新型高強度低合金化鎂合金研究進展

程仁山，潘虎成，謝東升，李景仁，謝紅波，秦高梧

(東北大學(xué)材料學(xué)院 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

1 前 言

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、導(dǎo)熱性能好和阻尼減震性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點，在航天航空、交通運輸和移動通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。近年來，隨著環(huán)境問題的日益嚴峻，為了達到輕量化和節(jié)能減排的目的，汽車和高鐵等行業(yè)對低密度高性能鎂合金的需求不斷增加[4, 5]。然而，與鋼鐵和鋁合金相比，鎂合金具有較差的室溫成形性以及相對較低的絕對強度，導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中仍然面臨一些挑戰(zhàn)[6]。目前，研究者們主要通過合金化、塑性變形和熱處理等方法對鎂合金的微觀組織進行調(diào)控，以期獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的新型鎂合金，進而滿足實際工況需求。

通常，在鎂合金中添加稀土(rare earth, RE)元素可以顯著提高其力學(xué)性能，特別是高溶質(zhì)含量的RE元素，如釓(Gd)、釹(Nd)和釔(Y)等。前期研究表明，經(jīng)過熱變形(如軋制、擠壓等)獲得的高溶質(zhì)含量稀土鎂合金的強度可以達到500 MPa以上[7-9]。但是，與Mg-RE系合金相比，非稀土鎂合金具有價格低廉、資源豐富以及密度更低等優(yōu)點，使其在工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用方面更具優(yōu)勢。因此，非稀土鎂合金的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力更大,例如，目前開發(fā)的一些新型非稀土鎂合金的強度已達到400 MPa以上，但此類合金所含的溶質(zhì)元素含量一般較高(質(zhì)量分數(shù)>10%)[10-12]。

低合金化的鎂合金，因其具有優(yōu)異的熱加工性能、高的耐腐蝕能力以及低成本(密度)等優(yōu)勢而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。同時，較低的合金化元素含量可以避免共晶第二相的形成和析出，從而提高鎂合金的塑性。然而，目前研究人員開發(fā)低合金化鎂合金更側(cè)重于使其具有良好的室溫成形性能，導(dǎo)致其絕對強度水平普遍較低，因此設(shè)計并制備出高強度低合金化的鎂合金對于進一步拓寬鎂合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有重大意義。

眾所周知，晶粒細化是提高鎂合金力學(xué)性能最有效的方法之一。通過劇烈塑性變形(severe plastic deformation, SPD)技術(shù)可以制備亞微米或納米尺寸的超細晶粒鎂合金，從而獲得超高強度鎂合金[13]，主要的SPD技術(shù)包括等徑角擠壓(equal channel angular pressing, ECAP)、異步軋制(different speed rolling, DSR)和累積疊軋(accumulative roll bonding, ARB)等。然而，以上制備工藝成本較高且無法實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，因此如何基于傳統(tǒng)制備工藝獲取超細晶(納米晶)、大尺寸的變形鎂合金材料是未來高強度低合金化鎂合金研發(fā)的關(guān)鍵問題。本文綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者分別在高強度低合金化Mg-RE、Mg-Al、Mg-Ca和Mg-Zn系合金的研究進展，并分析了不同體系高強度低合金化鎂合金的高強高韌化機理，最后展望了未來高性能鎂合金研究的發(fā)展方向。

