先進鎂合金製備與加工技術（簡體書）

《先進鎂合金製備與加工技術》總結了作者巫瑞智、張景懷、尹冬松近幾年在耐熱鎂合金、超輕鎂鋰合金、鎂合金的先進加工技術和複合技術、鎂合金腐蝕及其防護技術等方面的研究工作，同時對國內外近年來在這些方面的研究現狀進行了綜述。本書內容共七章，分別對高強耐熱鎂合金、超輕鎂鋰合金、超塑性鎂合金、鎂合金複合技術、鎂合金先進加工技術、鎂合金腐蝕與防護等先進材料與先進技術進行了系統的論述。
《先進鎂合金製備與加工技術》可作為高等院校、研究院所材料科學與工程、冶金工程、腐蝕與防護等相關領域的教師、研究工作者、研究生和工程技術人員的教學參考用書。·

王燕，青島理工大學教授，博士生導師，工學博士。兼任國家住房和城鄉建設部高等學校土木工程專業指導委員會委員，中國鋼結構協會專家委員會委員，中國建築金屬結構協會專家委員會委員，中國鋼結構協會穩定與疲勞協會常務理事，《工業建築》、《鋼結構》雜誌編委。享受國務院政府特殊津貼專家，山東省有突出貢獻的中青年專家，榮獲國家級教學名師獎、寶鋼教育基金優秀教師特等獎。長期從事結構工程學科鋼結構設計理論及其工程應用領域的教學與科研工作，先後主持國家自然科學基金項目、高等學校博士點專項科研基金項目、國家標準《鋼結構設計規範》科研專項基金項目、山東省自然科學基金項目、青島市科技攻關項目、青島市建設科技項目以及橫向重大科技開發等科研項目40余項。主持的科研項目先後獲得國家科技進步二等獎1項，山東省科技進步一等獎1項，青島市科技進步二等獎2項、三等獎1項；獲得國家實用新型專利2項；主持的教學研究項目先後獲得國家教學成果二等獎1項，山東省優秀教學成果一等獎1項、二等獎2項。出版學術專著2部、主編教材2部、參編國家規範和行業標準4部，已培養50余名博士、碩士和博士後研究人員，在國內外學術刊物上發表學術論文1 50餘篇，教學研究論文近20篇。·

《先進鎂合金制備與加工技術》作者巫瑞智、張景懷、尹冬松近年來工作在鎂合金研究第一線，在高性能鎂合金制備與加工技術方面開展了一些研究，并取得一些研究成果，內容涉及高強耐熱鎂合金、超輕鎂鋰合金、鎂基復合材料、生物醫用鎂合金及鎂合金的先進成形技術等諸多目前鎂合金研究的熱點。本書即是在這些工作基礎上對現有研究成果進行的總結，同時參考國內外近年來的相關文獻進行綜述，內容主要涉及當前鎂合金的研究前沿領域，著重介紹鎂合金的先進成形技術、高強耐熱鎂合金、超輕鎂鋰合金、超塑性鎂合金、鎂基復合材料、鎂合金的腐蝕防護及生物醫用腐蝕研究。

前言
第1章 緒論
1.1 鎂的特性
1.1.1 鎂的物理化學性質
1.1.2 鎂的力學性能
1.1.3 鎂的化學性質
1.2 鎂——21世紀綠色工程材料
1.2.1 豐富的鎂資源
1.2.2 性能和價格優勢
1.2.3 減重節能效應
1.2.4 生物效應
1.3 鎂合金的發展概況
1.3.1 鎂和鎂合金的發展簡史
1.3.2 鎂合金存在的問題
1.3.3 鎂合金的發展方向
1.3.4 鎂合金的發展前景
參考文獻

第2章 高強耐熱鎂合金
2.1 合金元素對高強耐熱鎂合金的影響
2.1.1 稀土元素
2.1.2 堿土元素
2.1.3 第Ⅳ、Ⅴ族元素
2.2 高強耐熱鎂合金的分類及性能
2.2.1 含稀土的高強耐熱鎂合金
2.2.2 不含稀土的高強耐熱鎂合金
2.3 新型高強耐熱鎂合金的設計思路
2.4 新型高強耐熱鎂合金的研究開發
2.4.1 Mg-Al-RE系壓鑄合金的研究開發
2.4.2 Mg-RE-Zn系合金的研究開發
2.4.3 Mg-RE基合金的研究開發
參考文獻

