁合金腐蚀的分类7.1.1 自然氧化7.1.2 电化学腐蚀7.1.3 高温腐蚀7.2 镁合金的表面腐蚀膜7.2.1 纯镁的腐蚀表面膜7.2.2 Al元素对镁合金的腐蚀表面膜的影响7.2.3 Zn元素合金化对腐蚀表面膜的影响7.2.4 Ca元素合金化对腐蚀表面膜的影响7.2.5 稀土元素对镁合金表面腐蚀膜的影响7.3 镁合金的应力腐蚀7.4 腐蚀环境对镁合金腐蚀的影响7.4.1 大气腐蚀7.4.2 酸雨腐蚀7.4.3 土壤腐蚀7.4.4 含Cl-水溶液腐蚀7.5 镁合金腐蚀的防护7.5.1 高纯化7.5.2 合金化7.5.3 表面处理7.6 镁合金的生物腐蚀研究7.6.1 镁合金的腐蚀机理7.6.2 腐蚀速率及pH变化7.6.3 植入材料的体内腐蚀行为7.6.4 镁合金体内腐蚀与体外腐蚀的差异参考文献

章节摘录

第1章 绪论1.1 镁的特性1.1.1 镁的物理化学性质金属镁外观呈银白色，在元素周期表中属于ⅡA族元素，有24Mg（78.98%倡）、25Mg（10.05%）、26Mg（10.97%）三种同位素。镁的基本性质见表1-1。镁的晶体结构为密排六方（hcp），单胞内沿主要晶面和晶向的原子排布如图1-1所示。低于225℃时，镁的主要滑移系为｛0001｝•1120•，次滑移系为｛1010｝•1120•；高于225℃时，滑移还可以在｛1011｝•1120•上进行。孪晶主要出现在｛1012｝晶面族上，二次孪晶出现在｛3034｝晶面族上。在高温下，｛1013｝晶面族上也可能出现孪晶。在室温下，镁的晶格常数为a＝0.32092nm，c＝0.52105nm，c/a＝1.6236。由于原子层按ABAB顺序堆积，理想钢球模型的c/a值为1.633。因此，可以认为镁晶格的原子堆积接近理想紧密堆积。在镁中加入Li、In、Ag等金属元素能使c/a＜1.618，提高晶格的对称性，可激活镁晶格的｛1010｝•1120•等棱柱面滑移系。1.1.2 镁的力学性能铸造状态的镁的力学性能较低，常温下其抗拉强度为80～110MPa，伸长率为6%～8%，硬度为30HB，弹性模量为45GPa，泊松系数为0.33。表1-2～表1-4为镁在不同状态下的力学性能。1.1.3 镁的化学性质众所周知，镁是化学性质非常活泼的金属，它和氧及卤素的结合能较大，可用做还原剂，置换钛、锆、铀、铍等金属。在原镁生产、合金熔炼、合金化处理、金属传输及铸造过程中，镁极易与氧、氮、水发生化学作用。一般来说，镁是耐碱的，室温下，镁与氢氧化钠等碱性溶液几乎不发生反应，但加热时会发生反应。镁不耐酸，除氢氟酸、铬酸、脂肪酸外，其他无机或有机酸均能够迅速与镁发生反应将镁溶解。镁与大多数有机化合物是不发生反应的。镁能与二氧化碳发生燃烧反应，因此，镁燃烧时不能用二氧化碳灭火器灭火。表1-5列举了镁及其化合物的热力学参数。在空气中，镁的表面容易生成氧化镁薄膜使表面颜色迅速变暗。氧化镁具有体心立方结构，其晶格参数a＝0.4192nm。25℃时，氧化镁的结合能为610.30kJ/（kg•K）。温度低于450℃时，氧化镁薄膜对镁表面具有保护作用。温度高于450℃时，氧化膜将变得不稳定且易被破坏，从而导致镁的进一步氧化，此氧化反应是放热反应，若氧化放出的热量不能被及时转移，镁将会燃烧。在空气中，镁的燃点是623℃，随着大气压的变化，镁在氧气中的燃点也会发生变化。氧化镁薄膜并不致密，其致密系数为0.79，这是镁和镁合金耐蚀性不及铝和铝合金的主要原因，所以一般来说，镁合金必须经过特殊的表面防护技术才能保证其永久储存。1.2 镁――21世纪绿色工程材料镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地壳表层金属矿的资源含量中居常用金属的第三位。此外，在盐湖及海洋中，镁的含量也十分可观，可以说“取之不尽、用之不竭”。