鎂合金應(yīng)該是工程應(yīng)用中輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，但目前它們在重要領(lǐng)域的實際利用并不令人滿意。鎂合金在室溫下強度低，塑性差，直接限制了其大規(guī)模工業(yè)利用。實現(xiàn)商用鎂合金的強度-延展性協(xié)同作用對于制造鎂合金承重部件具有重要意義。近年來，可以使用嚴(yán)重的塑性變形（SPD）工藝來獲得超細或細晶粒結(jié)構(gòu)，從而提高金屬的強度。Koch提到通過高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）工藝和等通道角壓（ECAP）工藝生產(chǎn)的超細晶粒尺寸金屬實現(xiàn)了高強度。研究顯示，在Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金經(jīng)過6次多向鍛造（MDF）后，平均晶粒尺寸從200 μm減小到5.1 μm，屈服強度（YS）、極限抗拉強度（UTS）和失效伸長率（EF）顯著增強。在SPD方法中，MDF工藝可以開發(fā)大尺寸鋼坯，同時具有成本低，操作簡單的優(yōu)點。
鎂金屬是密度低的金屬，并不稀有，因為它是地殼中第八豐富的元素和溶解海水中第三豐富的元素。鎂已有幾個世紀(jì)的歷史，可以加工成多種形式，包括鑄件、擠壓件、板材和鍛件。然而，盡管它是一種可能在汽車中很有價值的低密度材料，但它并不經(jīng)常被納入輕量化討論中。本文將探討鎂金屬在汽車中的當(dāng)前用途及其在生產(chǎn)鍛造汽車部件中的潛在價值。
在鎂鑄件的生產(chǎn)中，AZ91由于其強度高、延伸率適中，常用于結(jié)構(gòu)件和蓋板。對于那些提供耐撞性的擠壓區(qū)部件，AM50和AM60更為常見，因為它們的伸長率為10-15%，這是能量吸收的關(guān)鍵屬性。所有這些合金都很容易獲得。它們以原生鎂的形式生產(chǎn)（主要通過低成本的Pidgeon工藝）或通過回收供應(yīng)。
鎂壓鑄件的前景非常好。根據(jù)Ducker在2021年8月的報告，汽車中鎂鑄件的平均使用量將從2016年的每輛汽車3.6千克增加到2030年的每輛汽車11.5公斤。這里提到的壓鑄件以及車門內(nèi)件將構(gòu)成這一增長的大部分[3]。
目前鎂鍛件在汽車中的使用受到嚴(yán)重限制。鎂鍛件的主要用途是生產(chǎn)車輪。鎂似乎是車輪生產(chǎn)的天然材料，因為更輕的車輪有很多好處。重量輕的車輪確保小的滾動阻力、大的加速和制動效率以及佳的燃油經(jīng)濟性。目前，鍛造鎂合金輪轂可用于賽車，甚至被強制用于方程式賽車。然而，鎂合金車輪并不常用于任何街道車輛，尤其是那些在雪季撒鹽時需要在街道上行駛的車輛。
鎂的彈性模量（剛度）均為45 吉帕(GPa)。相比之下，鋁為69 GPa，鋼為190-210GPa。許多部件的剛度有限，這是鎂需要克服的一個重大障礙。低剛度材料需要更大的橫截面才能達到相同的性能。這通常會導(dǎo)致成本增加和部件尺寸變大，從而使部件難以安裝在車輛內(nèi)的允許空間（稱為封裝空間）中。組件成功案例是剛度來自組件固有幾何形狀的設(shè)計，例如車輪或汽車中控臺下方的U 形內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
鎂合金可以通過壓鑄、擠壓、鍛造等多種成型方法，實現(xiàn)復(fù)雜形狀零部件的大規(guī)模生產(chǎn)。鎂合金在高溫下依然具有良好的塑性和抗變形性，有利于熱加工和成形。
科學(xué)家和工程師通過添加合金元素或進行表面處理等方式，有效改善了鎂合金的腐蝕性能，使其適用于更廣泛的應(yīng)用場景。
鎂合金是一種環(huán)保材料，它可以與環(huán)境中的氧氣和水進行反應(yīng)，生成氧化鎂和氫氣，不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的廢棄物。鎂合金具有很好的可回收性，對于節(jié)約資源和保護環(huán)境具有積極意義。
它作為輕量高強的未來材料之選，具有諸多優(yōu)勢，包括高強度與輕量化優(yōu)勢、良好的加工性能和成型性，以及其耐腐蝕性與環(huán)保特點。
這些優(yōu)勢使得鎂合金在航空航天、汽車工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，同時也為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究者帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。
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