第3章 超輕鎂鋰合金
3.1 鎂鋰合金的性質
3.2 鎂鋰合金的發展歷程
3.3 鎂鋰合金的發展現狀
3.4 鎂鋰合金的合金化研究
3.4.1 Al、Zn對鎂鋰合金組織與性能的影響
3.4.2 稀土元素對鎂鋰合金組織與性能的影響
3.4.3 Ca對鎂鋰合金組織與性能的影響
3.4.4 Ag對鎂鋰合金組織與性能的影響
3.5 鎂鋰合金的時效特性研究
3.6 典型鎂鋰合金的組織和性能
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-3.0A1-1.2Zn-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 LAl41-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 擠壓態Mg-8Li合金的超塑性
3.7 鎂鋰合金的應用
3.7.1 鎂鋰合金在航空航天領域的應用
3.7.2 鎂鋰合金在軍事領域的應用
3.7.3 鎂鋰合金在民用領域的應用
參考文獻

第4章 超塑性鎂合金
4.1 超塑性的發展概況
4.2 超塑性變形的特點與機理
4.2.1 超塑性現象的分類及特點
4.2.2 鎂合金超塑性變形的機理及特點
4.3 超塑性鎂合金的製備工藝
4.3.1 大擠壓比熱擠壓和反復軋製
4.3.2 等徑角擠壓
4.3.3 快速凝固／粉末冶金技術
4.4 鎂合金的超塑性加工方式
4.4.1 鎂合金的超塑性氣脹成形
4.4.2 一階段超塑性拉伸及兩階段超塑性拉伸
4.4.3 超塑性壓縮
4.4.4 超塑性擴散連接
4.5 超塑性鎂合金的發展趨勢
4.5.1 高應變速率超塑性鎂合金
4.5.2 低溫超塑性鎂合金
4.5.3 大晶粒超塑性鎂合金
4.5.4 低成本化、安全化和環保化
參考文獻

第5章 鎂基複合材料與複合技術
5.1 鎂基複合材料的製備方法及其工藝
5.1.1 傳統製備方法
5.1.2 其他製備方法
5.2 鎂基複合材料的增強相
5.2.1 SiC增強體
5.2.2 B4C增強體
5.2.3 TiC增強體
5.2.4 TiB2增強體
5.2.5 氧化物顆粒增強體
5.2.6 Mg2Si顆粒增強體
5.2.7 晶須、纖維增強體
5.3 鎂鋰基複合材料
5.3.1 鎂鋰基複合材料的製備工藝
5.3.2 鎂鋰合金增強相的種類和特性
5.3.3 提高Mg-Li基複合材料性能的途徑
5.3.4 Mg-Li基複合材料製備方法的拓展
5.4 鎂基複合材料存在的問題與展望
5.5 鎂基複合材料的應用
參考文獻

第6章 鎂合金的先進加工技術
6.1 壓鑄
6.2 擠壓鑄造
6.3 鎂合金的半固態加工
6.4 鎂合金的超塑性加工
6.5 鎂合金的擠壓變形
6.6 鎂合金的軋製技術
6.7 鎂合金的焊接
6.7.1 鎂及鎂合金的焊接基礎
6.7.2 鎂合金的焊接方法
6.7.3 鎂鋰合金的焊接
參考文獻

