摘 要

针对工业轻量化的发展趋势，本文试着开发一种轻质高强的金属材料，探究其性能与应用前景。铝镁合金有着优异的性能，具有较低的密度和较高的强度，同时还具有优良的抗腐蚀性。镁的加入，不仅能减轻铝镁合金的重量，还能增加固溶强化的作用。过去的文献对超高镁含量的铝镁合金的研究甚少。

本文主要研究了Al-15wt%Mg的固溶处理工艺，希望得到α单相固溶体；对固溶处理后的Al-15wt%Mg进行常规轧制，使之产生剧烈变形以提高硬度和强度；研究轧制后的Al-15wt%Mg合适的退火工艺，期望得到塑性与强度俱优的最终产品。

研究结果表明：

1. Mg的固溶强化作用非常明显，固溶处理后的塑性与强度能得到较大提升；

2. 轧制能极大地增加合金的强度，轧制后的抗拉强度最高能达到700MPa，同时硬度能达到HV210；

3. 经退火后的合金的强度仅有少量下降，但材料对退火温度非常敏感，在150℃以上退火时材料的塑性很快下降，反而不宜使用。

关键词：铝镁合金；固溶强化；均匀化处理；轧制；退火

Abstract

In light of the development trend of industrial lightweighting, this paper tries to develop a lightweight, high-strength metal material and explore its performance and application prospects. Aluminum-magnesium alloys have excellent properties, including its low density and high strength, meanwhile with excellent corrosion resistance. The addition of magnesium can not only reduce the weight of aluminum-magnesium alloys, but also increase the effect of solid solution strengthening. In the past literature, very little research has been done on ultra-high magnesium content aluminum-magnesium alloys.

This paper mainly studied the Al-15wt%Mg solution treatment process, hoping to get α single-phase solid solution; Conventional rolling will be taken to Al-15wt%Mg after the solution treatment, so that it has a severe deformation to improve the hardness and strength; A suitable annealing process for the Al-15wt%Mg after rolling is expected to result in a final product with superior plasticity and strength.

Research indicates:

1. The solid solution strengthening effect of Mg is very obvious, and the plasticity and strength after solution treatment can be greatly improved;

2. Rolling can greatly increase the strength of the alloy, the maximum tensile strength after rolling can reach 700MPa, while the hardness can reach HV210;

3. The strength of the annealed alloy decreases only slightly, but the material is very sensitive to the annealing temperature, and the plasticity of the material is rapidly decreased when the annealing temperature is higher than 150°C. It is not suitable for use.

Key Words：aluminium magnesium alloy; solution strengthening; homogenization treatment; rolling;; annealing

目 录

摘 要 II

Abstract III

目 录 IV

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 金属材料的发展趋势 1

1.1.2 铝合金材料简介 1

1.2 铝镁合金概论 2

1.2.1 铝镁合金简介 2

1.2.2 镁元素在合金中的作用 3

1.2.3 铝镁合金的强化机制 4

1.3 论文研究意义及内容 5

1.3.1 研究意义 5

1.3.2 研究内容 7

第2章 实验材料与研究方法 9

2.1 实验材料 9

2.2 主要实验操作设备 9

2.2.1 切割设备 9

2.2.2 热处理设备 9

2.2.3 轧制设备 9

2.2.4 抛光设备 11

2.3 主要测试和测量仪器 11

2.3.1 XRD（X-Ray Diffraction，X射线衍射）分析仪 11

2.3.2 SEM 11

2.3.3 万能材料试验机 12

2.3.4 显微硬度计 12

2.3.5 TG-DSC 12

2.4 主要实验内容 12

2.4.1 固溶及均匀化处理温度的确定 12

2.4.2 变形Al-15wt%Mg合金的制备 13

2.4.3 退火温度的确定 13

2.5 主要测试内容 14

2.5.1 微观组织研究 14

2.5.2 力学性能研究 14

第3章 实验测试结果 16

3.1 固溶处理温度的确定 16

3.2 用SEM观察微观组织 17

3.2.1 铸态Al-15wt%Mg的微观结构和成分分析 17

3.2.2 固溶处理态试样的微观结构和成分分析 22

3.3 拉伸性能与断口形貌 25

3.3.1 拉伸性能横向比较 25

3.3.2 时效作用的可能性 31

3.4 XRD衍射图谱 32

第4章 结论与探讨 34

参考文献 35

致谢 37

绪论

研究背景

金属材料的发展趋势

几千年来，金属的性质始终让人们着迷，它们在生活生产和战争中为人类提供了无可比拟的优良性能。早在石器时代，人类就开始认识黄金这种天然的贵金属；而早在公元四千年前，人类就开始从矿石中提炼出铅和银。随后，人们不断改进金属的提炼技术，提炼出了铜、铁、锡等多种金属。近代以来，随着现代自然科学的建立和发展，越来越多的金属被发现和提炼，包括铝、镁、钛等……不断地填充并丰富着元素周期表。

