【材料课堂】镁合金：未来金属界的明星材料之一

2019 年 4 月 21 日 材料科学与工程

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从人类最早期的原始工具到第一次尝试飞行，我们就一直在寻找又轻又强壮的材料。尤其是在汽车、飞行等产品的设计中，考虑到安全和可靠性的需求，金属材料无疑是公认的首选，但钢铁的重量无疑让设计人员倍感苦恼，那么，有没有一种金属可以满足人们对轻量化设计的需求呢？镁（合金）就是最佳的选择。

镁（Mg）是地壳中第八丰富的元素，比铝轻33％，比钛轻60％，比钢轻75％。加入其他元素组成的镁合金，同样具有密度小、比强度高、弹性模量大、导热性和消震性好、电磁屏蔽性能强、生物兼容性佳、易于回收等突出优点，被美誉为“21世纪绿色结构材料”，也被很多行业专家标榜为未来金属界的明星材料之一。

在当今世界能源与环境问题日益突出的严峻形势下，镁合金在汽车工业、通讯电子业和航空航天工业等领域正得到日益广泛的应用。我国是世界上镁矿资源最丰富的国家之一，可利用的镁矿资源产量约占世界总储量的70%，因而在发展镁材料产业上有显著的资源优势。

图2.1镁合金的应用示例 (a) 轻型导弹壳；(b) 座椅框架；(c) 汽车轮毂；(d) 笔记本外壳；(e) 牺牲阳极材料；(f) 医用镁合金缝合线

纯镁的密度为1.738 g/cm3，镁合金的密度也仅为1.75-1.90 g/cm3，约是铝合金的2/3，钢的1/4。镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金相当，远远高于工程塑料。在当前汽车工业尤其是新能源汽车行业大幅发展的背景下，用镁合金做结构件可以显著减轻汽车自重，有效降低燃油消耗，提高燃油经济性，同时降低污染排放。镁合金在汽车上最具潜力的应用是整体结构部件，如方向盘、发动机罩、后备行李箱盖、车顶板、车体加强板、内侧车门框架和后部车厢隔板，部分高强耐热镁合金甚至可以用于发动机汽缸体和汽车轮毂。

镁合金与铝合金、钢、铁相比，具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。镁合金的这些特点可以满足航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震和防辐射的要求，从而改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。从20 世纪40 年代开始，镁合金首先在航空航天部门得到了应用。关注材料科学与工程公众号学习更多。在国外，B-36重型轰炸机每架用到4086kg镁合金簿板；“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600kg的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金；直径约1米的“维热尔”火箭壳体也是用镁合金挤压管材制造的。我国制造的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上也均选用了镁合金构件。

镁合金具有良好的导热和导电性能，虽然镁合金的导热能力不及铝合金，但远高于塑料、树脂，同时镁合金具有良好的电磁屏蔽性能，非常适合用于制造电子产品的金属外壳、机罩。一些电子通讯知名品牌企业已经成功将镁合金用于制造个人便携式电脑、手机、摄录影器材等电子产品外壳。在2003年全球出货的3000万台笔记本电脑中，采用铝和塑胶机壳的比重达75%，使用镁合金的比重仅25%，但2004年笔记本电脑采用镁合金机壳的比重就提高到了50%以上。

虽然镁合金拥有众多吸引人的性能优势，但由于其自身固有的一些性能缺点，以及当前的技术制约，使其仍然难以进行广泛的推广利用。材料界的泰斗——师昌绪院士就曾指出镁合金的发展存在三大瓶颈, 即缺乏有效析出相、易腐蚀和难变形。这三大问题也是发展新型高性能镁合金面临的主要障碍。

镁的电极电位低，化学性质活泼，导致镁合金产品容易腐蚀。因此，腐蚀问题也是阻碍镁合金应用的一个关键因素。改善镁合金的耐蚀性能，目前主要有两种技术方式，一种是通过合金化和纯净化处理来提高镁合金基体本身的电极电位，或者形成表面自愈合防护膜，增强自身对环境腐蚀的抵抗能力；另一种是通过表面防护处理，形成表面保护膜而防止基体的腐蚀。由于前者受到镁自身化学特性的限制，未取得应用上的突破性进展，故目前国内外多致力于表面防护技术的研究开发，在目前广泛使用的微弧氧化表面处理技术基础开拓了一些新的表面处理技术，并取得了较好的成果。

大力发展镁合金的应用，必须以加快镁合金的基础研究为前提。加强对镁合金强韧化机理及塑性变形机制的基础理论研究，从根本上认识镁合金的强化及塑性变形机理，同时必须加强对镁合金腐蚀机理和失效机制的研究。在此基础上创造有利于镁合金变形的应力应变条件，开发新型高性能镁合金体系，通过先进变形镁合金加工工艺，生产制备出具有高强、耐热耐蚀，以及良好变形性能的优质镁合金。（来源：新材料导读）