《科研訓(xùn)練報告》袁濤材料.doc

科研訓(xùn)練報告課題名稱：固相合成耐熱鎂合金制備及強化機理研究 學(xué) 院：機電與信息工程 專 業(yè)：材料科學(xué)與工程 姓 名： 袁濤 學(xué) 號： 0811340216 指導(dǎo)教師： 李國華 報告日期： 2011 年 9 月 23 日成 績： 評閱人簽字： 一項目立論依據(jù)歷年來對鎂合金的研究越來越來重視，隨著人們對金屬資源需求的增長，及鐵礦資源的開發(fā)殆盡，急需鋼鐵材料的替代品，而我國是鎂資源大國，儲量居世界首位。鎂和稀土是我國獨具特色的資源優(yōu)勢。2003年我國共生產(chǎn)原鎂33.4萬噸，約占全球總產(chǎn)量的67。稀土占世界已探明稀土儲量的80以上。因此，開發(fā)含稀土的高品質(zhì)鎂合金材料在我國具有獨特的優(yōu)勢，不斷完善現(xiàn)有的稀土鎂合金系，同時開發(fā)成本低、性能好的新型稀土鎂合金，對我國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作用。概念介紹固相合成反應(yīng)：高溫下固體和固體間進行的反應(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生成物相層的例子擴散速度。經(jīng)歷四個階段：擴散-反應(yīng)-成核-生長擴散：固相反應(yīng)的發(fā)生其實與兩個反應(yīng)物分子的擴散接觸；反應(yīng)：接著發(fā)生化學(xué)作用，生成物分子。此時生成的產(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：隨著晶核的長大，達到一定的大小，出現(xiàn)產(chǎn)物的獨立晶相。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)完全進行，因此固相反應(yīng)的產(chǎn)率往往都很高。優(yōu)點：產(chǎn)率高，污染小。缺點：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、比強度高、比剛度高、尺寸穩(wěn)定的特點，也有電磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流動性等優(yōu)點。但是以往鎂合金的高溫性能差，蠕變強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)動機引擎蓋，等都要求鎂合金的高溫性能和抗蠕變性好。近年來的文獻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，用來增強各種性能的添加元素為稀土元素。其加工過程及腐蝕和力學(xué)性能有許多特點：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、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點。此外，稀土元素的化學(xué)活性強，對液合金具有除氫、氧、氯、夾雜物的作用，改善合金流動性和加工性能，抑制鐵對合金的腐蝕作用，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化相時，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化機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散速度的影響等。蠕變是一個高溫條件下緩慢的塑性變形過程。與常溫拉伸過程相比，在微觀機制上不僅滑移系增多而且還有晶界滑移。鎂合金蠕變機理分為兩個階段，低溫下以位錯攀移為主，高溫下一位錯滑移為主。鎂合金的高溫變形特點是晶內(nèi)位錯運動與晶界滑移相結(jié)合。因此，稀土元素提高其蠕變性能的途徑主要有基體強化和晶界強化。其他添加元素的影響Sn 對鎂的強化作用不因為溫度的升高而消失。在高溫下合金強度隨sn的變化趨勢為：隨著含量增加，合金的屈服強度和抗拉強度上升，且在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達3%時達到峰值。但其量過多時會使顆粒粗化導(dǎo)致高溫強化作用減弱。Si是弱的晶粒細化劑在組織中形成硬的硅質(zhì)點可改善蠕變性能。Ca有明顯細化晶粒作用，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，他在鎂合金中擴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X 射線衍射和能量分散X射線顯微分析證實了MgSr相的析出，該新型合金Mg-Sr-Mn最終抗拉強度比WE43的相關(guān)數(shù)據(jù)要低，但是當(dāng)Sr量較高時，相當(dāng)。Ag 和RE一起加入時刻改善合金高溫抗拉和高溫蠕變性能。參考文獻：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 2001(12)4.呂宜振 壓鑄鎂合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1998(12)5.孫楊善;翁坤忠;袁廣銀 Sn對鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響期刊論文-中國有色金屬學(xué)報 1999(01)6.黃伯土;聶邦盛;賈延杰 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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目實施的方案:傳統(tǒng)鎂合金材料的購買、篩選;對篩選的材料進行顯微組織的分析：通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜等分析測試手段，對顯微組織形貌、成分、結(jié)構(gòu)進行分析，配合硬度（宏觀硬度、顯微硬度）等力學(xué)性能測試，對材料典型顯微組織進行鑒定；進行性能測試、高溫后性能測試；對材料進行處理，使其變?yōu)槟蜔徭V合金；進行顯微組織分析、性能測試、高溫后性能測試；對兩組材料所得數(shù)據(jù)進行對比分析，并對其作用機制進行探討。技術(shù)路線：1) 購買、篩選原材料 (傳統(tǒng)Mg-Al合金),選部分試樣進行加工；2) 打磨試樣以便進行顯微組織的觀察；3) 對另一些加工試樣進行高溫前后性能實驗測試；4) 對測試數(shù)據(jù)進行分析處理，得出高溫時傳統(tǒng)鎂合金性能的不足；5) 對篩選原材料進行固相合成耐熱鎂合金處理；6) 對耐熱鎂合金試樣打磨進行顯微組織的觀察;7) 檢測所得鎂合金的高溫前后性能實驗檢測;8) 處理實驗數(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)題報告?？尚行苑治觯簹v年來對鎂合金的研究越來越來重視，技術(shù)和設(shè)備能滿足要求，在學(xué)校實驗室做簡單的實驗步驟處理，關(guān)鍵的技術(shù)處理部分可以我們所在地的優(yōu)勢，聯(lián)系相關(guān)科研單位，使用其設(shè)備進行實驗。四、本項目的特色與創(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，開發(fā)新的材料。五、研究計劃及預(yù)期研究結(jié)果研究計劃： 材料的購買、篩選加工地點的選擇對原材料進行加工對加工后材料的分析研究即傳統(tǒng)鎂合金材料的購買、篩選；對篩選的材料進行顯微組織的分析；進行性能測試、高溫后性能測試；對材料進行處理，使其變?yōu)槟蜔徭V合金；進行顯微組織分析、性能測試、高溫后性能測試；對兩組材料所得數(shù)據(jù)進行對比分析。預(yù)期研究結(jié)果：經(jīng)過實驗處理后的鎂合金材料比未進處理的在高溫時的性能有很大的提高，