探秘镁合金热处理：如何让材料性能实现质的飞跃？
探秘镁合金热处理：如何让材料性能实现质的飞跃？
在现代材料科学与工程领域，镁合金以其独特的性能优势逐渐崭露头角。它具有低密度、高比强度、良好的电磁屏蔽性以及可回收性等特点，在航空航天、汽车制造、电子通讯等众多行业中展现出了广阔的应用前景。然而，镁合金在原始状态下的性能往往难以满足复杂工程应用的多样化需求，这就使得热处理技术成为了提升镁合金性能的关键手段之一。
热处理技术通过对镁合金进行加热、保温和冷却等操作，能够显著改变其微观组织和结构，进而优化其力学性能、物理性能以及加工性能。例如，经过适当的热处理，镁合金的强度可以得到大幅提高，使其能够承受更大的载荷；同时，其韧性和塑性也能得到改善，增加了材料在加工和使用过程中的可靠性和稳定性。对于不同类型的镁合金和不同的应用场景，需要精准选择合适的热处理工艺，以达到最佳的性能提升效果。
接下来，我们将深入探讨镁合金热处理技术的各个方面，包括其常见的热处理类型、工艺的选择与应用以及热处理后镁合金性能的变化，旨在为镁合金的更广泛应用和深入研究提供有力的技术支持和理论依据。
镁合金热处理技术概述
镁合金作为一种重要的金属结构材料，在多个行业中有着广泛的应用。热处理技术在改善镁合金的力学性能和加工性能方面起着至关重要的作用。
镁合金的常规热处理工艺主要分为退火和固溶时效两大类。退火能够显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性，有利于后续加工。变形镁合金可采用高温完全退火和低温去应力退火，完全退火能消除加工硬化效应，恢复和提高塑性；去应力退火可减小或消除变形镁合金制品在冷热加工等过程中产生的残余应力，也能消除铸件或铸锭中的残余应力。
固溶时效处理则是先将镁合金加热到单相固溶体相区内的适当温度，保温适当时间，使原组织中的合金元素完全溶入基体金属中，形成过饱和固溶体。由于合金元素和基体元素的原子半径和弹性模量的差异，使基体产生点阵畸变，从而阻碍位错运动，使基体得到强化。人工时效是将具有时效强化特征的合金在高温下进行固溶处理，得到不稳定的过饱和固溶体，然后在较低温度下进行时效处理，产生弥散的沉淀相，提高镁合金的屈服强度。
综上所述，镁合金热处理技术通过不同的工艺手段，能够有效地改善镁合金的性能，满足不同应用场景的需求。
热处理类型详解
退火处理
完全退火：完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应，恢复和提高其塑性，以便进行后续变形加工。例如，对于 MB8 合金，当要求其强度较高时，退火温度可定在 593 - 623K 之间；当要求其塑性较高时，退火温度可以稍高一些，一般可以定在 653 - 683K 之间。几种变形镁合金的完全退火工艺规范各不相同，通常这些工艺可以使镁合金制品获得实际可行的最大退火效果。变形镁合金的再结晶退火温度为 280 - 400℃，退火保温时间为 2 - 8h。当镁合金含稀土时，其再结晶温度升高，如 AM60、AZ31、AZ61、AZ60 合金经热轧或热挤压退火后组织得到改善。
去应力退火：去应力退火既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力，也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。对于变形镁合金，表 3 列出了去应力退火工艺，如将镁合金挤压件焊接到镁合金冷轧板上，应适当降低退火温度并延长保温时间，例如应选用 523K/60min 退火而不采用 533K/15min。对于铸造镁合金，凝固过程中模具的约束、热处理后冷却不均匀或者淬火引起的收缩等都是产生残余应力的原因。铸造镁合金消除内应力退火温度一般为 150 - 280℃，保温时间为 0.25 - 1h。镁合金铸件中的残余应力一般不大，但由于镁合金弹性模量低，在较低应力下就能使铸件产生相当大的弹性应变，所以必须彻底消除铸件中的残余应力以保证其精密机加工时的尺寸公差、避免翘曲和变形以及防止 Mg - Al 铸造合金焊接件发生应力腐蚀开裂等。
固溶淬火和人工时效处理
