镁的力学性能受纯度影响的研究

人们对于镁这种金属的普遍认识是密度小、易于燃烧，镁的这些特性是由其物理、化学性质所决定的。下面就镁元素的特征、晶体结构、物理性能、热性能和力学性能等方面进行介绍。

1.元素特征

镁元素的元素符号为Mg，原子序数为12，自由原子中各轨道电子状态为1s²2s²2p⁶3s²，同位素原子有Mg²⁴、Mg²⁵和Mg²⁶（其质量分数分别为78.99%、10.00%和11.01%），相对原子质量为24.305，摩尔体积为14.0cm³/mol。

2.晶体结构

在标准大气压下纯镁是密排六方晶体结构，其晶格常数见表1-5，晶胞结构如图1-1所示。表1-5的测量结果与理论预测值a=0.32092nm和c=0.52105nm相吻合，误差仅为0.01%。如果交错密排原子层系由理想的硬球原子组成，则理想密排六方结构的c/a为1.633。这与室温下所测得的c/a为1.6236相比，说明金属镁具有接近完美的密排结构。

表1-5 纯镁的晶格常数

图1-1 金属镁晶胞结构

纯镁的晶格常数a、c的大小与温度有关，在0～50℃的温度区间内，a（单位为nm）、c（单位为nm）的大小可用公式表示为

a=0.32075+（7.045T+0.0047T²）×10^-6 （1-1）

c=0.52076+（11.758T+0.0080T²）×10^-6 （1-2）

式中，T为摄氏温度（℃）。

3.物理性能

（1）密度 20℃时金属镁的密度为1.738g/cm³，在熔化温度下（650℃）固态金属镁的密度约为1.65g/cm³。

（2）凝固体积变化 金属镁凝固体积收缩率为4.2%，对应的凝固线收缩率为1.5%。

（3）冷却体积变化 当金属镁从650℃冷却到20℃的过程中产生约5%的体积收缩，对应的线收缩率为1.7%。

4.热性能

（1）熔点 标准大气压下，金属镁的熔点为650℃。

（2）沸点 标准大气压下，金属镁的沸点是1090℃。

（3）热膨胀 纯镁在较低温度下的热膨胀系数见表1-6。

表1-6 低温状态下纯镁的热膨胀系数

基于已发表的试验结果和美国陶氏（Dow）化学公司的研究数据，Baker提出在0～550℃温区内多晶金属镁的热膨胀系数α_t（单位为℃^-1）可以表达为

α_t=（25.0+0.0188T）×10^-6 （1-3）

式中，T为摄氏温度（℃）。

根据该公式推出的多晶纯镁在该温度范围内的平均热膨胀系数见表1-7。

表1-7 低温状态下纯镁的热膨胀系数

（4）热传导能力 试验测定的金属镁在低、中温区的热导率见表1-8。热导率在149～5700W/（m·K）之间变化，在温度9K时到达峰值。

表1-8 低、中温状态下纯镁的热导率

（续）

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金属镁的热导率λ[单位为W/（m·K）]还可以根据镁的Bungardt和Kallen_- bach公式计算，即

λ=22.6T/ρ+0.0167T （1-4）式中，ρ为电阻率；T为绝对温度（K）。

表1-9给出了式（1-4）预测的热导率。

表1-9 理论计算的镁的热导率

（5）比热容（c_p） 金属镁在20℃的比热容是1.025kJ/（kg·K），不同温度时镁的比热容见表1-10。

表1-10 镁的比热容

（6）迪拜特征温度 金属镁在30K温度以上的迪拜特征温度是326K（53℃）。

（7）熔化潜热 金属镁的熔化潜热为360～377kJ/kg。

（8）升华潜热 25℃时金属镁的升华潜热为6113～6238kJ/kg。

（9）汽化潜热 金属镁的汽化潜热为5150～5400kJ/kg。

（10）蒸气压 表1-11给出了金属镁的蒸气压与温度的关系。

表1-11 金属镁的蒸气压与温度的关系

（11）燃点 在标准状态下，金属镁在空气中加热到632～635℃开始燃烧。

（12）燃烧热 金属镁的燃烧热为24900～25200kJ/kg。

（13）自扩散系数 金属镁的自扩散系数在468℃时为4.4×10^-10cm²/s，在551℃时为3.6×10^-9cm²/s，在627℃时为2.1×10^-8cm²/s。

5.力学性能

（1）拉伸性能 纯镁在20℃的典型力学性能见表1-12。

表1-12 纯镁在20℃的典型力学性能

（2）弹性模量 金属镁在温度20℃时的弹性模量与其纯度有关。当纯度为99.98%时，金属镁的动态弹性模量为44GPa，其静态弹性模量为40GPa；而当纯度变为99.80%时，金属镁的动态弹性模量增至45GPa，静态弹性模量也上升为43GPa。

（3）泊松比 金属镁的泊松比为0.35。

（4）波速 在拉拔退火金属镁材中，纵波的速度为5.77km/s，横波的速度为3.05km/s。

（5）硬度 金属镁的硬度值见表1-12。

（6）蠕变断裂值 金属镁的蠕变行为以及温度和应力对镁最小蠕变率的影响如图1-2所示。

（7）摩擦因数 在20℃下金属镁对金属镁的摩擦因数为0.36。

（8）黏度 在650℃下液态金属镁的动力黏度为1.23MPa·s，在700℃下液态金属镁的动力黏度为1.13MPa·s。

图1-2 温度和应力对镁最小蠕变率的影响

（9）表面张力 在660～852℃温度范围内，表面张力值为0.545～0.563N/m；在894～1120℃温度范围内，表面张力值为0.502～0.504N/m。