第7章 鎂合金的腐蝕與防護
7.1 鎂合金腐蝕的分類
7.1.1 自然氧化
7.1.2 電化學腐蝕
7.1.3 高溫腐蝕
7.2 鎂合金的表面腐蝕膜
7.2.1 純鎂的腐蝕表面膜
7.2.2 Al元素對鎂合金的腐蝕表面膜的影響
7.2.3 Zn元素合金化對腐蝕表面膜的影響
7.2.4 Ca元素合金化對腐蝕表面膜的影響
7.2.5 稀土元素對鎂合金表面腐蝕膜的影響
7.3 鎂合金的應力腐蝕
7.4 腐蝕環境對鎂合金腐蝕的影響
7.4.1 大氣腐蝕
7.4.2 酸雨腐蝕
7.4.3 土壤腐蝕
7.4.4 含Cr-水溶液腐蝕
7.5 鎂合金腐蝕的防護
7.5.1 高純化
7.5.2 合金化
7.5.3 表面處理
7.6 鎂合金的生物腐蝕研究
7.6.1 鎂合金的腐蝕機理
7.6.2 腐蝕速率及pH變化
7.6.3 植入材料的體內腐蝕行為
7.6.4 鎂合金體內腐蝕與體外腐蝕的差異
參考文獻·

