《科研訓(xùn)練報(bào)告》袁濤材料.doc

科研訓(xùn)練報(bào)告課題名稱：固相合成耐熱鎂合金制備及強(qiáng)化機(jī)理研究 學(xué) 院：機(jī)電與信息工程 專 業(yè)：材料科學(xué)與工程 姓 名： 袁濤 學(xué) 號(hào)： 0811340216 指導(dǎo)教師： 李國(guó)華 報(bào)告日期： 2011 年 9 月 23 日成 績(jī)： 評(píng)閱人簽字： 一項(xiàng)目立論依據(jù)歷年來(lái)對(duì)鎂合金的研究越來(lái)越來(lái)重視，隨著人們對(duì)金屬資源需求的增長(zhǎng)，及鐵礦資源的開發(fā)殆盡，急需鋼鐵材料的替代品，而我國(guó)是鎂資源大國(guó)，儲(chǔ)量居世界首位。鎂和稀土是我國(guó)獨(dú)具特色的資源優(yōu)勢(shì)。2003年我國(guó)共生產(chǎn)原鎂33.4萬(wàn)噸，約占全球總產(chǎn)量的67。稀土占世界已探明稀土儲(chǔ)量的80以上。因此，開發(fā)含稀土的高品質(zhì)鎂合金材料在我國(guó)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不斷完善現(xiàn)有的稀土鎂合金系，同時(shí)開發(fā)成本低、性能好的新型稀土鎂合金，對(duì)我國(guó)鎂合金材料和稀土材料領(lǐng)域的發(fā)展將具有極大的推動(dòng)作用。概念介紹固相合成反應(yīng)：高溫下固體和固體間進(jìn)行的反應(yīng)。其影響因素主要有：反應(yīng)物固體的表面積和反應(yīng)物間的接觸面積;生成物相的成核速度；相界面間特別是通過(guò)生成物相層的例子擴(kuò)散速度。經(jīng)歷四個(gè)階段：擴(kuò)散-反應(yīng)-成核-生長(zhǎng)擴(kuò)散：固相反應(yīng)的發(fā)生其實(shí)與兩個(gè)反應(yīng)物分子的擴(kuò)散接觸；反應(yīng)：接著發(fā)生化學(xué)作用，生成物分子。此時(shí)生成的產(chǎn)物分子分散在母體反應(yīng)物中，只能當(dāng)作雜質(zhì)或缺陷的分散存在；晶核成長(zhǎng)：隨著晶核的長(zhǎng)大，達(dá)到一定的大小，出現(xiàn)產(chǎn)物的獨(dú)立晶相。固相反應(yīng)與溶液反應(yīng)的區(qū)別：1.反應(yīng)物溶解度的影響。2.產(chǎn)物溶解度的影響，溶液反應(yīng)中，產(chǎn)物溶解度性有利于反應(yīng)；固相反應(yīng)沒有要求。3.熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)的差別。4.控制反應(yīng)的因素不同。5.溶液反應(yīng)體系受到化學(xué)平衡的制約，而固相在不生成固溶體的情形下，反應(yīng)完全進(jìn)行，因此固相反應(yīng)的產(chǎn)率往往都很高。優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)率高，污染小。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率較低。金屬鎂及其合金是目前工業(yè)上可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高、尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)，也有電磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)。但是以往鎂合金的高溫性能差，蠕變強(qiáng)度低限制了鎂合金的應(yīng)用，例如要求較高溫度、必須防止油的滲漏且具有優(yōu)良高溫蠕變性能的發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋，等都要求鎂合金的高溫性能和抗蠕變性好。近年來(lái)的文獻(xiàn)顯示了多種耐熱鎂合金的研制成功及其優(yōu)良的性能。目前常用的鎂合金有常用的有四個(gè)系列：AZ(Mg-Al-Zn-Mn)，AM(Mg-Al-Mn)，AS(Mg-Al-Si)，AE(Mg-Al-Re)。其中AE系列鎂合金蠕變強(qiáng)度較高，此外WE系列的鎂合金都具有優(yōu)良的高溫性能。這些已開發(fā)的鎂合金中所采用的，用來(lái)增強(qiáng)各種性能的添加元素為稀土元素。其加工過(guò)程及腐蝕和力學(xué)性能有許多特點(diǎn)：質(zhì)量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、耐磨、衰減性能好及易于回收；另外還有高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、無(wú)磁性、屏蔽性好和無(wú)毒的特點(diǎn)。此外，稀土元素的化學(xué)活性強(qiáng)，對(duì)液合金具有除氫、氧、氯、夾雜物的作用，改善合金流動(dòng)性和加工性能，抑制鐵對(duì)合金的腐蝕作用，降低合金在液態(tài)和固態(tài)下的氧化傾向，減少金屬表面氧化物缺陷集中及改變起結(jié)晶晶格參數(shù)，使合金具有優(yōu)良的抗氧化性能。當(dāng)鎂合金添加少量稀土元素還有變質(zhì)及細(xì)化作用，使其性能得到改善，當(dāng)鎂合金中的稀土元素添加量足以生成金屬間化合物、共晶復(fù)合物的金屬纖維組織以及固溶強(qiáng)化相時(shí)，可以顯著提高合金基體的高溫性能。