本书聚焦 ZX 系合金核心痛点，针对强塑性矛盾，采用 “预变形－时效” 复合工艺，通过溶质原子偏聚与孪晶界钉扎，开发出高烘烤硬化能力的 Mg－2Zn－0.5Ca (ZX20) 合金，实现强塑性协同提升。全书系统阐明预变形、Al/Sn 合金化对 ZX 系合金微观结构 (晶粒形态、第二相演变、氧化膜组成) 的调控规律，揭示溶质原子偏聚、相电势调控、致密氧化膜形成等核心机制，破解低合金镁合金强韧化与耐蚀性提升的核心矛盾。研究成果不仅为 ZX 系合金性能优化提供可推广的技术路径，更建立了 “易钝化元素合金化＋工艺调控” 的协同设计理念，为低合金镁合金的开发提供理论支撑与工程参考。

本书可供从事金属及其复合材料的研究人员参考，也可作为高等学校、科研机构及企业中从事材料科学与工程、冶金工程等相关领域的科技人员参考书。

目录

第 1 章 绪论

1.1 概述

1.2 镁合金强化机制

1.2.1 固溶强化

1.2.2 时效强化

1.2.3 位错强化

1.2.4 细晶强化

1.3 镁合金腐蚀研究现状

1.3.1 镁合金腐蚀机理

1.3.2 镁合金腐蚀类型

1.4 本书主要研究内容

参考文献

第 2 章 实验材料和方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 凝固冷速测定实验

2.2.2 轧制实验

2.2.3 预变形实验

2.2.4 拉伸性能测试

2.2.5 静态浸泡测试

2.2.6 电化学测试

2.2.7 微观组织表征

2.3 实验技术路线

参考文献

第 3 章 基于溶质偏聚的 Mg?Zn?Ca 低合金强塑性协同提升机制

3.1 引言

3.2 烘烤硬化处理对 ZX20 合金微观组织的影响

3.3 ZX20 合金的烘烤硬化机制及其对塑性变形行为的影响

3.4 本章小结

参考文献

第 4 章 孪晶界元素偏聚对 ZX20 合金腐蚀行为的影响

4.1 引言

4.2 烘烤硬化处理对 ZX20 合金微观组织的影响

4.3 烘烤硬化处理对 ZX20 合金腐蚀行为的影响

4.4 本章小结

参考文献

第 5 章 Al 合金化对 Mg?Zn?Ca 低合金微观组织和腐蚀行为的影响规律

5.1 引言

5.1.1 镁合金耐腐蚀性能的影响因素

5.1.2 合金元素对镁合金腐蚀行为的影响

5.1.3 Al 元素对镁合金腐蚀行为的影响

5.2 Al 元素添加对 Mg?Zn?Al?Ca 合金微观组织演变的影响

5.3 Al 元素添加对 Mg?Zn?Al?Ca 合金腐蚀机制的影响

5.4 本章小结

参考文献

第 6 章 Sn 合金化对 Mg?Zn?Ca 低合金微观组织和腐蚀行为的影响规律

6.1 引言

6.2 Sn 元素添加对 Mg?Zn?Sn?Ca 合金微观组织演变的影响

6.3 Sn 元素添加对 Mg?Zn?Sn?Ca 合金腐蚀机制的影响

6.4 本章小结

参考文献

第 7 章 结论

前言

Preface

镁合金具有低密度、高比强度的特点，是交通运输、电子产品和航空航天等领域轻量化的首选材料。近年来，低合金镁合金因其资源依赖性低和易于加工等优势成为镁合金领域的研究热点。然而，由于合金含量低，低合金镁合金中缺少有效强化相，晶粒易长大，因此难以获得理想的高强度性能。同时，低合金基体中固溶的合金元素少，导致腐蚀产物膜中易钝化合金元素含量较低，低合金表面难以形成致密的钝化膜，因此耐蚀性较差。此外，镁合金的强度和耐蚀性存在此消彼长的矛盾关系，因为增加第二相含量虽然能够提升强度但会导致微电偶腐蚀进而恶化耐蚀性。如何实现低合金镁合金强度和耐蚀性的协同提升是目前亟须解决的瓶颈难题。