镁是工程应用中密度最小的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3，钢的1/4。同时镁合金还具有高比强/刚度、高比模量、高阻尼、电磁屏蔽，优异的铸造、切削加工性能和易回收等一系列独特的优点。因此，镁被誉为“21世纪的绿色工程材料”。1.2.1 丰富的镁资源世界上的镁资源是“取之不尽，用之不竭”的，从白云石、菱镁矿里可以取得镁，从大洋里可以得到镁，从盐湖里也可以得到镁。1.镁在地壳中的分布广且极其丰富镁是自然界中分布最广的元素之一，约占地壳质量的2.35%，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠和钾，居第八位，在结构金属中仅次于铝和铁，居第三位。地球上几乎到处都可以找到镁的矿物。在已知的1500种矿物中，含镁矿物大约有200种。镁的化学性质活泼，在自然界中仅以化合物的形式存在，含镁矿物大致可分为硅酸盐、碳酸盐、氯化物和硫酸盐四类，多属于地壳造岩矿物。我国是世界上镁矿资源最丰富的国家之一，镁资源占全球总储量的22.5%，矿石品位超过40%的菱镁矿储量占世界的60%以上。2.海水和盐湖中的镁取之不尽、用之不竭镁是海水中的第三富有元素，约占海水质量的0.13%。在1m3海水中大约含有1kg镁，在大洋的海水及一些海湾的海水中，镁盐的浓度可达0.25%～0.55%。海水中镁总量约为2.3×1015t，如果每年用海水生产100万t镁，可以生产23万年。因此，海水可谓是制备金属镁取之不尽、用之不竭的来源。1.2.2 性能和价格优势1.优异的性能（1）比强度、比刚度高。镁合金的比强度高于铝合金和钢铁，略低于比强度最高的纤维增强塑料。其比刚度与铝合金和钢铁相当，但却远远高于纤维增强塑料。因此在相同强度和刚度情况下，用镁合金做结构件可以减轻零件重量，这点对国防、航空、汽车及便携式电子器材等行业均有很重要的意义。（2）减振性能好。镁合金与铝合金、钢、铁等相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击振动负荷。镁合金具有极好的滞弹吸振能力，其减振性是铝合金的5～30倍，塑料的20倍，钢铁的50～1000倍。在汽车中使用镁合金可提供舒适安静的搭乘条件，提高安全保障；也被用于航空航天、国防等尖端领域，如鱼雷、战斗机和导弹等的减振部位。例如，镁合金AZ91在35MPa应力下的振动衰减系数为25%，铝合金A380只有1%；AZ91在100MPa应力下的衰减系数上升为53%，A390只有4%。（3）良好的铸造性能。镁与铁几乎不发生反应，熔炼时可用铁坩埚。熔融镁对坩埚的侵蚀少，压铸时对压铸模的侵蚀少。与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可提高2～3倍，通常可维持20万次以上。镁合金的比热容和结晶潜热小，流动性好，镁合金的充型流动速度约为铝合金的1.25倍，用于压铸生产时生产效率比铝合金提高40%～50%，且镁制品壁厚可小于0.6mm，而铝合金为1.2～1.5mm，塑胶制品在相同强度下是无法达到的。（4）尺寸稳定性高。不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金的一个很突出的特性，体积收缩率仅为4%～6%，是铸造金属中收缩量最低的一种合金。（5）优良的切削加工性能。镁合金的切削速度大大高于其他金属，减少切削加工时间，切削时对刀具的消耗很低。镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为1∶1.8∶3.5∶6.3。镁合金机加工多在干态下进行，不用切削液便可改善零件表面加工质量、减少摩擦力和提高刀具寿命，不需磨削和抛光便能获得平滑光洁的表面。