【图文】二元合金的相结构与相图_百度文库
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二元合金的相结构与相图
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谈谈镁锂合金的性能和应用
新闻导读：在变形镁合金中，Mg-Li系合金是一类特殊的合金，在结构用的金属材料中是密度最低的，被称为超轻合金。
　　在变形镁合金中，Mg-Li系合金是一类特殊的合金，在结构用的金属材料中是密度最低的，被称为超轻合金。镁的密度1738kg/m3，锂的密度534kg/m3。因此，根据成分的不同，Mg-Li合金的密度为970kg/m3~1350kg/m3，最轻的可以漂在水上，成为&水上漂浮&的合金，用于制造航空航天器结构零件有着显着的减重效果。日中国发射的&浦江一号&卫星的一些零件就是中国西安四方超轻材料有限公司提供的，它于2010年建成中国首条Mg-Li合金生产线，现在生产能力100吨/年。在中国发射的卫星中，所用Mg-Li合金的密度比常规镁合金的轻20%~30%，比铝合金的轻40%~50%。中国卫星使用Mg-Li合金零件尚属首次。　　相结构及组成
　　这类合金的相组织为&+&，&相是Mg固溶于Li后形成的固溶体，体心立方结构（bcc），滑移系多，塑性高，从而使合金具有较大的冷变形能力，不过随着Li含量的增加，合金的强度下降（图3）。在铸态的&+&组织的&相基本中分布着魏氏组织形貌的&片。由相图可见，在（&+&）和&相界上固溶度线是倾斜的，说明有些成形的合金具有一定的时效强化能力。　　锂含量＞10.3%的合金　　这类合金的组织全部为镁在锂中的单一固溶体&相，体心立方晶格，有良好的冷、热塑性加工性能与成形能力，加工率可达50%~60%，不过工业上应用合金的锂含量不应低于13%。含15%Li左右的镁合金的抗拉强度进一步下降到约100N/mm2，再增加Li含量强度不再增加，伸长率开始下降，加工成形性能恶化，这说明有商用价值的Mg-Li合金的Li含量宜&16%。　　镁的密度为1738kg/m3，锂的密度只有534kg/m3，是一种稀有轻金属，把它加到镁熔体里，可以制得当今世上最轻的金属结构合金。此外，它还具有如下特点：高的比刚度、高的比强度、高的阻尼性、高的抗辐射性、高的抗电磁干扰性与高的减震性等。　　Mg-Li合金是当下最轻的结构合金，具有很高的比强度与比刚度，是制造轻量化零部件的最佳材料，但它们的化学活性高，抗腐蚀性能低，对一些杂质，特别是钠非常敏感，当钠含量大于0.06%，合金塑性就急转直下。因此，Mg-Li合金仅获得了有限的应用，仅在那些对零部件质量锱铢必究的行业，例如航天产业才有意义。　　通常，还向Mg-Li合金添加少量的Al、Zn或Si，以改善某些性能，例如加入Al可以提高合金的蠕变抗力和稳定合金的性能；加入Si可以形成Mg2Si，也有一定的强化作用；也可以向Mg-Li合金添加少量Zr、Pb、Ag或RE，都对某些性能有一定的正面影响，但都不显着。Mg-Li-Zn合金有时效硬化效应，Li含量较低时，合金为单一的&相组织，时效时由&基体中析出稳定相&（MgLiZn）而产生硬化，增大Li含量时合金组织为&+&，时效时由&相中析出亚稳定的&'相（MgLi2Zn）；Li含量再加大时，合金由单一的&相组成，时效时析出亚稳定的&'相而硬化。　　Mg-Li-Al合金经固溶处理（350℃/1h）与淬火后在50℃时效有一定的硬化作用，但会很快软化。Zr是一种常用的微量合金化元素，能细化铸造组织，提高合金的塑性变形能力，&+&合金的冷变形量可达90%，与纯&相合金的冷加工率相当。同时，Zr还能提高合金再结晶温度，抑制材料的再结晶过程。　　稀土元素对镁合金有较大的强化作用，并对析出相的热稳定性有益，因而可以提高合金的高温力学性能。　　Mg-Li合金的抗蚀性低，是其主要不足处，Mn、Zn、Cd对其抗蚀性有利，特别是Mn的效果最为卓着。Cd含量＜4%时可提高合金的抗蚀性，大于4%则会降低抗蚀性。Si、Sb等显着降低Mg-Li合金的抗蚀性。Al和Sn对Mg-Li合金抗蚀性的影响决定于含量，含量为0.6%~1.0%时，合金的抗蚀性承随含量的增加而下降，超过1.0%后，抗蚀性随含量增加而略有上升。向Mg-Li合金添加少量Al或Ca，可在表面形成稳定性较高的Mg(OH)2化合物，有一定的保护作用，不但对抗蚀性有利，同时还能提高合金的塑性和抗蠕变性能。Mg-Li合金在潮湿大气中有强烈的应力腐蚀敏感性。　　力学性能　　微量Na会引起Mg-Li合金晶界脆化，因此熔炼时应添加高纯锂。