2 高強低合金化鎂合金研究進展

2.1 Mg-RE系合金

稀土(RE)元素作為一種微合金化元素，具有獨特的核外電子排布，因此其對鎂合金強度的提高有著顯著的促進作用[14]。常規(guī)Mg-RE系合金的強化機制主要包括細晶強化、固溶強化和析出強化等；Mg-RE-Zn(Ag)等合金體系中出現(xiàn)的高密度的長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(long-period stacking ordered structure，LPSO)，同樣有助于鎂合金強度的提高[15, 16]。此外，在鎂合金中添加RE元素還可以起到除氫、除氧、改善合金熔體流動性和降低合金微孔率等作用[17]，從而提高鎂合金鑄錠的冶金質(zhì)量，使鎂合金的力學(xué)性能(特別是沖擊韌性、抗疲勞損傷等方面)得到提升。因此，人們對高性能Mg-RE系合金的開發(fā)有著廣泛的興趣。然而，大多數(shù)高性能Mg-RE系合金中所含稀土溶質(zhì)元素的含量往往較高(質(zhì)量分數(shù)>10%)，這不僅大大增加了Mg-RE系合金的制造成本(鑄錠成本和加工成本同時提升)，同時也削弱了其輕質(zhì)減重的效果，因而開發(fā)高強度低合金化的Mg-RE系合金具有十分重要的工程和科學(xué)意義。

釤(Sm)作為一種輕RE元素，在Mg中的固溶度隨溫度的下降而降低，溫度分別在540和200 ℃時，Sm在Mg中的固溶度分別為5.7%和0.4%(質(zhì)量分數(shù)，下同)[18]，同時，在此過程中Sm和Mg會形成高熔點的強化相，因此Sm元素的添加對鎂合金有較好的固溶強化和時效強化效果。此外，相比于Gd和Y，Sm的價格相對便宜，并且在低溶質(zhì)含量條件下就可以實現(xiàn)鎂合金的高強化，因此，相比于Mg-Gd和Mg-Y系合金，Mg-Sm系合金的研究價值和應(yīng)用潛力更大。Guan等[19]對Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金的微觀組織和力學(xué)性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)該合金經(jīng)擠壓后得到了細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒(～0.47 μm)，并且產(chǎn)生了大量的〈c+a〉位錯；進一步經(jīng)T5時效處理后，高密度納米尺度盤狀β′相(底心斜方相)和薄片狀β″相(Mg3Sm相)從該基體中均勻彌散析出(圖1)，使得該合金的屈服強度達到了～416 MPa，同時延伸率達到了～5.1%。

圖1 Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金[19]：(a)合金析出相的TEM照片和選區(qū)電子衍射花樣,(b)擠壓+T5時效處理后合金中β′和β″相的放大照片F(xiàn)ig.1 Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr alloy[19]: (a) TEM image and the corresponding SAED pattern of precipitates of the alloy, (b) the magnified image of both β′and β″ phases of the alloy after extruding+T5 aging treatment

Nd元素的添加可以大幅提升鎂合金的室溫和高溫力學(xué)性能[20]。通常，在Mg-Nd系合金中添加少量的Zn和Zr等元素，可以達到更好的固溶強化和析出強化效果，從而提升鎂合金的強度。與此同時，通過優(yōu)化熱變形工藝(如軋制、擠壓等)，也可以將Mg-Nd系合金的晶粒尺寸細化至亞微米(甚至納米)尺度，從而進一步大幅度提升Mg-Nd系合金的強度。Jiri等[21]通過擠壓工藝制備了一種高強度的Mg-3Nd-0.5Zn合金，其室溫抗拉強度最高可達～385 MPa，同時延伸率為～2.8%，該合金的不足之處在于其延伸率較低。在此基礎(chǔ)上，Yuan等[22]通過二次擠壓工藝制備了Nd元素含量分別為2.1%和2.8%的Mg-Nd-0.2Zn-0.4Zr系列合金，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nd元素含量為2.1%且在較低的溫度下擠出時，該合金中形成了大量細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒以及較強的基面織構(gòu)，同時有大量Mg12Nd納米相沿晶界析出，其屈服強度為～541 MPa，延伸率為～3.7%。