（6）良好的磁屏蔽性。镁合金具有优于铝合金的磁屏蔽性能，能更好地阻隔电磁波，适合制作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机。而采用塑料制造电子器件时，为了提高其电磁屏蔽能力，一般在表面喷涂导电漆、表面镀层、金属喷涂，在塑料内部添加导电材料、辅助金属箔或金属板等，但这会增加生产工艺的复杂性，提高产品的生产成本和价格，且电磁屏蔽效果仍然很有限。（7）高散热性。镁合金的导热能力是工程塑料ABS的350～400倍，适用于元件密集的电子产品。镁合金的散热性能不但比塑料好得多，与铝合金比也略胜一筹。例如，在20℃时镁合金AZ91的密度、比热容和导热率分别为1.81g/cm3、1050J/（kg•K）、72W/（m•K）；铝合金A380的密度、比热容和导热率分别为2.74g/cm3、963J/（kg•K）、96W/（m•K）。因此，计算的镁合金、铝合金的热扩散系数α分别为3.79×10-5m2/s、3.64×10-5m2/s，体积比热容分别为1.90J/（cm3•K）、2.64J/（cm3•K），而工程塑料ABS和聚碳酸酯的热扩散系数几乎为零。可见，在相同体积下，镁合金件的蓄热能力远比铝合金件低，但二者的散热能力相差无几。由于镁合金压铸成型性比铝合金的成型性好，镁合金压铸件可以比铝合金压铸件的壁厚做得更薄、形状更复杂，考虑到这些尺寸因素对散热性的影响，镁合金压铸件加热与散热往往比铝合金压铸件快，工程塑料ABS更是无法与之相比。（8）再生性。废旧镁合金铸件可再熔化，并作为AZ91、AM50或AM60的二次材料可再铸造。镁合金的熔化潜热比铝合金低，熔炼消耗的能量低。更为重要的是，镁合金中的杂质可以通过相对简单的冶金法清除，这种方法符合环保要求，使镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。2.廉价的原镁20世纪90年代以前，由于镁的价格波动太大，镁产品的最终使用商不敢涉及与镁相关的产品。20世纪90年代以后，随着科学技术的不断进步，原料和能源成本迅速降低，原镁的成本也快速下降，价格也不断降低，全球镁的用量急剧攀升。近几年镁的价格已经比铝低，甚至比工程塑料ABS低，且原镁的成本仍然有下降的空间，这为镁的应用提供了很大的潜在替代市场。表1-6为2006年中国市场原镁、原铝和工程塑料ABS的价格对比。1.2.3 减重节能效应镁合金以其质轻及其他一系列优点在同其他结构材料（铝合金、工程塑料等）的竞争中逐渐占据明显优势，已成为近年来新材料研究、开发与应用的热点。这主要表现在下列两个方面：一方面，在国防军事领域，使用镁合金不仅可以提高飞行器的机动性能，还可以降低航天器（火箭、飞船等）的发射成本，因此，镁合金非常适用于制造飞机、导弹、飞船、卫星、轻武器等重要武器装备的零件。西方国家（尤其是美国）以超常规的速度和投入力度加快镁合金在航空和航天领域中的应用步伐，并使其在飞机、导弹和卫星等领域得到广泛应用，而我国在这方面起步较晚，应用也较欠缺；另一方面，进入21世纪以来，降低能耗……

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《先进镁合金制备与加工技术》作者巫瑞智、张景怀、尹冬松近年来工作在镁合金研究第一线，在高性能镁合金制备与加工技术方面开展了一些研究，并取得一些研究成果，内容涉及高强耐热镁合金、超轻镁锂合金、镁基复合材料、生物医用镁合金及镁合金的先进成形技术等诸多目前镁合金研究的热点。本书即是在这些工作基础上对现有研究成果进行的总结，同时参考国内外近年来的相关文献进行综述，内容主要涉及当前镁合金的研究前沿领域，着重介绍镁合金的先进成形技术、高强耐热镁合金、超轻镁锂合金、超塑性镁合金、镁基复合材料、镁合金的腐蚀防护及生物医用腐蚀研究。