固溶淬火处理：镁合金经过固溶淬火后不进行时效可以同时提高其抗拉强度和伸长率。由于镁合金中原子扩散较慢，因而需要较长的加热（或固溶）时间以保证强化相充分溶解。Mg - A1 - Zn 合金经过固溶处理后 Mg17Al12 相溶解到基体镁中，合金性能得到较大幅度提高。例如，镁合金砂型厚壁铸件的固溶时间最长，其次是薄壁铸件或金属型铸件，变形镁合金材料的最短。
人工时效处理：析出强化是镁合金强化（尤其是室温强化）的重要机制。合金中合金元素的固溶量随温度的降低而减少，并发生时效强化。对具有时效强化特征的合金进行高温固溶处理，获得不稳定的过饱和固溶体，然后在低温时效，析出相提高镁合金的屈服强度和强度。时效处理的本质是脱溶或沉淀，让固溶体中的溶质脱离出来，以沉淀相析出。过饱和的溶质便会以沉淀相脱溶出来，弥散分布在基体中，对材料内部滑移、孪晶等起到阻碍作用。
热处理工艺的选择与应用
不同的镁合金类别以及预期的服役条件决定了热处理工艺的选择。固溶处理可以提高镁合金的强度并获得最大的韧性和抗冲击性。例如，对于一些变形镁合金，固溶处理后能够使内部的强化相充分溶解到基体中，显著提高合金性能。以 Mg-A1-Zn 合金为例，经过固溶处理后 Mg17Al12 相溶解到基体镁中，合金的强度和韧性得到较大幅度提高。
人工时效处理能提高镁合金的硬度和屈服强度，但是会略降低其韧性。在实际应用中，对于一些需要较高硬度和屈服强度的零件，可以选择人工时效处理。比如某些特殊的镁合金铸件，经过人工时效处理后，其硬度和屈服强度能够满足特定的工作要求。
如果没有进行预固溶处理或退火而直接进行人工时效，可以消除铸件的应力，略微提高其抗拉强度。对于一些对尺寸稳定性要求较高的铸件，这种处理方式可以在一定程度上提高铸件的质量。
退火处理则可以显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性，对某些后续加工有利。例如，对于一些需要进行复杂形状加工的镁合金零件，可以先进行退火处理，提高其塑性，以便更好地进行后续的加工操作。
此外，在基本热处理工艺上进行适当调整后发展起来的一些新工艺，可以应用于某些特殊镁合金，从而获得所期望的性能组合。比如，延长某些镁合金铸件的时效时间可以显著提高其屈服强度，但会降低部分塑性。在实际生产中，可以根据具体的需求来选择合适的热处理工艺，以满足不同应用场景下镁合金的性能要求。
综上所述，根据镁合金的类别和服役条件选择合适的热处理工艺，能够充分发挥镁合金的性能优势，满足不同领域的应用需求。
热处理后的性能变化
镁合金经过热处理后，其金相组织和力学性能会发生显著变化。
金相组织变化
热处理过程中的温度和时间控制对镁合金的晶粒尺寸有着重要影响。例如，北航的研究通过剧烈塑性变形技术成功调控商业纯镁的晶粒尺寸，从亚微米到数十微米范畴。当晶粒细化到 1μm 以下时，晶界滑移取代常规的基面滑移和孪晶变形，成为主导的变形机制，带来材料室温塑性的巨大提高。
同时，第二相的形态和分布也会发生改变。如在 Mg-6Al-1Zn-0.7Si 镁合金中，固溶处理可以使汉字状的 Mg2Si 相变为短杆状和条块状。在 AZ 系镁合金中，经退火 + 深冷 + 时效热处理后，晶界和晶内会大量析出细小弥散的第二相。
力学性能变化
晶粒细化的影响：晶粒细化可大幅提高金属材料的力学性能。当镁合金晶粒尺寸降低时，材料的强度和塑性同步提高。平均晶粒尺寸为 1.57μm 的样品具有最高的屈服强度和较好的延伸率。特别地，超细晶纯镁样品（d = 0.65μm）的屈服强度和抗拉强度虽较低，但断裂延伸率高达 60% 以上，是常规粗晶纯镁样品的 6 倍。
第二相析出的影响
第二相的析出对镁合金的变形能力和强度有着复杂的影响。在 AZ 系镁合金中，轧制态 AZ 系镁合金的主要强化机制为固溶强化和位错强化，材料强度高、塑性差。经退火 + 深冷处理，合金中第二相析出较少，但大晶粒或细长晶粒在深冷处理的温度应力作用下破碎，材料的屈强比降低，应变硬化指数增大，塑性提高不多。而经退火 + 深冷 + 时效热处理后，应变硬化指数有所增大，晶界和晶内大量细小弥散析出的第二相有利于变形时不同滑移系的启动，提高了材料均匀变形能力，强度也随之增加，屈强比进一步降低。
在 Mg-6Al-1Zn-0.7Si 镁合金中，添加 0.4% Sb 到实验合金中可使固溶处理变质汉字状 Mg2Si 相的效果提高，使得合金时效处理后获得了较铸态更高的抗拉性能和抗蠕变性能。
综上所述，镁合金经热处理后，其金相组织和力学性能会发生显著变化，通过合理控制热处理工艺，可以获得满足不同应用需求的性能组合。