2.2 Mg-Al系合金

Mg-Al系合金具有易于熔煉、密度較小和價格便宜等特點，且表現(xiàn)出較好的固溶強化和析出強化效果，合金中Al還可以起到改善鎂合金耐蝕性能、降低鎂合金凝固時的收縮率以及提高熔體流動性的效果，因而Mg-Al系合金目前在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過ECAP、DSR和ARB等工藝開發(fā)出了諸多高性能低合金含量的Mg-Al-Zn系合金(AZ31鎂合金為典型代表)。其中，ECAP和DSR工藝可以通過剪切變形達到細化晶粒的效果。Chang等[23]通過ECAP工藝制備了Mg-3Al-1Zn合金，其晶粒尺寸達到了～0.37 μm，同時其室溫屈服強度為372 MPa、抗拉強度為445 MPa、延伸率為9.7%。Kim等[24]通過優(yōu)化DSR工藝制備了一種晶粒尺寸為～0.6 μm的超高強度Mg-3Al-1Zn合金板材，研究結(jié)果表明，該合金板材室溫屈服強度最高可以達到～382 MPa，同時其抗拉強度為401 MPa，這是目前開發(fā)的一種力學(xué)性能較好的AZ31鎂合金板材。ARB工藝通過多次重復(fù)軋制可有效細化材料組織，從而提高AZ31合金板材的力學(xué)性能。Han等[25]研究了ARB工藝對Mg-3Al-1Zn合金板材微觀組織和力學(xué)性能的影響，并觀察了該鎂合金織構(gòu)的演變，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)織構(gòu)對鎂合金強度和塑性的改善有著重要的作用，研究結(jié)果表明，該合金的室溫屈服強度為169 MPa、抗拉強度為392 MPa、延伸率為28.8%，即制備了一種中等強度、高延展性的鎂合金板材。然而，上述大塑性變形制備鎂合金的成本較高、工藝復(fù)雜且無法連續(xù)生產(chǎn)，導(dǎo)致無法將該加工工藝推廣至大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用?；诔煞趾蛡鹘y(tǒng)工藝的優(yōu)化，從而實現(xiàn)AZ31等典型低合金化Mg-Al-Zn系合金綜合力學(xué)性能的提升仍然面臨著較大的挑戰(zhàn)。

一般情況下，Mg-Al二元合金的力學(xué)性能較差[26]，通過在該二元合金中添加Mn,Zn和Ca等廉價的合金化元素，可以有效提升其力學(xué)性能。Zeng等[27]開發(fā)了一種超高強度的Mg-3Al-1Zn-0.3Mn合金，研究發(fā)現(xiàn)，在175 ℃下擠出時，該合金晶粒尺寸可細化至～0.65 μm，且細晶強化效果顯著，其室溫屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為～380 MPa、～430 MPa和～13.2%。此外，在Mg-Al合金中添加Ca元素可以形成具有高熱穩(wěn)定性的Al2Ca、Mg2Ca和(Mg, Al)2Ca等第二相，這些第二相可以起到釘扎晶界的作用[28]。Zeng等[29]研究了不同Ca元素含量(分別為0.5%和1%)對Mg-3Al-1Zn-0.3Mn合金微觀組織和力學(xué)性能的影響(圖2)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ca元素含量為0.5%、擠壓溫度為250 ℃時, 該合金的平均晶粒尺寸為～2.6 μm，屈服強度為～380 MPa，延伸率為～5.1%;當(dāng)Ca元素含量為1%、擠壓溫度為250 ℃時，該合金的晶粒得到了進一步細化，其平均晶粒尺寸為～1.6 μm，屈服強度提高至～413 MPa，延伸率為～7.5%。通過分析可知，高密度的小角度晶界與位錯對合金強度的提高可起到關(guān)鍵作用；此外，Ca會沿著小角度晶界偏聚于位錯墻，使小角度晶界的熱穩(wěn)定性得到提升，從而有利于實現(xiàn)細晶強化，最終使AZ31系合金表現(xiàn)出高的強度水平(>400 MPa)。

圖2 合金的透射式電子背散射衍射照片和晶粒尺寸分布柱狀圖[29]：(a，e)AZ31，(b，f)Mg-3Al-1Zn-1Ca-0.3Mn，(c，g)Mg-3Al-1.5Zn-0.5Ca-0.3Mn，(d，h)Mg-3Al-1Ca-0.3MnFig.2 TKD-orientation maps and histograms showing grain size distribution of the alloys[29]: (a, e) AZ31, (b, f) Mg-3Al-1Zn-1Ca-0.3Mn, (c, g) Mg-3Al-1.5Zn-0.5Ca-0.3Mn, (d, h) Mg-3Al-1Ca-0.3Mn