向Mg-Li合金添加Al、Ag、Cd、Zn等后，由于生成共格的LiaXb相，可产生明显的时效强化效应，但是温度一升高（50℃~70℃），性能不稳定，发生过时效，可以发生过度的蠕变。　　Mg-Li合金的主要优点是有良好的塑性变形能力，尤其是有优秀的超塑性，在温度250℃~375℃，Mg-8.5%Li合金的真应变速率为10-5/s~10-3/s；Mg-8.5%Li合金具有超塑性行为，在350℃和10-4/s应变速率条件可有610%的超塑性。该合金在200℃温轧后的显微组织为未再结晶的&+&。在超塑性变形时，显微组织由开始时（&+&）的带状转变为均匀分布的、等轴的、尺寸10&m的（&+&）晶粒，而m值由0.4增加到0.7。由此可知，此合金在超塑变形过程中发生了动态再结晶。　　Mg-Li-1%Y三元合金可在更高的应变速率（10-3/s~10-2/s）虽现超过300%的超塑性，并且它的晶粒更为细小，因而有更高的超塑应变速率和超塑性，有助于Mg-Li合金应用的开拓。　　变形Mg-Li合金的最大缺点是化学活性，在熔炼铸造时易与空气中的氧、氮、氢反应，因此需在惰性气氛中进行。它的抗腐蚀性能比常规镁合金的更低，有严重的应力腐蚀倾向。向Mg-Li合金添加Al等合金化元素会进一步降低其抗蚀性，因为原电池作用会更强。采用氟化物阳极氧化物处理可以改善Mg-Li合金的抗腐蚀性能，但是目前尚无一种可靠的表面处理工艺可以提高Mg-Li合金在温度-湿度循环变化条件下的抗腐蚀性能。　　镁-锂合金的热处理　　Mg-Li合金可以时效硬化，但在较高的温度下会发生过时效。工业用Mg-Li合金通常采用T7处理，固溶处理288℃，稳定化处理177℃。稳定化处理可以消除Mg-Li合金的应力腐蚀开裂敏感性。然而Mg-Li合金在焊接后必须立即对焊件进行消除应力处理，以除应力腐蚀开裂。　　Mg-Li-Zn合金有时效硬化效应，但是硬化效应大小决定合金成分。Li含量少时，合金由&相组成，由于从&基体中析出稳定&相（MgLiZn）而产生强化。　　再增加Li含量，合金组织为&+&，而Zn主要溶于&相中，&相基本无时效强化作用。&相的时效强化是由于亚稳定相&'（MgLi2Zn）的析出，而过时效是由于从&相中析出&相及稳定的&相。　　进一步增加Li含量，合金全部由&相组成，由于可以从&相中析出&'和&粒子而产生时效硬化，时效温度上升，则析出稳定相&而发生过时软化。&相的时效析出过程及析出相的作用：　　研究表明，Mg-Li-Zn合金时效温度越高，达到峰值硬度时间就越短，同时峰值硬度也越低，&相中的Zn含量越低，&相析出时间虽有所延迟，但硬化效果却更高一些。　　Mg-Li-Al合金经固溶处理（350℃&1h）于50℃时效时由于Spinodal分解，将出现时效硬化及过时效软化过程。　　Zr是镁合金常用的一个微量合金化元素，添加Zr可细化晶粒，提高塑性加工能力，&+&合金的冷轧变形率可达90%，如不含Zr则只有全&相合金加工率方可达90%。同时，Zr可抑制合金的再结晶过程，提高再结晶温度，变形孪晶及滑移带是再结晶晶粒形核点。　　稀土元素对Mg-Li合金有一定的强化作用，含稀土的镁-锂-稀土化合物是热稳定性的，可提高合金在较高温度下的力学性能。一些较成熟的Mg-Li合金的力学性能见(表1)。
　　含Li多的Mg合金时效时发生&&MgLi2X&MgLiX（X代表第三合金组元）转变，由于MgLi2X为又硬又强的化合物，而MgLiX较软，故过时效时析出MgLiX使合金强度降低，Li含量越高，软化速度越快。因此，双相组织（&+&）的Mg-Li合金成为研发重点。　　工业用Mg-Li合金　　二元Mg-Li合金力学性能不高，加入其他元素可以显着提高它们的强度性能。常规镁合金在各个产业获得了广泛的应用，但是Mg-Li合金目前的应用领域有限，美国研发的和LS141A是获得应用的合金，它们的Li含量为13%~15%，前者还含0.75%~1.75%Al，后者还含0.5%~0.8%Si。LA141A合金是上世纪60年代美国航空航天局（NASA）研制的，它们的物理性能见(表2)及(表3)。
　　这两个合金用于制造美国土星-V工程计算机外壳、盖米尼（Gemini）计算机项目电路模块盖、民兵式导弹（Minuteman Missile）加速器外壳和导弹发射器（Tow）瞄准装置零件等。这些零部件之所以用LA141A与LS141合金制造是看中了它们有着难以替代的优点：超低的密度（1350kt/m3）；超高的抗弯刚度，当工件的质量相等时，LA141A合金的抗弯刚度为普通镁合金的2倍多，为铝合金的5倍多；单相&组织，有很好的加工成形性能，可在室温下成形。　　LA141A、LS141A合金的Li含量均大于11%，组织为单一的体心立方晶格的&固溶体，有良好的塑性，可以在室温下成形，进行冷加工，在&相基体中还弥散地分布着面心立方晶格的LiAl相和亚稳定的Li2MgAl相粒子。