Mg?Zn?Ca (ZX) 系低合金具有弱织构和室温成形好的特性，表现出优异的冲压成形能力，在汽车工业和航空航天领域具有巨大的应用潜力。同时，Zn 和 Ca 是人体必需的微量元素，因此 ZX 系合金在骨科植入材料方面也表现出良好的应用潜力。然而，镁合金存在强度和塑性失配的矛盾，如何在提升 ZX 合金强度的同时不损害其塑性，是亟待解决的问题。ZX 合金中通常会形成粗大的含 Ca 共晶相，这些第二相会诱发严重的微电偶腐蚀，损害合金的耐蚀性。此外，由于基体中缺少易钝化合金元素，ZX 合金表面难以形成致密的腐蚀产物膜，无法阻碍点蚀的快速扩展。因此，强度低和耐腐蚀性差成为制约 ZX 系低合金广泛应用的瓶颈难题。合金化能够调控第二相的组成和数量以及表面氧化膜的成分，是提升镁合金耐蚀性的重要手段。以 Al 和 Sn 为例，它们既是易钝化元素，也是典型的强韧化元素。其中，Al 具有优异的固溶强化效果和第二相细化效果，而 Sn 具有很好的析出强化效果，以及良好的生物相容性。因此，通过添加 Al 和 Sn 元素有望实现 ZX 低合金强度和耐蚀性的协同提升。

针对上述问题，我们通过在时效前引入预变形，促进溶质原子偏聚并钉扎孪晶界，实现了 ZX 系低合金强塑性协同提升，开发出具有优异烘烤硬化能力的 Mg?2Zn?0.5Ca [质量分数 (%)，ZX20] 合金。针对粗大共晶相的点蚀危害，通过向铸态 ZX20 合金中添加 Al 元素，调控共晶相尺寸和分布状态，降低了含 Ca 相与基体电势差，减弱了微电偶腐蚀反应，实现了铸态 ZX20 合金强度和耐蚀性的协同提升。针对腐蚀产物膜保护性差的缺点，通过 Sn 合金化，形成了掺杂 SnO?的致密氧化膜，抑制了点蚀的快速扩展，同时提升了变形态 ZX20 合金的强度和耐蚀性。

本书聚焦 Mg?Zn?Ca (ZX) 系低合金强塑性失配、耐蚀性差的核心瓶颈，针对 “强度?耐蚀性此消彼长” 的行业悖论，通过 “预变形?时效” 工艺调控与 Al/Sn 合金化优化，实现 ZX 系合金强塑性、强度与耐蚀性的协同提升，揭示微观结构调控的关键机制，构建低合金镁合金成分?工艺?性能一体化设计体系。

本书以低合金 Mg?Zn?Ca 合金为研究对象，研究了 Mg?2.10Zn?0.45Ca [质量分数 (%)，ZX20] 合金的烘烤硬化机制，揭示了预变形时效处理对合金微观组织演变以及室温力学性能的影响机制，实现了低合金的强度和塑性的协同提升；揭示了晶体缺陷 (孪晶界和位错) 处的元素偏聚对合金腐蚀行为的影响机制；研究了 Al 合金化对铸态 Mg?2Zn?xAl?0.5Ca 合金微观组织演变和腐蚀行为的影响，揭示了 Al 合金化的腐蚀机理，实现了低合金强度和耐腐蚀性能的协同提升；揭示了 Sn 合金化对变形 Mg?2Zn?xSn?0.5Ca 合金微观组织演变和腐蚀行为的影响，并阐明了该合金的腐蚀机制，克服了镁合金强度?耐蚀性不可兼得的瓶颈难题。

本书由李宜家统筹整体撰写工作，负责主体内容创作，承担全部实验的组织实施、数据采集与分析等相关工作；邓坤坤教授参与专著整体结构规划与篇章框架搭建，负责核心实验方案的设计、论证及优化，协助完成书稿校对与修改；王慧远教授参与专著结构梳理与逻辑完善，负责实验方案的细化设计与可行性验证，配合完成书稿整理与内容审核。衷心感谢本人导师王慧远教授对本书部分工作的指导与支持，感谢团队带头人邓坤坤教授对本书编撰过程的指导及支持。

本书部分工作得到国家自然科学基金 (项目号：52104376 和 U19A2084)、中国博士后科学基金 (项目号：2021T140250 和 2021M701376)、山西省科技重大专项计划 “揭榜挂帅” 项目 (项目号：202201050201012) 的资助，在此表示感谢。最后，由于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，敬请广大读者批评指正。

李宜家

2025 年 10 月于太原理工大学