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镁科研

镁合金热处理的介绍

发布时间：2023-12-04 作者：综合管理部

固态金属（包括纯金属及合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化，统称为金属固态相变。金属中固态相变的类型很多，有的金属在不同的条件下会发生几种不同类型的转变。例如钢铁的奥氏体、铁素体转变。掌握金属固态相变规律及影响因素，采取措施控制相变过程，以获得预期组织，从而使其具有预期的性能。常用的措施包括特定的加热和冷却工艺，也就是热处理。钢铁的淬火，为的是快速冷却以保持其高温相，从而达到所需要的性能。

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对于镁合金，常采用的热处理方式包括：均匀化退火（扩散退火）、固溶（淬火）（T4）、时效（T5）、固溶+时效（T6）、热水淬火+时效（T61）、去应力退火、完全退火等。这里做以下方面简要介绍：

1、均质化退火。其目的是消除铸件在凝固过程中形成的晶内偏析。那么，晶内偏析是如何形成的呢？这个，我们就需要了解结晶凝固过程，下图1为镁合金相图中最普通的Mg-Al相图：

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以AZ61为例，从相图中我们可以看到，从液相线开始，熔体开始凝固，形核随着温度下降开始长大，在每一个温度点，液相和固相成分分别对应于该温度时的液相线和固相线所对应的成分。造成了晶粒随温度下降而长大过程中的成分不均匀，也就是晶内偏析。均质化退火，主要作用就是将铸件加热到一定温度，使物质迁移作用明显，消除晶粒内浓度梯度。对于固溶、时效等热处理手段，更确切的来说，是利用合金元素在基体中溶解度随温度变化这一属性。

2、固溶处理。基体不发生多型转变的合金系，室温平衡组织为α+β，α为基体固溶体，β为第二相。当合金加热到一定温度是，β相将溶于基体而得到单相α相固溶体，这就是固溶化。如果合金从该温度以足够大的速度冷却下来，合金元素的扩散和重新分配来不及进行，β相就不能形核和长大，α固溶体中就不可能析出β相，而且由于基体固溶体在冷却过程中不发生多型性转变，因此这时合金的室温组织为α单相过饱和固溶体，这就是固溶处理。在镁合金热处理中，固溶处理能够起到一定的强化作用。对于理想晶体，原子以空间点阵形式排布，下图所示为金属原子的二维排布点阵：

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当溶质原子进入基体后，引起溶剂原子晶格畸变，使原子间距离改变，不再是该温度下的平衡距离r0，从而原子间相互作用的合力不为零，原子势能不为零，产生了晶格畸变能，从而使材料在一定程度上得到强化。

3、时效处理。其本质是脱溶或沉淀，也是镁合金强化的一种有效热处理方式。时效是一种手段。脱溶，顾名思义，就是将固溶体中的溶质从熔体中脱离出来，沉淀析出。固溶处理后获得的过饱和固溶体，为亚稳过饱和相，有自发分解的趋势，若置于足够高的温度下时效，最终将形成平衡脱溶相。脱溶出来的β相弥散分布在α相基体中，起钉扎作用，阻止材料内部滑移、孪晶等的产生，起到强化作用。

4、实际工作中的热处理效果

下表1是我们实际工作中一些镁及镁合金挤压件的典型力学性能。

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从上表中我们可以发现，1）纯镁件，由于基体中没有固溶引起的晶格畸变，也就没有晶格畸变能所引起的固溶强化。2）经过时效处理后，由于β相在α相基体中的弥散沉淀，使材料强度得到提高。3）经过固溶+时效处理后，由于固溶处理可以使β相比较充分的溶解，使得β相沉淀析出更加均匀，也就是在材料内部分布的更加均匀，所以材料强度进一步提高。

5、固溶、时效处理的必要条件。

在工作中，我们会发现，有些镁合金（例如AZ61、AZ80、AZ91等）可以通过固溶、时效等手段得到强化，而有些镁合金（AZ31、AZ40等）则不能通过这些手段进行强化，这是为什么呢？可固溶、时效强化处理的镁合金应至少满足以下性质：

1）该镁合金材料中，在工作条件下，强化元素含量必须大于其在基体中溶解度，例如，铝元素在镁基体中的溶解度为5.5%，也就是说，铝作为主要合金元素的镁合金中，铝含量小于5.5%时，固溶、时效处理一般起不到强化作用；

2）该镁合金材料中，强化元素在溶剂基体中的溶解度，受温度影响变化明显，也就是溶解度的温度敏感性。这个可以从合金相图相变线的斜度上看出来。具体的这里就不做赘述了。通过相图分析合金元素溶解度的温度敏感性，我们可以理论上确定该合金材料的热处理工艺，再在实践中进行适当修正，可最后确定该材料热处理工艺。


转载：材料科学与工程


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