关于Mg－Li合金结构和力学性能的研究

王婕　张红霞　赖秋凤

摘  要：Mg - Li合金除具有密度低，优良的冷、热变形能力，高比强度等特点外，还有一系列的优点：弹性模量高、高比强度、各向异性不明显、冲击韧性好、对缺口不敏感、低温韧性好、良好的阻尼性能等，同时还具有抗粒子穿透能力强的优点，在轻量化方面有广阔的应用前景。本文基于近几年典型的单相α、双相α+β相和单相β三种 Mg - Li 合金的研究进展以及Mg - Li合金的应用情况，简述了Mg - Li 合金的结构与力学性能之间的关系。

关键词：Mg - Li 合金;相α;α+β相;單相β

1.引言

与Al合金相比，Mg合金的主要力学性能接近于Al合金，但其密度却小于Al合金，比强度大于Al合金[1]。与工程塑料相比，Mg合金的密度虽比工程塑料高，但其比强度高于工程塑料[2]。同时Mg合金具有较强的抗粒子穿透能力以及较好的生物相容性，成为航天航空、汽车工业、电子信息、核工业、民用家电等领域最理想且具有极大的开发潜力的材料之一[3]。

2.Mg - Li合金的基本性能与应用

2.1 基本性能

Li作为一种低密度的金属，添加至镁合金中能极大地降低镁合金的密度，Mg - Li合金受到越来越多的关注，在轻量化方面具有广阔的应用前景和开发潜力。Mg - Li合金的密度小于Mg合金，是金属结构材料中密度最小的，与工程塑料相差不大;其比强度大于Al合金和工程塑料，与普通Mg合金相当，其比模量则是这几种材料中最高的。此外Mg - Li合金还具有各向异性不明显、冲击韧性好、对缺口不敏感、低温韧性好、良好的阻尼性能等，同时还具有抗粒子穿透能力强等特征。

2.2 Mg - Li合金的应用

Mg - Li合金具有超轻、高比强度、高比模量、高比刚度、导电导热性强、减震减噪性能强、电磁屏蔽性能优异等独特性能优势。Mg - Li合金在各个领域都有巨大的应用空间，Mg - Li合金可被用于制作笔记本的外壳、平板电脑外壳、移动设备外壳、电器的框架、支架、燃料箱、机载雷达、无人机构件、直升机构件、火箭的舱体、仪表盘、陀螺仪、座位架、飞机上下侧板、飞行器防护罩、航天气瓶内衬、风电叶片等。

3.Mg - Li合金的相结构及组成

Mg的原子序数为12，具有密排六方结构（HCP）;Li的原子序数为 3，具有体心立方结构（BCC）。Li在Mg中有较大的溶解度，但当温度降低时，其溶解度几乎不发生改变。因此，Mg - Li合金不存在热处理强化效应。Mg与Li发生共晶反应后，Mg - Li合金随Li含量的不同而有三种不同的相组成。

①ω（Li）≤5.7% 的合金。它们的组织由 Li 在 Mg的固溶体α相组成，同 Mg一样，具有密排六方结构（HCP）晶格，滑移系仅有三个，Mg - Li合金并未改变Mg塑性低的缺陷。

②5.7% <ω（Li）≤10.3% 的Mg - Li合金形成了β相。这类合金的组织为（α + β），其中β相是Mg在 Li 中的固溶体。如图b所示，白色相为α相，灰色基体相为β相。因为β相为体心立方结构（BCC），且β相相对于α相的滑移系更多，具有相当高的可塑性，此时Mg - Li合金的塑性有了极大提升。

③ω（Li）>10.3%的镁-锂合金。此类合金为β单相合金，β相为体心立方结构（BCC），具有较多滑移系，Mg - Li合金表现出极大的塑性形变能力，甚至在一定条件下可以获得超塑性。

4.Mg - Li合金力学性能的研究

4.1 Li含量对Mg - Li合金力学性能的影响

就力学性能而言，Li含量最好是 ω（Li）<12%，当Li含量ω（Li）>12%时，合金伸长率有较大上升，但强度会降低很多;若ω（（Li）>16%，此时合金的力学性能全面恶化，没有任何实际意义。

4.2 Al对Mg - Li合金力学性能的影响

Al有较大固溶度，一般通过固溶强化提高Mg-Li合金强度，是Mg - Li合金中重要的合金元素。Al元素的添加可以提高合金强度，但会牺牲一定的延伸率。

4.3 Si对Mg - Li合金力学性能的影响

有些Mg - Li合金含Si，Si在α相中少量溶解，几乎不溶于β相，固溶强化效果不明显。Si可与Mg形成Mg₂Si化合物，嵌入在α基体中，使合金的力学性能大为改善。

4.4 稀土元素（如Re）对Mg - Li合金力学性能的影响

稀土元素（Re）是Mg - Li合金中常用的添加元素，在α、β基体中固溶度较小，能与基体形成多种金属间化合物，从而达到减少并细化合金中的α相的目的。又Mg-Li合金添加Re一般不会产生过时效，有效提高合金在较高温度下的力学性能。稀土元素可以细化晶粒，改善合金的组织形貌，提高合金的综合力学性能。

5.结语

尽管Mg-Li合金熔炼比较困难、工艺复杂、绝对强度低、高温性能差、抗应力腐蚀性能差，由于Mg-Li合金在力学、电磁学和密度等方面特殊的优点，使该合金发展潜力巨大、应用优势显著，受到材料领域越来越多的研究者关注和研究。添加常规元素在强化Mg-Li合金的同时，降低了塑性，易引起脆性断裂，尤其是存在过时效，使材料稳定性很差。添加稀土元素一般不会产生过时效，有效提高合金在较高温度下的力学性能，但稀土在Mg-Li合金中的作用规律及机理有待于进一步研究。

参考文献

[1]  徐日瑶. 镁冶金学（修订版）[M]. 北京：冶金工业出版社，1993：5-10.

[2]  斯特雷列茨. 电解法制镁 [M]. 北京：冶金工业出版社，1981：2-9.

[3]  Polmer I J . Magnesium alloys and applications [J]. Materials Science and Technology，1994（10）：1-16.