第1章 緒論
1.1 鎂的特性
1.1.1 鎂的物理化學性質
金屬鎂外觀呈銀白色，在元素周期表中屬于ⅡA族元素，有24Mg（78.98%倡）、25Mg（10.05%）、26Mg（10.97%）三種同位素。鎂的基本性質見表1-1。
鎂的晶體結構為密排六方（hcp），單胞內沿主要晶面和晶向的原子排布如圖1-1所示。低于225℃時，鎂的主要滑移系為｛0001｝?1120?，次滑移系為｛1010｝?1120?；高于225℃時，滑移還可以在｛1011｝?1120?上進行。孿晶主要出現在｛1012｝晶面族上，二次孿晶出現在｛3034｝晶面族上。在高溫下，｛1013｝晶面族上也可能出現孿晶。
在室溫下，鎂的晶格常數為a＝0.32092nm，c＝0.52105nm，c/a＝1.6236。
由于原子層按ABAB順序堆積，理想鋼球模型的c/a值為1.633。因此，可以認為鎂晶格的原子堆積接近理想緊密堆積。在鎂中加入Li、In、Ag等金屬元素能使c/a＜1.618，提高晶格的對稱性，可激活鎂晶格的｛1010｝?1120?等棱柱面滑移系。
1.1.2 鎂的力學性能
鑄造狀態的鎂的力學性能較低，常溫下其抗拉強度為80～110MPa，伸長率為6%～8%，硬度為30HB，彈性模量為45GPa，泊松系數為0.33。表1-2～表1-4為鎂在不同狀態下的力學性能。
1.1.3 鎂的化學性質
眾所周知，鎂是化學性質非常活潑的金屬，它和氧及鹵素的結合能較大，可用做還原劑，置換鈦、鋯、鈾、鈹等金屬。在原鎂生產、合金熔煉、合金化處理、金屬傳輸及鑄造過程中，鎂極易與氧、氮、水發生化學作用。一般來說，鎂是耐堿的，室溫下，鎂與氫氧化鈉等堿性溶液幾乎不發生反應，但加熱時會發生反應。鎂不耐酸，除氫氟酸、鉻酸、脂肪酸外，其他無機或有機酸均能夠迅速與鎂發生反應將鎂溶解。鎂與大多數有機化合物是不發生反應的。鎂能與二氧化碳發生燃燒反應，因此，鎂燃燒時不能用二氧化碳滅火器滅火。表1-5列舉了鎂及其化合物的熱力學參數。
在空氣中，鎂的表面容易生成氧化鎂薄膜使表面顏色迅速變暗。氧化鎂具有體心立方結構，其晶格參數a＝0.4192nm。25℃時，氧化鎂的結合能為610.30kJ/（kg?K）。溫度低于450℃時，氧化鎂薄膜對鎂表面具有保護作用。溫度高于450℃時，氧化膜將變得不穩定且易被破壞，從而導致鎂的進一步氧化，此氧化反應是放熱反應，若氧化放出的熱量不能被及時轉移，鎂將會燃燒。在空氣中，鎂的燃點是623℃，隨著大氣壓的變化，鎂在氧氣中的燃點也會發生變化。氧化鎂薄膜并不致密，其致密系數為0.79，這是鎂和鎂合金耐蝕性不及鋁和鋁合金的主要原因，所以一般來說，鎂合金必須經過特殊的表面防護技術才能保證其永久儲存。
1.2 鎂――21世紀綠色工程材料
鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，在地殼表層金屬礦的資源含量中居常用金屬的第三位。此外，在鹽湖及海洋中，鎂的含量也十分可觀，可以說“取之不盡、用之不竭”。鎂是工程應用中密度最小的金屬結構材料，其密度僅相當于鋁的2/3，鋼的1/4。同時鎂合金還具有高比強/剛度、高比模量、高阻尼、電磁屏蔽，優異的鑄造、切削加工性能和易回收等一系列獨特的優點。因此，鎂被譽為“21世紀的綠色工程材料”。
1.2.1 豐富的鎂資源
世界上的鎂資源是“取之不盡，用之不竭”的，從白云石、菱鎂礦里可以取得鎂，從大洋里可以得到鎂，從鹽湖里也可以得到鎂。
1.鎂在地殼中的分布廣且極其豐富
鎂是自然界中分布最廣的元素之一，約占地殼質量的2.35%，僅次于氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉和鉀，居第八位，在結構金屬中僅次于鋁和鐵，居第三位。地球上幾乎到處都可以找到鎂的礦物。在已知的1500種礦物中，含鎂礦物大約有200種。鎂的化學性質活潑，在自然界中僅以化合物的形式存在，含鎂礦物大致可分為硅酸鹽、碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽四類，多屬于地殼造巖礦物。我國是世界上鎂礦資源最豐富的國家之一，鎂資源占全球總儲量的22.5%，礦石品位超過40%的菱鎂礦儲量占世界的60%以上。
2.海水和鹽湖中的鎂取之不盡、用之不竭
鎂是海水中的第三富有元素，約占海水質量的0.13%。在1m3海水中大約含有1kg鎂，在大洋的海水及一些海灣的海水中，鎂鹽的濃度可達0.25%～0.55%。海水中鎂總量約為2.3×1015t，如果每年用海水生產100萬t鎂，可以生產23萬年。因此，海水可謂是制備金屬鎂取之不盡、用之不竭的來源。
1.2.2 性能和價格優勢
1.優異的性能