然而，单质金属的材料性能具有巨大的局限，尤其是强度较低，能承受的载荷有限，不利于实际生活生产中使用。因此人们将不同种金属材料（或非金属材料）复合起来，开发出各种各样的合金。常见的合金有铁基合金、铝基合金、铜基合金等。经合金化处理后，材料的力学性能，尤其是硬度和强度，往往得到大幅度增强，但塑性和韧性有一定程度的降低。

随着现代社会的发展，传统金属材料笨重的特点越来越突出。人们为了提高生活生产的效率，倾向于对工业生产进行轻量化改革。尤其在航空航天、汽车制造等行业领域，出于轻量化的要求，结构减重对于飞行器、汽车制造具有重要的现实意义。在保证强度符合要求的前提下，大量原来使用钢铁材料的器件被铝合金材料替换，大大减轻了产品的重量。可以预见，在快速发展的步伐下，人们不会满足于现有的情况。金属结构材料仍将继续向轻质高强的方向发展。

铝合金材料简介

铝是银白色，轻质，柔软，无磁性，延展性好的硼族金属元素。作为地壳中含量最丰富的金属元素，其含量仅次于氧和硅，列所有元素中第三位，质量分数约为8%。铝由于具有良好的耐腐蚀性和塑韧性，是工业中应用最广泛的有色金属材料。铝的主要矿石是铝土矿，由于其化学性质很活泼，所以自然界中几乎没有天然的纯铝，而是更多地以氧化物或硅酸盐的形式存在。纯铝的晶体结构为面心立方结构（FCC），具有较多的滑移面和滑移系，因此具有良好的塑性。因此纯铝具有良好的加工性能，容易加工、铸造、拉伸和挤压，常用于拉成细丝或轧成箔片，或者利用其良好的导电性能而用于制作电线、电缆等。铝的原子序数为13，稳定的同位素的相对原子质量为26.9815385，因此纯铝的比重较轻，相对密度约2.70，仅为纯铁的约三分之一。铝质地比较软，莫氏硬度仅约2.75；维氏硬度仅160MPa到350MPa，仅为纯铁的二分之一；弹性模量为70GPa，剪切模量为26GPa，仅为铁的三分之一。

铝合金是指以铝为主要元素的合金，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用^[1]。尽管纯铝的强度较低，屈服强度仅为7-11MPa，然而在添加一定元素形成铝合金后，其屈服强度却能大大提高，可达到200-600MPa，接近或超过优质钢。铝合金本身密度较低，能形成比较高的比强度，而且塑性较好，较易于加工，故能成为理想的结构材料。

铝合金的种类较多，可添加的元素较丰富。典型的合金元素是铜，镁，锰，硅，锡和锌。根据主要添加元素含量的多少，可以分为两类，即铸造铝合金和形变铝合金（锻造铝合金）；其中形变铝合金又可分为可热处理型与不可热处理型。大约85%的铝用于制作形变铝合金产品。此外，根据能否时效硬化，铝合金还可分为可时效硬化型铝合金和不可时效硬化型铝合金。