盡管目前已經(jīng)開發(fā)出了多種高強度低合金化Mg-Al-Zn系合金板材，但其在室溫下的成形能力一般較差[30]，嚴重限制了該合金系板材的實際應(yīng)用。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者基于Mg-Al-Zn系合金進行了多元微合金化設(shè)計與工藝優(yōu)化，并取得了一定進展。Hono等[31]采用雙輥鑄軋工藝開發(fā)了一種新型Mg-1.3Al-0.8Zn-0.7Mn-0.5Ca合金板材(可實現(xiàn)亞快速凝固)，研究結(jié)果表明，該合金板材擁有良好的室溫成形性，其杯突值(index erichsen, IE)為7.8 mm，室溫屈服強度為～238 MPa。Trang等[32]也設(shè)計了一種室溫下具有良好成形性的Mg-3Al-1Zn-1Mn-0.5Ca合金板材，該合金板材IE為8 mm，室溫屈服強度為～219 MPa。

2.3 Mg-Ca系合金

Mg-Ca系合金具有成本低、密度低和生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點，在工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[33, 34]。Mg-Ca二元合金的共晶溫度為510 ℃，Ca在Mg中的最大溶解度為～1.2%。此外，Ca元素原子半徑(0.174 nm)明顯大于Mg元素原子半徑(0.136 nm)，且與典型的RE元素原子半徑接近(Gd：0.180 nm，Y：0.162 nm，Nd：0.182 nm)，因此，Ca元素表現(xiàn)出類似于RE元素的強化效應(yīng)和阻燃效果，目前性能優(yōu)異的阻燃鎂合金就是基于含Ca元素的合金體系進行設(shè)計的。同時，添加Ca元素可以降低鎂合金中非基面滑移的層錯能，并減小其〈a〉位錯交滑移到非基面的能壘，增強其變形前期的非基面〈a〉位錯滑移和其變形后期的〈c+a〉位錯滑移，進而提升鎂合金的塑性[35]。此外，Ca元素會在晶界處大量偏聚，并析出高密度Mg2Ca納米顆粒，該納米顆粒對鎂合金的晶界有強烈的釘扎作用，使得Mg-Ca系合金的強度最終可接近于Mg-RE系合金。

目前，基于熱力學(xué)計算和Mg-Ca二元合金相圖(圖3)，可以獲得Mg2Ca相的分布溫區(qū)，進一步通過調(diào)控?zé)崽幚砉に嚭蛿D壓參數(shù)(溫度、速度)，獲得高強度的Mg-Ca二元合金。Naoko等[36]研究了擠壓溫度對Mg-Ca二元合金(Ca原子百分數(shù)為0.3%)微觀組織和力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，該合金在250 ℃下擠出時，平均晶粒尺寸可達到～0.5 μm，同時室溫屈服強度為～363 MPa。Pan等[37]通過反向擠壓工藝開發(fā)了一種高強度Mg-Ca二元合金(Ca含量為1%)，其室溫屈服強度和抗拉強度分別達到了～310 MPa和～330 MPa。近期，基于合金成分與加工工藝優(yōu)化，Pan等[38]進一步開發(fā)出了一種超高強度Mg-Ca二元合金(Ca含量為1%)，該擠壓態(tài)合金的動態(tài)再結(jié)晶晶粒進一步細化至0.2～0.5 μm，且該鎂基體中存在有強基面織構(gòu)取向的亞晶晶粒組織，從而使該合金的室溫屈服強度提升至～377 MPa，同時抗拉強度也達到了～392 MPa。為了進一步闡明超細晶粒的形成機理，對該合金進行了TEM分析，發(fā)現(xiàn)鎂合金中Ca元素的添加可促進鎂基體的非基面滑移，同時在擠壓過程中，Ca元素會在晶界處發(fā)生動態(tài)偏聚從而阻礙再結(jié)晶晶粒的長大(圖4a)；此外，擠壓過程中還有大量球狀Mg2Ca納米相的析出(圖4b～4f)，該納米相可抑制亞晶晶粒多邊化的進程，并最終促進亞微米尺度晶粒的形成。細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒以及彌散析出的納米Mg2Ca相共同促進了該合金強度的提升。

