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世界上较轻的镁锂(Mg-Li)合金材料

日期: 2017-01-15
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镁锂(Mg-Li)合金在1960年代,美国太空总署NASA即开发应用于航天工业零件上;当时的土星五号(Saturn-V)宇宙飞船上的计算机外壳、仪表框架及其外壳等已使用LA141A镁锂合金,其他如火箭、武器上也有应用之实例,故早期Mg-Li 合金主要是在航天与军事方面的应用。然因高Li含量合金价格高与耐蚀性有待改善的原因,使得Mg-Li合金的发展停滞下来。近年来因为熔炼与表面处理技术之精进,加上3C产品的应用潜力显现,使得Mg-Li 合金再次受到高度的瞩目。 【镁锂合金的基本结构与性质】在镁金属中添加密度仅有0.534g/cm3的锂元素可形成镁锂(Mg-Li)合金,是目前结构金属材料中密度较低者,其比重介于1.3~1.6,较一般镁合金的1.8更低,约为铝合金(比重2.7)之半。因其结构已改变,与已知的镁合金的原子排列方式不同,此材料除超轻量(低密度)之外,其具有高比刚性、高比强度之特性,而较大的特色为可常温塑性加工成型,应用轧延、冲压等技术大量生产,不必局限于现有的镁合金压铸的成型方式。 镁原子序具有六方较密堆积(Hexagonal Close-packed, HCP)晶体结构;而锂原子为体心立方(Body-centered Cubic, BCC)原子结构。镁与锂可形成α相HCP结构)、β相(BCC结构)以及α+β两相共存组织(HCP与BCC之双相结构)。镁中所含锂之重量百分率小于5.5%时,为单一α相;当锂含量介于5.5~11.5%时,Mg-Li合金具有α+β两相组织;锂含量大于11.5%时,显微组织呈现β单相。 Li含量小于5.5wt%是富镁之α固溶体,此α相仍为HCP结构,然因Li原子之加入,替换了部分镁原子,使得HCP晶格常数之c/a比值下降,原子间距离减少,晶格滑动之活化能降低,除了原有的基面滑移系统外,多了稜柱面滑移系统,而有效增加塑性变形之能力。实际上,只要添加2wt%以上的Li元素,则可使原冷加工性非常差的HCP镁合金,其塑性加工能力即可获得改善。  Li含量>11.2%的合金,全部由镁在锂中的单一固溶体β组成,体心立方晶格,有良好的冷、热塑性加工性能与成形能力,加工率可达50%~60%每道次,不过工业上应用的合金的锂含量不应低于13%。含15%Li左右的镁合金的抗拉强度进一步下降到约100N/mm2,再增加Li含量强度不再增加,伸长率开始下降,加工成形性能恶化,这说明有商用价值的Mg-Li合金的Li含量宜≤16%。 【镁锂合金薄板片的成形性】所谓成形性(Formability)是指金属材料以塑性变形(Plastic Deformation)方式制作零件的难易度。金属材料通常以强度及延展性来评估其成形性;强度代表材料本身抵抗变形的能力,延展性则显示材料在破裂前可能达到塑性变形的程度。影响材料成形性的因素包括材料特性、变形时所受的应力或应变状态、温度、应变速率及板片厚度等。为了评估金属材料的成形性,可以经由不同的测试方式来建立相关资料,包括拉伸试验(Tensile Test)、弯曲试验(Bend Test)、引伸(Deep Drawing)实验与伸张弯曲实验(Stretch Bend Test)等成形性测试方法及规范。 【镁锂合金的拉伸机械性质】拉伸实验根据ASTM-B 557M及ASTM E 517之规范执行,试片取与轧延方向成0度、45度与90度等三个方向。由ASTM-B 557M之规范可以获得材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率及加工(应变)硬化系数(Work Hardening Exponent, n),而ASTM E 517之规范则可获得材料的异向性参数(Anisotropic Parameters)。


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