（1）比強度、比剛度高。鎂合金的比強度高于鋁合金和鋼鐵，略低于比強度最高的纖維增強塑料。其比剛度與鋁合金和鋼鐵相當，但卻遠遠高于纖維增強塑料。因此在相同強度和剛度情況下，用鎂合金做結構件可以減輕零件重量，這點對國防、航空、汽車及便攜式電子器材等行業均有很重要的意義。（2）減振性能好。鎂合金與鋁合金、鋼、鐵等相比具有較低的彈性模量，在同樣受力條件下，可消耗更大的變形功，具有降噪、減振功能，可承受較大的沖擊振動負荷。鎂合金具有極好的滯彈吸振能力，其減振性是鋁合金的5～30倍，塑料的20倍，鋼鐵的50～1000倍。在汽車中使用鎂合金可提供舒適安靜的搭乘條件，提高安全保障；也被用于航空航天、國防等尖端領域，如魚雷、戰斗機和導彈等的減振部位。例如，鎂合金AZ91在35MPa應力下的振動衰減系數為25%，鋁合金A380只有1%；AZ91在100MPa應力下的衰減系數上升為53%，A390只有4%。（3）良好的鑄造性能。鎂與鐵幾乎不發生反應，熔煉時可用鐵坩堝。熔融鎂對坩堝的侵蝕少，壓鑄時對壓鑄模的侵蝕少。與鋁合金壓鑄相比，壓鑄模使用壽命可提高2～3倍，通常可維持20萬次以上。鎂合金的比熱容和結晶潛熱小，流動性好，鎂合金的充型流動速度約為鋁合金的1.25倍，用于壓鑄生產時生產效率比鋁合金提高40%～50%，且鎂制品壁厚可小于0.6mm，而鋁合金為1.2～1.5mm，塑膠制品在相同強度下是無法達到的。（4）尺寸穩定性高。不需要退火和消除應力就具有尺寸穩定性是鎂合金的一個很突出的特性，體積收縮率僅為4%～6%，是鑄造金屬中收縮量最低的一種合金。（5）優良的切削加工性能。鎂合金的切削速度大大高于其他金屬，減少切削加工時間，切削時對刀具的消耗很低。鎂合金、鋁合金、鑄鐵、低合金鋼切削同樣零件消耗的功率比值為1∶1.8∶3.5∶6.3。鎂合金機加工多在干態下進行，不用切削液便可改善零件表面加工質量、減少摩擦力和提高刀具壽命，不需磨削和拋光便能獲得平滑光潔的表面。（6）良好的磁屏蔽性。鎂合金具有優于鋁合金的磁屏蔽性能，能更好地阻隔電磁波，適合制作發出電磁干擾的電子產品的殼、罩，尤其是緊靠人體的手機。而采用塑料制造電子器件時，為了提高其電磁屏蔽能力，一般在表面噴涂導電漆、表面鍍層、金屬噴涂，在塑料內部添加導電材料、輔助金屬箔或金屬板等，但這會增加生產工藝的復雜性，提高產品的生產成本和價格，且電磁屏蔽效果仍然很有限。（7）高散熱性。鎂合金的導熱能力是工程塑料ABS的350～400倍，適用于元件密集的電子產品。鎂合金的散熱性能不但比塑料好得多，與鋁合金比也略勝一籌。例如，在20℃時鎂合金AZ91的密度、比熱容和導熱率分別為1.81g/cm3、1050J/（kg?K）、72W/（m?K）；鋁合金A380的密度、比熱容和導熱率分別為2.74g/cm3、963J/（kg?K）、96W/（m?K）。因此，計算的鎂合金、鋁合金的熱擴散系數α分別為3.79×10-5m2/s、3.64×10-5m2/s，體積比熱容分別為1.90J/（cm3?K）、2.64J/（cm3?K），而工程塑料ABS和聚碳酸酯的熱擴散系數幾乎為零。可見，在相同體積下，鎂合金件的蓄熱能力遠比鋁合金件低，但二者的散熱能力相差無幾。由于鎂合金壓鑄成型性比鋁合金的成型性好，鎂合金壓鑄件可以比鋁合金壓鑄件的壁厚做得更薄、形狀更復雜，考慮到這些尺寸因素對散熱性的影響，鎂合金壓鑄件加熱與散熱往往比鋁合金壓鑄件快，工程塑料ABS更是無法與之相比。（8）再生性。廢舊鎂合金鑄件可再熔化，并作為AZ91、AM50或AM60的二次材料可再鑄造。鎂合金的熔化潛熱比鋁合金低，熔煉消耗的能量低。更為重要的是，鎂合金中的雜質可以通過相對簡單的冶金法清除，這種方法符合環保要求，使鎂合金比許多塑膠材料更具有吸引力。
2.廉價的原鎂
20世紀90年代以前，由于鎂的價格波動太大，鎂產品的最終使用商不敢涉及與鎂相關的產品。20世紀90年代以后，隨著科學技術的不斷進步，原料和能源成本迅速降低，原鎂的成本也快速下降，價格也不斷降低，全球鎂的用量急劇攀升。近幾年鎂的價格已經比鋁低，甚至比工程塑料ABS低，且原鎂的成本仍然有下降的空間，這為鎂的應用提供了很大的潛在替代市場。表1-6為2006年中國市場原鎂、原鋁和工程塑料ABS的價格對比。1.2.3 減重節能效應鎂合金以其質輕及其他一系列優點在同其他結構材料（鋁合金、工程塑料等）的競爭中逐漸占據明顯優勢，已成為近年來新材料研究、開發與應用的熱點。這主要表現在下列兩個方面：一方面，在國防軍事領域，使用鎂合金不僅可以提高飛行器的機動性能，還可以降低航天器（火箭、飛船等）的發射成本，因此，鎂合金非常適用于制造飛機、導彈、飛船、衛星、輕武器等重要武器裝備的零件。西方國家（尤其是美國）以超常規的速度和投入力度加快鎂合金在航空和航天領域中的應用步伐，并使其在飛機、導彈和衛星等領域得到廣泛應用，而我國在這方面起步較晚，應用也較欠缺；另一方面，進入21世紀以來，降低能耗……