镁合金及铝合金

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镁合金及铝合金具有低密度、高比强度、高导热性、高弹性模量等优点，适用于航空航天、交通运输、计算机和电子通讯等工业领域。近年来，随着轻合金（镁、铝合金）的应用越来越广泛，对轻合金的综合性能提出了更高的要求，如轻合金的强度、塑性、耐磨性及耐腐蚀性等。解决这些关键性技术问题，对当前能源结构、产业结构的发展具有非常重要的意义。针对轻合金领域关注的热点问题，本专刊整合了在《材料导报》刊出的部分优秀文章，涉及选题包括高强超细晶轻合金、轻合金表面处理技术、轻合金应力腐蚀、轻合金塑性变形以及轻合金-空气电池等热门和前沿方向，以期为材料科学、生物科学、能源科学等相关领域学者提供借鉴参考。

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镁合金的应力腐蚀开裂:机理、影响因素、防护技术

宋雨来, 付洪德, 王震, 杨鹏聪

材料导报 2019,33(5 ):834 -840. DOI:10.11896/cldb.201905016

摘要（1264）

PDF（pc）（2392KB）（781）

收藏随着节能、环保要求的日益提高,环境友好型结构材料的开发及应用受到越来越高的关注。镁合金由于对环境污染小、可回收利用率高等优点而极受世人青睐,成为21世纪最具发展前景的商用轻质材料,被广泛应用于航空航天、计算机、通讯等工业领域。
然而,镁合金在应用过程中暴露出许多问题。由于镁活泼的化学性质导致镁合金在服役环境下极易受到腐蚀,例如在潮湿大气、海洋、含硫气氛中都能使镁合金发生点蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀等,使得镁合金结构件的整体或局部受到破坏。特别是在腐蚀和外力的双重作用下,镁合金将发生应力腐蚀开裂,导致结构件发生脆断。近年来,由于镁合金应力腐蚀开裂引起的结构失效案例逐年上升,造成了巨大的经济损失。目前,关于镁合金应力腐蚀开裂的研究主要集中于机理、影响因素和防护措施等方面。国内外学者相关研究表明,镁合金应力腐蚀开裂的机理总体上主要分为阳极溶解和氢脆两种理论,其中滑移溶解和氢局部增塑分别为两种理论的主流观点。但由于镁合金材料、服役环境的多样性以及力学、电化学腐蚀行为的复杂性,现有理论机理缺乏普遍适用性,且部分缺少直接实验验证,急需进一步系统研究。镁合金抗应力腐蚀性能受到镁合金服役环境、镁合金本身的加工工艺以及镁合金中的合金元素等诸多因素的影响。因此,依据应力腐蚀机理,结合影响因素,通过合理添加合金元素开发出新的镁合金,镁合金表面激光冲击改性或表面涂层,镁合金热处理、变质处理等方法都能够很好地降低镁合金应力腐蚀开裂的敏感性。特别是添加稀土元素,例如铒、铈等,能够使得镁合金组织优化,且能形成新的稀土相,对降低其应力腐蚀开裂敏感性的效果显著。
本文系统归纳了镁合金应力腐蚀开裂的研究进展,分别对镁合金应力腐蚀开裂机理、影响因素以及其防护措施进行了论述,着重介绍了近十年来国内外的相关研究成果,并提出了镁合金应力腐蚀开裂领域未来的研究方向以及亟待解决的问题。