它们有一定的加工硬化效果。LA141A合金一般在T7处理（固溶处理、淬火和177℃稳定化）后应用，稳定化处理可以消除此合金的应力腐蚀敏感性。LA141A和LS141A合金同其他镁合金一样都可以进行焊接，但由于Mg-Li合金的化学性质比其他镁合金的更高，因此焊后应立即进行应力释放处理，以防腐蚀开裂。　　除了LA141A、LS141A合金外，在航空航天器制造中获得实际应用的还有LA91、LAZ933合金，它们的Li含量为9%~14%，密度为kg/m3。　　中国航天Mi-Li合金　　关于中国航天镁-锂合金的成分尚未见到公开报道，不过从下面三点我们可以推定它的成分为：Li13%~15%，Al0.9%~1.5%，与美国的LA141A合金相当。　　它必须是单一的&相合金，才有良好的加工塑性和成形性能，为此其Li含量应大于11%；　　现在国外获得工业应用的Mg-Li合金的Li含量为9%~16%；　　根据新闻报道，中国&浦江一号&卫星用的Mg-Li合金材料&与铝合金比能够减重40%~50%，与一般镁合金比能够减重20%-30%&。如果按密度比一般镁合金轻25%计算，那么它的密度正好与美国的LA141A Mi-Li合金相当。　　Mg-Li合金的化学活性极高，易与空气中的氧、氢、氮化合生成稳定化合物，遇明火会发生猛烈的燃烧，遇水会发生势不挡的爆炸，因此应在惰性气体保护下熔炼铸造或在真空炉内熔炼。　　这批Mg-Li合金是西安四方超轻材料有限公司提供的，它于2010年建成中国首条Mg-Li合金生产线，现有生产能力100t/a。他们在研发Mg-Li合金过程中得到航天八院与西安交通大学柴东朗教授的大力支持与帮助。　　结束语　　MI-Li虽是一种最好的结构合金，使用它制造结构零部件，可降低结构质量，但是它的力学性能较低，价格也不菲，因此不可能获得较大规模应用，只有在航天器这样的部门才能有所应用。现在已有企业在生产，欲再建这类企业的投资者宜慎之。
　　Mg-Li二元合金相图见（图1，图2）为二元相图、合金相组成、冷轧塑性与锂含量的关系，图3为合金的力学性能与锂含量、相组成的关系。可根据锂的含量及相组成将Mg-Li合金分为三类。　　Mg-Li合金的分类　　锂含量＜5.7%的合金　　这类合金的组织由Li在Mg中的单相&固溶体组成，密集六方结构，塑性低，而且强度性能随着Li含量的增加而下降，没有商业使用价值。　　锂含量＞5.7%而＜10.2%的合金
责任编辑：淮金
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金属材料的结构、结晶与合金相图教案分析.ppt85页
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提示： 铁碳合金相图中特性线的含义分述如下。(1) AC和DC线 这两条线均为液相线，两线以上合金为液态。当液态合金冷却到AC线时，开始析出奥氏体；冷却到DC线时，开始析出渗碳体。(2) AE和ECF线AE线为固相线，表示奥氏体形成结束的温度线。ECF线为固相线，当液态合金冷却到此线温度1148℃时，将发生共晶反应形成由奥氏体和渗碳体组
& &&铁碳合金相图中特性线的含义分述如下。
(1) AC和DC线
&&& 这两条线均为液相线，两线以上合金为液态。当液态合金冷却到AC线时，开始析出奥氏体；冷却到DC线时，开始析出渗碳体。
(2) AE和ECF线
AE线为固相线，表示奥氏体形成结束的温度线。
ECF线为固相线，当液态合金冷却到此线温度1148℃时，将发生共晶反应形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体称为高温莱氏体。
(3) ES和GS线
ES线又称Acm线，表示碳在奥氏体中溶解度线，随温度变化碳在奥氏体中溶解度沿ES线变化。
GS线又称A3线，表示奥氏体与铁素体相互转变的界线。温度下降到GS线以下时，奥氏体转变为铁素体，温度上升到GS线以上时，铁素体转变为奥氏体。
PSK线又称A1线，是共析转变线。铁碳合金冷却到PSK线温度727℃时，奥氏体分解形成铁素体和渗碳体机械混合物，含碳量（质量分数）为0. 77%这种组织称为珠光体。
(5) PQ和PG线
PQ线为铁素体中碳溶解度与温度关系线。随温度升高碳在铁素体中溶解量增加，室温时为0. 0008%，到727℃时增加到0.0218%。
PG线奥氏体和铁素体的相互转变线。温度下降到PG线时，奥氏体转变结束；升高温度时铁素体开始转变为奥氏体。
（责任编辑: 艾特贸易网 ）
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