鎂鋰(Mg-Li)合金在1960年代,美國太空總署NASA即開發應用于航天工業零件上;當時的土星五號(Saturn-V)宇宙飛船上的計算機外殼、儀表框架及其外殼等已使用LA141A鎂鋰合金,其他如火箭、武器上也有應用之實例,故早期Mg-Li 合金主要是在航天與軍事方面的應用。然因高Li含量合金價格高與耐蝕性有待改善的原因,使得Mg-Li合金的發展停滯下來。近年來因為熔煉與表面處理技術之精進,加上3C產品的應用潛力顯現,使得Mg-Li 合金再次受到高度的矚目。 【鎂鋰合金的基本結構與性質】在鎂金屬中添加密度僅有0.534g/cm3的鋰元素可形成鎂鋰(Mg-Li)合金,是目前結構金屬材料中密度較低者,其比重介于1.3~1.6,較一般鎂合金的1.8更低,約為鋁合金(比重2.7)之半。因其結構已改變,與已知的鎂合金的原子排列方式不同,此材料除超輕量(低密度)之外,其具有高比剛性、高比強度之特性,而較大的特色為可常溫塑性加工成型,應用軋延、沖壓等技術大量生產,不必局限于現有的鎂合金壓鑄的成型方式。 鎂原子序具有六方較密堆積(Hexagonal Close-packed, HCP)晶體結構;而鋰原子為體心立方(Body-centered Cubic, BCC)原子結構。鎂與鋰可形成α相HCP結構)、β相(BCC結構)以及α+β兩相共存組織(HCP與BCC之雙相結構)。鎂中所含鋰之重量百分率小于5.5%時,為單一α相;當鋰含量介于5.5~11.5%時,Mg-Li合金具有α+β兩相組織;鋰含量大于11.5%時,顯微組織呈現β單相。 Li含量小于5.5wt%是富鎂之α固溶體,此α相仍為HCP結構,然因Li原子之加入,替換了部分鎂原子,使得HCP晶格常數之c/a比值下降,原子間距離減少,晶格滑動之活化能降低,除了原有的基面滑移系統外,多了稜柱面滑移系統,而有效增加塑性變形之能力。實際上,只要添加2wt%以上的Li元素,則可使原冷加工性非常差的HCP鎂合金,其塑性加工能力即可獲得改善。? Li含量>11.2%的合金,全部由鎂在鋰中的單一固溶體β組成,體心立方晶格,有良好的冷、熱塑性加工性能與成形能力,加工率可達50%~60%每道次,不過工業上應用的合金的鋰含量不應低于13%。含15%Li左右的鎂合金的抗拉強度進一步下降到約100N/mm2,再增加Li含量強度不再增加,伸長率開始下降,加工成形性能惡化,這說明有商用價值的Mg-Li合金的Li含量宜≤16%。 【鎂鋰合金薄板片的成形性】所謂成形性(Formability)是指金屬材料以塑性變形(Plastic Deformation)方式制作零件的難易度。金屬材料通常以強度及延展性來評估其成形性;強度代表材料本身抵抗變形的能力,延展性則顯示材料在破裂前可能達到塑性變形的程度。影響材料成形性的因素包括材料特性、變形時所受的應力或應變狀態、溫度、應變速率及板片厚度等。為了評估金屬材料的成形性,可以經由不同的測試方式來建立相關資料,包括拉伸試驗(Tensile Test)、彎曲試驗(Bend Test)、引伸(Deep Drawing)實驗與伸張彎曲實驗(Stretch Bend Test)等成形性測試方法及規范。 【鎂鋰合金的拉伸機械性質】拉伸實驗根據ASTM-B 557M及ASTM E 517之規范執行,試片取與軋延方向成0度、45度與90度等三個方向。由ASTM-B 557M之規范可以獲得材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率及加工(應變)硬化系數(Work Hardening Exponent, n),而ASTM E 517之規范則可獲得材料的異向性參數(Anisotropic Parameters)。