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超细晶镁合金的研究现状及展望

彭鹏, 汤爱涛, 佘加, 周世博, 潘复生

材料导报 2019,33(9 ):1526 -1534. DOI:10.11896/cldb.18010063

摘要（1482）

PDF（pc）（2440KB）（696）

收藏镁及其合金具有低密度、高比强度、高导热性、高阻尼性以及良好的电磁屏蔽性能等优点,成为最具应用前景的结构材料之一。随着环保问题的日益突出,轻量化和节能减排变得日趋重要,对具有低密度、高性能和可回收再生产等特性的结构材料提出了大量且迫切的需求,这对镁合金的发展和应用提供了广阔的前景,但目前镁合金特别是变形镁合金还没能大规模工业化应用,还有问题需要解决。
绝对强度较低、塑性较差等是影响变形镁合金应用的主要瓶颈。在材料传统的四种强化理论中,析出强化、加工硬化等可以显著提高变形镁合金的绝对强度,但同时会损害其塑性;固溶强化一般只能提高强度,降低塑性,在镁合金中虽存在一些能够同时提升强度和塑性的固溶元素,但该类元素较少,且对强度和塑性的提升效果也十分有限,还有待进一步研究发展;而晶粒细化是目前最有效的能同时提高材料强度和塑性的方法,当晶粒细化至数个微米量级时(超细晶),材料的强度和塑性会得到极大提升。在钢铁材料中的超细晶钢,就是利用超细晶组织(一般认为超细晶组织的目标是将晶粒尺寸从传统的几十微米细化至1~2 μm)使钢铁材料的综合力学性能翻一番。同时,晶粒超细化也是高性能镁合金的研究重点之一。近期相关研究表明,超细晶镁合金拥有良好的强度和塑性,甚至还具有室温超塑性。目前常用于制备超细晶镁合金的方法主要有两种:剧烈变形法和中低温变形法。其中剧烈变形法主要采用等通道挤压、高压扭转、累积叠轧、多向锻造、粉末冶金等工艺方法来实现晶粒超细晶化,已有一定的发展历史,具有较深的研究基础;而中低温变形法是近年来新兴的一种制备超细晶镁合金的方法,同样能够成功制备出平均晶粒尺寸约为1 μm的超细晶镁合金材料,该方法具备工业化应用的潜力。此外,通过剧烈变形法和中低温变形法制备的不同合金成分的超细晶镁合金材料性能差异较大,因此合金的成分设计在两种制备超细晶镁合金的方法中也具有至关重要的作用。总地来说,通过设计不同的合金成分,改进制备工艺,准确调控变形过程中的再结晶行为,制备出组织良好、性能优异的镁合金材料已成为发展超细晶镁合金的重要方向。
因此,本文综述了目前超细晶镁合金的研究现状及主流的制备方法的优缺点,并分析了超细晶镁合金的制备方法和合金设计对组织和性能的影响,最后对超细晶镁合金的发展方向进行展望。

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镁合金板材轧制成形边裂的研究进展

刘江林, 齐艳阳, 王涛, 王跃林, 任忠凯, 韩建超

材料导报 2020,34(7 ):7138 -7145. DOI:10.11896/cldb.19020149

摘要（952）

PDF（pc）（2371KB）（566）

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镁合金表面自纳米化研究进展及现状

王春明, 杨牧南, 黄建辉, 刘位江, 梁彤祥

材料导报 2019,33(13 ):2260 -2265. DOI:10.11896/cldb.18040187

摘要（913）

PDF（pc）（9091KB）（475）

收藏镁合金作为最轻的工程结构材料在航空航天、交通运输和电子通讯工业等领域均具有广泛的应用。镁合金的耐磨性和耐腐蚀性较差是限制其不能同铝合金一样被广泛应用的两个重要因素。因此,改善镁合金耐磨性和耐腐蚀性具有重大的意义,并受到了研究者的广泛关注。表面处理是提高镁合金耐磨性和耐腐蚀性的有效方法之一,其中,表面自纳米化技术存在以下两大优势:(1)组织沿厚度方向呈梯度变化,不会发生剥层和分离,无需考虑结合问题;(2)利用传统的表面机械处理或进行简单改进就可提高镁合金的耐磨性和耐腐蚀性,使其具有较大的开发应用潜力。目前,常用的镁合金表面自纳米化制备技术有表面机械研磨处理(SMAT)、激光喷丸(LSP)、超声喷丸(USP)、高能喷丸(HESP)、超音速微粒轰击等。
表面机械研磨、高能超丸和超声喷丸技术的基本原理相似,而各自的振动频率不同。振动频率由大至小依次为超声喷丸、高能超丸、表面机械研磨。不同成分的镁合金表面处理后获得的纳米晶粒尺寸最小可达20 nm。另外,通过改进表面机械研磨设备开发的表面机械滚磨技术所得的纳米晶层的厚度可达100 μm。激光喷丸技术表面处理的镁合金纳米层厚度约为20 μm,纳米层晶粒尺寸可达20 nm。此外,经激光喷丸处理后镁合金表面的粗糙度小,使得合金具有更好的耐腐蚀性能。采用超音速微粒轰击技术处理的镁合金表面的纳米层晶粒的尺寸可达10 nm,其纳米层厚度大于使用激光喷丸技术处理的镁合金表面的纳米层。
不论采用何种表面自纳米化技术,镁合金表面结构晶粒尺寸从表面向内部均可分为四个层次:表面纳米晶层、表面细晶层、粗晶应变层和无变化的镁基体。能量是影响纳米晶粒尺寸和纳米晶层的主要因素。同时镁合金表面纳米化后其硬度明显增大,有利于改善材料的摩擦磨损性能。而镁合金的耐腐蚀性能主要受合金晶粒尺寸和第二相颗粒大小、体积分数的影响。在一定的晶粒尺寸范围内,随着镁合金晶粒尺寸细化,合金的耐腐蚀性能增强。在排除镁合金表面粗糙度的影响后,表面纳米化后镁合金的耐腐蚀性能的相关机制尚不明确。特别是纳米晶粒尺寸、第二相粒子的体积分布等对镁合金耐腐蚀性能的影响,还需进一步完善与优化。
本文综述了镁及镁合金表面自纳米化技术(包括表面机械研磨处理、超声喷丸、高能喷丸、激光喷丸、超音速微粒轰击)的制备工艺及特点,主要介绍了国内外镁及镁合金表面自纳米化技术的研究现状,同时还分析了镁合金表面自纳米化制备技术对合金的结构特征、力学和耐腐蚀性能等方面的影响,并探讨了镁合金表面纳米化的应用前景及目前存在的问题。