铝镁合金概论

铝镁合金简介

铝镁合金（有时也称镁铝合金）是一种含有镁的铝合金，可用于工程和烟火。含少量镁（约5％）的合金是一种优良的工程结构材料，工业上的牌号为5000系列。相比于纯铝，它具有更高的强度，更高的耐腐蚀性和更低的密度。这种合金比纯铝更易于焊接和加工。虽然它们通常比铝更昂贵，但是具有低含量镁的合金的高强度，低密度和更大的可加工性导致其在飞机和汽车部件中的使用。由于少量的镁能提高铝合金的抗腐蚀性，所以5000系合金也可以用于海洋工程。一些以耐腐蚀性差为代价用于特定用途的合金可能含有高达50％的镁。含有大量镁（约50％）的合金比铝更易碎，更容易腐蚀。由于含镁量约50％的合金易碎易腐蚀，不适合大多数工程用途。然而，这些合金在粉末时易燃，既比纯镁更耐腐蚀，且又比纯铝更具反应活性，因此作为金属燃料用于制造烟火和产生火花。由于在镁的反应性和铝的稳定性之间提供了一个很好的折中方案，它可以在燃烧时发出爆裂声。同时，它被用作烟火时的另一个优点是合金的脆性。用锤子就能很容易破碎，在转盘研磨机或球磨机中研磨成可用的粉末。这个生产过程在几个小时内就能完成，而于此同时用铝粉则需要做好几天。本文主要研究的是作为工程结构材料的镁铝合金。此外，值得一提的是，标题中的超高镁含量是指与镁在铝中的固溶极限（17%）以及实际生产中常用铝镁合金的镁含量（大多数不超过5%，目前有产业化前景的最高约10%）相比，本文研究的合金中镁的含量明显较高，特此声明。

变形铝镁合金属于不可时效硬化型铝合金。铝镁合金具有很好的耐腐蚀性，和相对优异的力学性能，因此具有巨大的市场潜力。以Mg为主要合金元素的5XXX系列Al-Mg合金因具有中等强度、良好的耐锈蚀及较高的成形性能被用于防撞梁、发动机盖板、油箱等车身零部件^[2]。随着国外汽车全铝车身车型推出，汽车用铝已经在以钢为主的汽车车身上得到广泛应用，甚至超过钢材^[2]。

5005铝合金是一种耐大气腐蚀的铝合金，含镁量约0.8wt%，强度不高，但塑性成型性良好，耐蚀性好，可用作承受较低应力的构件，常用于装饰和建筑应用。5083铝合金是含有镁和微量锰和铬的铝合金，含镁量约为4.4%。它非常耐受海水和工业化学品的攻击，而且具有优良的焊接性能，能在焊接后保持优异的强度。它具有非热处理合金的最高强度，但不建议在超过65°C的温度下使用。

镁元素在合金中的作用

镁能降低铝合金的密度。镁的原子序数为12，相对原子质量约为24.305，原子半径约160pm。镁的密度仅为铝的三分之二，因此，从宏观上可以想象，向铝基体中添加镁能进一步降低铝合金的密度。从微观上说，镁与铝的原子半径相差11.8%，二者固溶时形成置换固溶体。当Mg取代晶格中的Al原子时，由于Mg的原子质量较小、而原子半径大，降低了单胞的质量，增大了单胞的体积，使得材料的密度有所降低。并且Mg含量越高，铝合金密度越低。

镁能提高铝合金的耐蚀性。作为第三周期第二主族的元素，其单质有着比较强的化学活性。由于化学活泼性高，金属镁是耐腐蚀性能最差的金属之一。在酸性、中性和弱碱性溶液中它都会受到腐蚀而变成Mg² 离子。各种类型大气均会对镁产生程度不同的腐蚀作用。然而，当镁溶入铝合金时，却能提高固溶体整体的耐蚀性。由于防锈铝镁合金的表面会自然形成一层极薄的氧化膜，这层膜能使得合金具有一定的抗腐蚀能力。此外，通过对合金进行特殊的表面处理，如钝化、阳极氧化、电镀、喷涂等处理后，铝制品的耐蚀性能进一步增强。

镁能提高铝合金的强度。Mg的固溶强化对合金的强度有着重要的贡献，有研究表明，向铝基体中每增加1wt.%的镁，可使材料的强度提高约35MPa。当镁固溶在铝基体中时，能使晶格产生一定的畸变，对位错起到钉扎作用。此外，当铝镁合金形成单相固溶体时，由于单相固溶体具有良好的塑性，可以利用塑性变形制备强度更高的合金。

铝镁合金的强化机制

从金属材料常用的强化机制来分析，对于合金的强化机制主要有细晶强化、沉淀强化、位错强化、固溶强化等。这几种强化机制在铝镁合金中都有所体现，对于形变铝镁合金，最主要的强化机制是细晶强化和位错强化，同时有一定的固溶强化，对于本课题中研究的超高镁含量合金，可能有一定的析出（沉淀）强化。

镁原子固溶在铝的基体中，会使铝的晶格发生一定的畸变，从而在集体中产生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力，使材料得到强化。固溶的镁原子越多，固溶强化的效果就越强。在镁含量超高的情况下，尤其是未经过固溶处理的合金，会析出大量的第二相，降低固溶强化的作用，同时使脆性大大提高。因此应对合金进行固溶和均匀化处理，消除第二相，增强固溶效果。