圖3 Mg-Ca二元合金相圖Fig.3 Phase diagram of Mg-Ca binary alloy

圖4 Mg-Ca二元合金的TEM照片[38]：(a)未再結(jié)晶區(qū)組織照片，(b)再結(jié)晶晶粒組織照片，(c)Mg2Ca納米相的動態(tài)析出照片,(d)g=10-10光線條件下，未動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)再結(jié)晶晶粒的共存照片，(e)g=0 0 0 1光線條件下，未動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)再結(jié)晶晶粒的共存照片,(f)Mg2Ca的Z襯度照片F(xiàn)ig.4 TEM images of the Mg-Ca binary alloy [38]: (a)image of recrystallization region, (b)image of non-recrystallization region, (c) dynamically precipitating image of Mg2Ca nano-phases, (d) co-existence grains of unDRXed region and DRXed region in the beam condition of g=10-10, (e) co-existence grains of unDRXed region and DRXed region in the beam condition of g=0 0 0 1, (f) the Z-contrast image of Mg2Ca phases

Mg-Sn-Ca合金由于具備顯著的晶粒細化以及可形成高熔點第二相等特點，因此作為具有發(fā)展?jié)摿Φ母邚娔蜔徭V合金引起了人們的關(guān)注。Chai等[39]研究了較寬Ca元素含量范圍對Mg-1.0Sn-0.5Zn合金微觀組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ca元素的添加能夠改善Mg-1.0Sn-0.5Zn合金的晶粒結(jié)構(gòu)，從而提升該合金的抗拉強度；當(dāng)Ca元素含量為1%時，該合金室溫抗拉強度可達到～310.9 MPa，延伸率約為23.6%。

在此基礎(chǔ)上，基于Mg-2Sn-xCa合金的相圖(圖5)，近期，Pan等[40]在Mg-2Sn中添加了1%的Ca元素，開發(fā)了一種高強度Mg-2Sn-1Ca合金。研究發(fā)現(xiàn)，Mg-2Sn-1Ca合金在260 ℃下擠出時，其晶粒尺寸可細化至～0.8 μm，并形成高密度的位錯、亞晶界和Mg2Ca納米沉淀析出相，該合金室溫屈服強度為～269 MPa，抗拉強度為～305 MPa，延伸率為～6%。在Mg-2Sn合金的基礎(chǔ)上，Pan等[41]進一步設(shè)計了Mg-2Sn-2Ca合金，并探究其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，該合金在220 ℃擠出時，其室溫屈服強度為～443 MPa，抗拉強度為～460 MPa，比較可知，該合金強度為非稀土類變形鎂合金的最高強度，即實現(xiàn)了低成本、高強度低合金化鎂合金的制備。

圖5 Mg-2Sn-xCa合金相圖Fig.5 Phase diagram of Mg-2Sn-xCa alloy

鑒于Mn元素同樣具有改善合金力學(xué)性能的作用，Zhang等[42]近期開發(fā)了一種新型超高強度與中等塑性的Mg-2.0Sn-1.95Ca-0.5Mn合金，研究發(fā)現(xiàn)，Mn元素的添加增加了該合金動態(tài)再結(jié)晶過程的形核率，有利于該合金晶粒的細化；同時提高了該合金孿晶的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒直接在孿晶處形核，使得該擠壓態(tài)合金的織構(gòu)得到了顯著弱化，有利于其塑性的提高；此外，Mn顆粒本身作為強化相也可促進該合金強度的提升。因此，該擠壓態(tài)合金的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別達到了～450 MPa、～462 MPa和～5%。