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分子动力学在镁及镁合金微观塑性变形中的应用进展

王煜烨, 汤爱涛, 潘荣剑, 潘复生

材料导报 2019,33(19 ):3290 -3297. DOI:10.11896/cldb.18070252

摘要（1055）

PDF（pc）（2057KB）（881）

收藏镁合金作为最轻的金属结构材料,具有比强度和比刚度高等优点,被视为极具应用潜力的轻合金。然而,镁合金为密排六方结构,可启动的滑移系少,室温塑性变形能力较差,这成为限制其广泛应用的主要原因之一。因此深入研究镁及其合金的微观塑性变形机制能为合金设计、加工工艺优化提供思路。
镁及镁合金的微观塑性变形行为和机制较复杂,仅通过试验方法较难厘清具体微观结构、变形条件与材料性质之间的关系。而分子动力学作为研究原子(或分子)微观尺度下的行为和性质的重要方法,近年来在镁及其合金中的应用受到越来越多的关注。
分子动力学方法可用于计算各类热力学及动力学性质,同时还可以模拟特定加载条件下的原子运动情况。对于镁及镁合金的微观塑性变形机制,目前研究者多关注位错与滑移、孪晶、晶界等问题。镁及镁合金最基本的滑移系为基面滑移系,同时还有潜在的柱面滑移系和锥面滑移系,研究者一般利用分子动力学模拟拉伸、压缩等情况来探究镁及镁合金中各滑移系的开动情况,其中对〈c+a〉位错的滑移和分解的情况研究较多。同时,由于镁及镁合金滑移系较少,相比于面心立方和体心立方结构金属,孪生对镁及镁合金塑性变形能力的贡献更不容忽视,已有研究者利用设置初始缺陷、微结构、溶质原子等方法模拟孪晶的形核与长大过程,讨论孪晶的形核条件及产生的孪晶类型。对晶界的研究可与细晶强化、织构等多晶体塑性变形机制相联系,但目前分子动力学方法能达到的尺寸规模还难以模拟出微米级的多晶,因此研究者多关注双晶、纳米多晶的晶界迁移行为以及晶界与其他微结构的交互作用等问题。同时,分子动力学计算模拟的可靠性主要依赖于势函数的精确性,早期由于势函数的不足,分子动力学方法仅在纯镁中应用较多。近年来随着势函数的研究增多,特别是次近邻修正嵌入原子势的发展,可用于描述二元系镁合金原子间作用的势函数开始丰富,对于镁合金的分子动力学研究也逐渐增多。
本文对分子动力学理论和方法进行了简介,重点综述了分子动力学方法对镁及其合金的微观塑性变形机理的研究。从分子动力学方法在镁及其合金的势函数、位错滑移、孪晶、晶界、固溶及第二相等方面的应用进行概述,并对分子动力学模拟方法运用于镁及其合金进行了展望。

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AA7021铝合金热变形行为及微观组织演变机理的研究

仇鹏, 王家毅, 段晓鸽, 蔺宏涛, 陈康, 江海涛

材料导报 2020,34(8 ):8106 -8112. DOI:10.11896/cldb.19030088

摘要（785）

PDF（pc）（10432KB）（149）

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轻合金-空气电池的研究进展

姚万鹏, 曹福勇, 李焰, 齐建涛

材料导报 2020,34(13 ):13058 -13067. DOI:10.11896/cldb.19060032

摘要（867）

PDF（pc）（5532KB）（551）