固相合成耐熱鎂合金強(qiáng)化機(jī)理還包括稀土與金屬的相圖（如稀土元素在金素中的溶解度）、稀土化合物的性質(zhì)。形狀、分布、稀土在金素中的分布及擴(kuò)散速度的影響等。蠕變是一個(gè)高溫條件下緩慢的塑性變形過(guò)程。與常溫拉伸過(guò)程相比，在微觀機(jī)制上不僅滑移系增多而且還有晶界滑移。鎂合金蠕變機(jī)理分為兩個(gè)階段，低溫下以位錯(cuò)攀移為主，高溫下一位錯(cuò)滑移為主。鎂合金的高溫變形特點(diǎn)是晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與晶界滑移相結(jié)合。因此，稀土元素提高其蠕變性能的途徑主要有基體強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。其他添加元素的影響Sn 對(duì)鎂的強(qiáng)化作用不因?yàn)闇囟鹊纳叨?。在高溫下合金?qiáng)度隨sn的變化趨勢(shì)為：隨著含量增加，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度上升，且在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3%時(shí)達(dá)到峰值。但其量過(guò)多時(shí)會(huì)使顆粒粗化導(dǎo)致高溫強(qiáng)化作用減弱。Si是弱的晶粒細(xì)化劑在組織中形成硬的硅質(zhì)點(diǎn)可改善蠕變性能。Ca有明顯細(xì)化晶粒作用，可稍微抑制熔體金屬的氧化，可改善抗蠕變性能。Sr 是一種提高鎂合金性能（大于三百攝氏度)的合金化元素，它可以提高鎂固溶體的熔點(diǎn)，他在鎂合金中擴(kuò)散緩慢且具有較低的密度。例如：MgSr6Mn1和MgSr15Mn1已經(jīng)具備應(yīng)用于壓鑄的技術(shù)條件。通過(guò)X 射線衍射和能量分散X射線顯微分析證實(shí)了MgSr相的析出，該新型合金Mg-Sr-Mn最終抗拉強(qiáng)度比WE43的相關(guān)數(shù)據(jù)要低，但是當(dāng)Sr量較高時(shí)，相當(dāng)。Ag 和RE一起加入時(shí)刻改善合金高溫抗拉和高溫蠕變性能。參考文獻(xiàn)：1.Negishi Y;Nishimura T;Kiryuu M Phase Diagrams of Magnesium-Rich PortionAging Characteristics and TensileProperties of Mg-heavy Rare Earth Metal(Gd,Dy)-Nd Alloys 1995(02)2.OhuchiK;Iwasawa S;Kamado S Effects of Nd and Ag Additions on the MicrostruCtures and Mechanical Properties of Mg-8% Li Alloys 1992(08)3.Wang Q D;Chen W Z;Zeng X Q Effects of Ca Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of AZ91 Mg Alloy外文期刊 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金屬型鑄造Mg-10Zn-2Al合金的凝固行為及鑄態(tài)組織期刊論文-特種鑄造及有色合金2009(3)10.肖代紅.楊太華.黃伯云 鑄態(tài)Mg-11Al-1.2Zn-(-0.3Sc)合金的顯微組織與力學(xué)性能期刊論文-特種鑄造及有色合金2008(5)11.張春香.王利國(guó).吳立鴻.陳培磊.陳海軍.關(guān)紹康 主要耐熱鎂合金系的研究進(jìn)展期刊論文-材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2008(4)12.亢春生.王武孝.袁森.金志新.董志喬 鎂合金及鎂基復(fù)合材料的高溫蠕變研究進(jìn)展期刊論文-鑄造技術(shù) 2008(2)13.謝建昌.李全安.李建弘.張興淵 耐熱鎂合金及其開發(fā)思路期刊論文-鑄造2008(1)14.牛高.陳云貴.唐永柏.肖素芬.章曉萍.魏尚海.趙源華 Mg-5Sn-xGd合金的鑄態(tài)顯微組織期刊論文-特種鑄造及有色合金2008(2)15.ZHANG Jin-shan.DU Hong-wei.LU Bin-feng.ZHANG Yan.LIANG Wei.XU Chun-xiang.LU Feng-lei Effect of Ca oncrystallization of Mg-based master alloy containing spherical quasicrystal期刊論文-中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)會(huì)刊（英文版） 2007(2)16.劉曉瑩.劉勇兵 重力鑄造鎂合金AZ91高周疲勞性能研究期刊論文-鑄造 2006(12)17.楊友 Nd對(duì)壓鑄鎂合金AZ91D高周疲勞性能的影響期刊論文-特種鑄造及有色合金 2006(10)18.李冬升.程曉農(nóng) 抗蠕變鎂合金研究進(jìn)展期刊論文-材料導(dǎo)報(bào) 2006(z1)19.馬志新.李德富.李彥利 Mg-Y-Nd-Zr合金加工工藝與組織演化的研究期刊論文-稀有金屬 2006(6)20.吳安如.董麗君.夏長(zhǎng)清.武文花 稀土元素對(duì)鎂合金高溫力學(xué)性能的影響期刊論文-熱加工工藝 2006(4)21.