此外，Mg-Ca-Zn系合金由于具有成本低、力學(xué)性能優(yōu)異等特點而受到廣泛關(guān)注[43, 44]。圖6為Mg-0.5Ca-xZn合金的相圖，通過該相圖可以制定出鎂合金中合理的Zn元素添加量和熱處理工藝。Zhang等[45]通過對Mg-0.5Ca-1Zn合金在不同溫度下進行擠壓，發(fā)現(xiàn)在310 ℃擠壓時，該合金的位錯密度最高，此時晶粒尺寸為0.5～0.6 μm，抗拉強度為～300 MPa。Kang等[46]通過向Mg-2Zn合金中添加不同含量的Ca元素，研究發(fā)現(xiàn)隨著Ca元素含量的增加，該合金的強度逐漸提高，但其延伸率反而逐漸下降。這是由于隨著Ca元素含量的增加，該合金晶粒逐漸細化，從而使其強度得到提高，但是Ca元素的添加使得該擠壓態(tài)合金中仍有少量未再結(jié)晶區(qū)域存在，因而降低了其塑性。Li等[47]研究了不同擠出速度(0.01，0.05，0.1和0.5 mm/s)對Mg-0.5Ca-4Zn合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該合金的強度隨著擠出速度的降低而逐漸升高，當(dāng)擠出速度為0.5 mm/s時，晶粒尺寸為1.75 μm，此時該合金的室溫抗拉強度最低，為～337 MPa；當(dāng)擠出速度降低到0.01 mm/s時，晶粒尺寸為0.98 μm，此時，合金的室溫抗拉強度最高，為～371 MPa。該合金的高強度是晶粒細化、動態(tài)沉淀析出和織構(gòu)強化共同作用的結(jié)果。

圖6 Mg-0.5Ca-xZn合金相圖Fig.6 Phase diagram of Mg-0.5Ca-xZn alloy

2.4 Mg-Zn系合金

Zn是鎂合金中一種重要的合金元素，鎂合金中添加的Zn元素在后續(xù)的時效過程中會以β′強化相的形式析出，可起到析出強化的效果，從而有利于合金強度的提高。然而，為實現(xiàn)低合金化的設(shè)計(Zn質(zhì)量分數(shù)小于4%)，Mg-Zn系合金的析出強化效果往往得不到充分體現(xiàn)；并且相對于Mg-Ca系合金，Mg-Zn系合金的晶粒細化效果也不夠顯著，因此低合金化Mg-Zn系合金的力學(xué)性能往往較差，需要進一步添加Mn和Ca等元素來改善其微觀組織與力學(xué)性能。

Mn元素添加量較低時，可以起到去除合金中Fe雜質(zhì)的作用；Mn元素含量較高時，可以析出Mn單質(zhì)或含Mn的強化相(如AlMn相等)，從而起到析出強化的效果，改善合金的力學(xué)性能[48, 49]。例如，Pan等[50]研究了不同Mn元素含量(分別為1%和2%)對Mg-2Zn-0.3Sr合金微觀組織與力學(xué)性的影響，研究結(jié)果表明：Mn元素含量為2%時，該合金可獲得最優(yōu)的力學(xué)性能，其室溫抗拉強度為～333 MPa，延伸率為～17%。該合金的高強度是細晶強化、彌散強化和析出強化等共同作用的結(jié)果。She等[51]向Mg-2Zn合金中添加Mn元素，研究發(fā)現(xiàn)，Mn元素含量為2%時，該合金動態(tài)再結(jié)晶晶粒從20 μm顯著細化到了2 μm，并且大量細小的Mn單質(zhì)析出相有效阻礙了擠壓過程中新生晶粒的長大，使得該合金的抗拉強度達到了～315 MPa，延伸率也高達～24%。