形变铝镁合金由于经常会在加工中受到较大的变形，产生大量的位错，而大量位错之间产生交互作用，形成大料的交割、缠结，互相阻碍对方的运动，从而提高了铝合金的强度。位错强化受加工时温度高低的影响较大。当温度较高时，由于在加工过程中出现了回复和再结晶的过程，会使得位错强化的效果减弱；当温度较低时，由于原子的自由能降低，位错将更易于聚积，但也容易因大量位错堆积而产生脆性。

如果加工过程中温度较高，或者加工时升温较快、放热较多，或者对加工后的产品进行退火，都有可能会使合金产生回复和再结晶。对于形变铝合金而言，由于遭受强烈的变形，其原有的晶界会产生强烈的变形。对于本课题研究的轧制下的铝合金，其沿着轧制方向的晶界会发生剧烈的拉长。随着晶界的面积大大增加，晶界能也大大增加，在一定的升温条件下，会发生晶粒细化。晶粒越细小，晶界、亚晶界越多，对位错运动的阻碍程度就越大，并能产生位错塞积强化。而且，细晶强化不仅提高铝合金的强度，还能提高铝合金的塑性和韧度，是最理想的强化机制。

室温时镁在铝中的溶解度约为1.5%，在450℃时镁达到在铝中的最大溶解度17%。从热力学的角度上说，室温下凡是镁含量高于1.5%的合金都有析出第二相的倾向。在铝镁合金中，主要的第二相是Al3Mg2。该相为脆性相，聚集在晶界处会大大增加开裂倾向，使材料变脆。特别的，对于本课题研究的合金而言，由于其镁含量极高，接近在铝中的固溶极限。因此即使在固溶处理之后，在后续处理中也有可能析出第二相。然而，根据析出第二相的位置、形态和大小的不同，合金性能的变化也不尽相同。在高合金钢中已有通过析出弥散细小的碳化物强化合金组织的实例。因此，尽管通常我们避免这种相，但在铝合金中，尤其在本课题研究的这种合金中，这种强化机制的可能性尚不能断定没有。

论文研究意义及内容

研究意义

航空、航天以及汽车等工业材料发展的趋势主要包括轻量化、高性能、低成本、耐蚀、安全和环保节能等方面。出于轻量化的要求，结构减重对于飞行器、汽车制造具有重要的现实意义，因此低密度、高比刚度铝合金的发展在航空、航天、汽车、列车、城市轨道交通（如地铁、轻轨等）等行业领域中具有广泛的需求前景。为了进一步降低Al合金的密度，采取提高Mg在Al中的含量、发展高Mg含量Al-Mg合金的思路：Mg比Al的原子量小，降低质量，Mg比Al原子半径大，增大晶格常数和体积；同时，Mg含量增加提高了固溶强化，增大Al-Mg合金强度。因此提高Al合金中的Mg含量不仅能减轻合金重量，而且能提高合金强度，因此也提高了比强度。在已有的文献中，目前已生产一系列较为成熟的5000系铝镁合金，如5005、5083。但这些合金往往Mg含量不高，相对Mg含量较高的5083Al合金中也仅含约4.5%（质量分数，下同），远远小于Mg在Al中的固溶极限（17%）。目前研究中有产业化前景的Al-Mg合金的Mg含量最高为10%，本课题希望能进一步提高Al-Mg合金中的Mg含量。

图 1.1 铝镁合金二元相图

5系铝合金属于不可热处理强化型合金，凝固过程形成的结晶相尺寸大小及分布对合金性能有显著影响，均匀化工艺合金组织中形成的弥散相种类和大小影响合金退火再结晶程度及合金强度性能^[2]。向铝中添加镁会大大增加强度（见图6），但也会使Al-xMg合金的变形较小^[3]。均匀化大大改善了Al-xMg合金的变形性能，特别是对于高Mg含量的Al-xMg合金^[3]。

对于不可热处理强化型合金，形变强化是这类合金的有效强化方法。多年来，人们都知道，大量的塑料应变对材料的微观结构和力学性能有很大的影响^[4]。作为一个例子，人们可以使用众所周知的绘图或冷轧过程，这些过程伴随着强化的谷物提纯，从而导致材料的增加^[4]。

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