李海東.彭曉東 堿土鎂合金的研究及開發(fā)期刊論文-輕金屬 2006(6)22.黎業(yè)生.董定乾.吳子平 稀土鎂合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景期刊論文-輕合金加工技術(shù) 2006(4)23.董麗君.吳安如 Mg-Y二元合金的制備與組織觀察期刊論文-機(jī)械 2006(3)二、項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)，以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題項(xiàng)目研究的內(nèi)容是將傳統(tǒng)鎂合金材料進(jìn)行一系列處理使之變?yōu)槟蜔徭V合金材料，改善傳統(tǒng)鎂合金不耐高溫及高溫時(shí)的抗蠕變性能差的缺點(diǎn)。研究目標(biāo)：1. 充分挖掘研究稀土在鎂合金中的諸多優(yōu)良特性；2. 提高鎂合金的綜合性能將使鎂合金成為一種重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料；3. 新材料的制備。三、擬采取的研究方案、技術(shù)路線及可行性分析項(xiàng)目實(shí)施的方案:傳統(tǒng)鎂合金材料的購(gòu)買、篩選;對(duì)篩選的材料進(jìn)行顯微組織的分析：通過(guò)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜等分析測(cè)試手段，對(duì)顯微組織形貌、成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，配合硬度（宏觀硬度、顯微硬度）等力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)材料典型顯微組織進(jìn)行鑒定；進(jìn)行性能測(cè)試、高溫后性能測(cè)試；對(duì)材料進(jìn)行處理，使其變?yōu)槟蜔徭V合金；進(jìn)行顯微組織分析、性能測(cè)試、高溫后性能測(cè)試；對(duì)兩組材料所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行探討。技術(shù)路線：1) 購(gòu)買、篩選原材料 (傳統(tǒng)Mg-Al合金),選部分試樣進(jìn)行加工；2) 打磨試樣以便進(jìn)行顯微組織的觀察；3) 對(duì)另一些加工試樣進(jìn)行高溫前后性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試；4) 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出高溫時(shí)傳統(tǒng)鎂合金性能的不足；5) 對(duì)篩選原材料進(jìn)行固相合成耐熱鎂合金處理；6) 對(duì)耐熱鎂合金試樣打磨進(jìn)行顯微組織的觀察;7) 檢測(cè)所得鎂合金的高溫前后性能實(shí)驗(yàn)檢測(cè);8) 處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制圖表，得出結(jié)論;9) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文，撰寫結(jié)題報(bào)告?？尚行苑治觯簹v年來(lái)對(duì)鎂合金的研究越來(lái)越來(lái)重視，技術(shù)和設(shè)備能滿足要求，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室做簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)步驟處理，關(guān)鍵的技術(shù)處理部分可以我們所在地的優(yōu)勢(shì)，聯(lián)系相關(guān)科研單位，使用其設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。四、本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處特色：充分挖掘研究稀土在鎂合金中的諸多優(yōu)良特性，提高鎂合金的綜合性能，將使鎂合金成為一種重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料。創(chuàng)新之處：利用固相處理技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)新的材料。五、研究計(jì)劃及預(yù)期研究結(jié)果研究計(jì)劃： 材料的購(gòu)買、篩選加工地點(diǎn)的選擇對(duì)原材料進(jìn)行加工對(duì)加工后材料的分析研究即傳統(tǒng)鎂合金材料的購(gòu)買、篩選；對(duì)篩選的材料進(jìn)行顯微組織的分析；進(jìn)行性能測(cè)試、高溫后性能測(cè)試；對(duì)材料進(jìn)行處理，使其變?yōu)槟蜔徭V合金；進(jìn)行顯微組織分析、性能測(cè)試、高溫后性能測(cè)試；對(duì)兩組材料所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。預(yù)期研究結(jié)果：經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)處理后的鎂合金材料比未進(jìn)處理的在高溫時(shí)的性能有很大的提高，