此外，結(jié)合Ca和Mn的優(yōu)勢，Jiang等[52]開發(fā)了一種新型低合金化Mg-0.21Zn-0.3Ca-0.14Mn合金(溶質(zhì)含量小于1%)，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠壓溫度為300 ℃時，該合金得到了細小動態(tài)再結(jié)晶晶粒(～2.3 μm)和粗大未動態(tài)再結(jié)晶晶粒并存的雙峰組織，其屈服強度為～307 MPa，延伸率為～20.6%；同時，該合金在擠壓過程中析出的細小球狀Mg2Ca和α-Mn相，對動態(tài)再結(jié)晶晶粒的長大有阻礙作用，并對最終雙峰組織的形成起到了關(guān)鍵的促進作用，如圖7所示。

總結(jié)近年來國內(nèi)外學(xué)者對高強度低合金化鎂合金的研究成果(圖8)，可以看出，Mg-RE[19, 21, 22, 53]、Mg-Al[23, 24, 27, 29, 54]和Mg-Ca[35-37, 40, 41, 44-46]系合金的屈服強度相對較高，其中Mg-RE系合金屈服強度可超過500 MPa，合金含量也可保持在4%左右；而Mg-Ca系合金在合金含量低于1%的條件下，其屈服強度就可達到350 MPa；此外，Mg-Zn[49-51]系合金的成分含量跨度較大，幾乎覆蓋低合金化的所有成分含量區(qū)間，但其屈服強度相對較低，僅在300 MPa左右。

圖7 300 ℃下擠壓的Mg-0.21Zn-0.3Ca-0.14Mn合金[52]：(a)TEM照片,(b)圖7a中矩形區(qū)域的高角環(huán)形暗場像照片,(c)SEM照片,(d～g)圖7c的EDX元素面掃照片,(h)[11-20]Mg光線方向含Ca球形析出相的選區(qū)電子衍射花樣Fig.7 Mg-0.21Zn-0.3Ca-0.14Mn alloy extruded at 300 ℃[52]: (a) TEM image, (b) high-angle annular dark-field image of rectangular region in Fig.7a, (c) SEM image; (d～g) corresponding EDX elemental mappings of selacted area in Fig.7c, (h) corresponding selected area electron diffraction pattern of the Ca contained spherical precipitate taken from the beam direction of [11-20]Mg

圖8 不同低合金化鎂合金體系屈服強度與合金含量關(guān)系圖：(a)Mg-RE[19, 21, 22, 53]，(b)Mg-Al[23, 24, 27, 29, 54]，(c)Mg-Ca[35-37, 40, 41, 44-46]，(d)Mg-Zn[49-51],(e)圖8a～8d合金系匯總圖Fig.8 The relationship diagrams between yield strength and alloy content of different low-alloyed magnesium alloy systems: (a) Mg-RE[19, 21, 22, 53], (b) Mg-Al[23, 24, 27, 29, 54], (c) Mg-Ca[35-37, 40, 41, 44-46], (d) Mg-Zn[49-51], (e) summary diagram of the alloy systems in Fig.8a～8d

3 結(jié) 語

近年來，鎂合金產(chǎn)品的類型逐漸多樣化、應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，特別是在交通運輸、航空和航天等領(lǐng)域，人們對于低成本、高性能鎂合金的需求也日益迫切，高強度低合金化鎂合金的成功制備將大幅拓寬鎂合金的應(yīng)用范圍。然而，低合金化鎂合金的強度和塑性難以兼?zhèn)?，目前開發(fā)的高強度低合金化鎂合金的延伸率和成形性一般較差，特別是一些超高強度的鎂合金。因而，開發(fā)和設(shè)計出高強度、高延展性和高成形性兼?zhèn)涞牡秃辖鸹?、高性能鎂合金具有重要意義，并且已成為未來鎂合金發(fā)展的一個重要方向。未來鎂合金的發(fā)展可圍繞以下幾個方面進行：① 結(jié)合各體系鎂合金的特點，探究與設(shè)計新型的多組元、低(微)合金化鎂合金；② 探究適合低合金化鎂合金成型的加工方法和實現(xiàn)高性能化鎂合金的工藝設(shè)計與優(yōu)化方法；③ 闡明低合金化鎂合金實現(xiàn)高強高韌力學(xué)性能的微觀機制，并探索全新的高強韌鎂合金的設(shè)計理念。