2.6　镁合金热处理时效组织和性能

镁合金可以通过热处理时效改变其组织和性能，不同系列的镁合金其时效组织不完全相同，但大部分镁合金时效过程的一个重要特点是有一个与镁点阵形成共格沉淀物的阶段，这种沉淀物具有DO19晶体结构（见表2-23），它类似于Al-Cu合金时效时形成的θ″相。DO19晶胞的a轴为镁基体a轴的2倍长，c轴相同。沉淀相以片或盘的形式存在，平行于沿{100}Mg和{110}Mg平面的{0001}Mg方向。

2.6.1　Mg-Al系合金

Mg-Al系二元合金在时效过程中，过饱和α固溶体不经过任何中间阶段直接析出非共格的平衡相Mg17Al12，不存在预沉淀或过渡相阶段。但Mg17Al12相在形成方式上有两种类型，即连续析出和非连续析出。在一般的情况下。这两种析出方式是共存的，但通常以非连续析出为先导，然后再进行连续析出。这表明前者在能量上处于有利地位，易于形成。

非连续析出大多从晶界或位错处开始，Mg17Al12相以片状形式按一定的取向往晶内生长，附近的α固溶体同时达到平衡浓度。由于整个反应区呈片状结构，故有时也称为珠光体型沉淀。反应区和未反应区有明显的分界面，后者的成分未发生变化，仍保持原有的过饱和程度（见图2-16）。

从晶界开始的非连续析出进行到一定程度后，晶内产生连续析出。Mg17Al12以细小片状形式沿基面（0001）生长。与此相应，基体含铝量不断下降，晶格常数连续增大，此时晶格常数变化是连续的。

最新的研究表明，AZ91镁合金析出相有三种形态：Ⅰ类板条状、Ⅱ类六角棱柱状、Ⅲ类短棒状（见图2-17）。Ⅰ类析出相数量占90%以上，颗粒比较粗大，平躺在镁的（0001）基面内，而镁在常温下的滑移面也是（0001）基面，因此，这类析出相颗粒不能有效地阻碍位错在基面上的滑移，时效强化效果欠佳。相反，由于第Ⅱ类与基面正交，而第Ⅲ类与基面斜交，所以，有利于阻碍位错的基面滑移，即有利于时效强化，但是其数量太少。增加这类相的数量应是提高这类合金强度的有效途径之一。

2.6.2　Mg-Zn系合金

Mg-Zn系合金的时效过程比较复杂，存在预沉淀阶段。在110℃以下，观察到G.P.区→β'→β（MgZn）。在110℃以上，不形成G.P.区，而是α→β'→β（MgZn）。β'为亚稳定过渡相，具有与拉弗斯相MgZn2同样的结构，稳定性较高。在250℃时效时，可保持到5000h。

Mg-Zn系合金时效为连续析出，相尺寸很小，呈片状，并与基面平行。在长期时效后，利用电子显微镜可观察到相的形态及分布特征。

Mg-Zn系合金的时效强化效果超过Mg-Al系，且随含锌量的增加而提高。但Mg-Zn系合金晶粒容易长大，故工业合金中常添加少量锆，以细化晶粒，改善力学性能。

2.6.3　Mg-Mn系合金

单独的Mg-Mn系合金应用较少，但Mn是大多数工业镁合金中常见的辅助元素，它对改善合金耐热性及抗蚀性具有良好的作用。

Mg-Mn合金时效析出α-Mn（立方），α-Mn呈棒状，Mn通常单独加入，如果与Al同时加入，则形成MnAl、MnAl6和MnAl4等化合物。Mg-Mn系合金在时效期间，不经过预析出阶段，直接形成α-Mn。α-Mn具有立方晶格，强化效果较差，但稳定性却较高。

2.6.4　Mg-RE系合金

Mg-RE系合金时效强化相为Mg9RE或Mg12RE。向镁中添加原子半径比镁大及电负性比镁低的元素，可形成共格的沉淀物。例如Y及镧系稀土（Ce、Nd、Gd和Dy）可与镁形成Mg3X型沉淀物，它具有DO19型晶体结构，与α相共格。

在稀土元素中，钕在α固溶体中溶解度较大（约4%），铈、镧、镨则较低（最大固溶体分别为0.74%，1.9%和2.0%），故Mg-Nd系合金的时效强化效果最显著。图2-18为Mg-5.38%Y-3.10%Nd-0.36%Zr在400℃时效24h和50h后β相的形貌。

2.6.5　其他合金

2.6.5.1　Mg-Gd合金

Gd的含量对Mg-Gd合金时效有重要影响，当Gd的含量为5%～10%时，时效过程中不出现β'相。当Gd的含量为15%时，时效过程中产生β'相。Mg-15%Gd时效析出过程为：α→β″（DO19型结构）→β'（斜方结构bco）→β（Mg5Gd：fcc）。而Mg-10%Gd和Mg-5%Gd时效析出过程为：α→β″（DO19型结构）→β（Mg5Gd：fcc）。图2-19显示了Mg15Gd在330℃沉淀相β'形貌。

对于Mg-RE系合金的时效序列，目前尚有分歧意见，有人认为，在这类合金的过饱和固溶体分解过程中，不存在明显的预析出阶段，直接形成Mg9Nd或Mg9Ce等平衡相；另外有一些实验结果则表明存在中间过渡相，沉淀序列为过饱和α固溶体→G.P.区→β″→β'（Mg9Nd），过渡相与基体之间保持共格关系。

Mg-RE系的时效产物弥散度高，与硬化峰值相对应的时效组织在普通光学显微镜下难以分辨，只是晶界处有较深的浸蚀色，是由于强化相优先在晶界析出所致。

工业Mg-RE合金中常常添加少量锌，除有补充固溶强化作用外，还能增加时效硬化效应。此时，强化相Mg9RE中固溶了一部分锌，成为（MgZn）9RE。

2.6.5.2　Mg-Ca，Mg-Ca-Zn合金

Mg-Ca合金的时效析出过程为α→β（Mg2Ca：六方结构）。在Mg-1%Ca合金中加入1% Zn，可显著地提高时效硬化效果。研究发现，Mg-2Zn-0.8Ca合金中存在细小的沉淀物，该相平行与镁晶格的底面；Mg-5Al-3Ca-0.2Sr合金组织在晶界有层状的（Mg，Al）2Ca相，它与α相共格。其位向关系如下：（010）Mg//（001，[010]Mg//[110。

2.6.5.3　Mg-Ag-RE（Nd）

Mg-RE（Nd）-Zr合金中加入Ag可明显地提高时效硬化效果，如果Ag浓度小于2%，时效析出过程与Mg-RE相同；如果Ag浓度大于2%，时效析出过程非常复杂。

在镁合金热处理过程中，有时可能发生过烧现象。过烧表现为以下三种情况：①表面热析；②表面上有灰黑色粉末；③表面和内部出现空洞。特别是在真空固溶热处理时容易出现这种蜂窝状表面。

综上所述，镁合金时效过程非常复杂，现将可能出现的沉淀过程总结如表2-24。

注：SSSS为过饱和固溶体。