调研报告《科研训练报告》袁涛材料

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1、中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院材料科学与工程专业科研训练报告科研训练报告课题名称：固相合成耐热镁合金制备及强化机理研究 学 院：机电与信息工程 专 业：材料科学与工程 姓 名： 袁涛 学 号： 0811340216 指导教师： 李国华 报告日期： 2011 年 9 月 23 日成 绩： 评阅人签字： 9一项目立论依据历年来对镁合金的研究越来越来重视，随着人们对金属资源需求的增长，及铁矿资源的开发殆尽，急需钢铁材料的替代品，而我国是镁资源大国，储量居世界首位。镁和稀土是我国独具特色的资源优势。2003年我国共生产原镁33.4万吨，约占全球总产量的67。稀土占世界已探明稀土储量的80以上。

2、因此，开发含稀土的高品质镁合金材料在我国具有独特的优势，不断完善现有的稀土镁合金系，同时开发成本低、性能好的新型稀土镁合金，对我国镁合金材料和稀土材料领域的发展将具有极大的推动作用。概念介绍固相合成反应：高温下固体和固体间进行的反应。其影响因素主要有：反应物固体的表面积和反应物间的接触面积;生成物相的成核速度；相界面间特别是通过生成物相层的例子扩散速度。经历四个阶段：扩散-反应-成核-生长扩散：固相反应的发生其实与两个反应物分子的扩散接触；反应：接着发生化学作用，生成物分子。此时生成的产物分子分散在母体反应物中，只能当作杂质或缺陷的分散存在；晶核成长：随着晶核的长大，达到一定的大小，出现产物的

3、独立晶相。固相反应与溶液反应的区别：1.反应物溶解度的影响。2.产物溶解度的影响，溶液反应中，产物溶解度性有利于反应；固相反应没有要求。3.热力学状态函数的差别。4.控制反应的因素不同。5.溶液反应体系受到化学平衡的制约，而固相在不生成固溶体的情形下，反应完全进行，因此固相反应的产率往往都很高。优点：产率高，污染小。缺点：生产效率较低。金属镁及其合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点，也有电磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流动性等优点。但是以往镁合金的高温性能差，蠕变强度低限制了镁合金的应用，例如要求较高温度、必须防止油的渗漏且具有优良高

4、温蠕变性能的发动机引擎盖，等都要求镁合金的高温性能和抗蠕变性好。近年来的文献显示了多种耐热镁合金的研制成功及其优良的性能。目前常用的镁合金有常用的有四个系列：AZ(Mg-Al-Zn-Mn)，AM(Mg-Al-Mn)，AS(Mg-Al-Si)，AE(Mg-Al-Re)。其中AE系列镁合金蠕变强度较高，此外WE系列的镁合金都具有优良的高温性能。这些已开发的镁合金中所采用的，用来增强各种性能的添加元素为稀土元素。其加工过程及腐蚀和力学性能有许多特点：质量轻、刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收；另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。此外，稀土元

5、素的化学活性强，对液合金具有除氢、氧、氯、夹杂物的作用，改善合金流动性和加工性能，抑制铁对合金的腐蚀作用，降低合金在液态和固态下的氧化倾向，减少金属表面氧化物缺陷集中及改变起结晶晶格参数，使合金具有优良的抗氧化性能。当镁合金添加少量稀土元素还有变质及细化作用，使其性能得到改善，当镁合金中的稀土元素添加量足以生成金属间化合物、共晶复合物的金属纤维组织以及固溶强化相时，可以显著提高合金基体的高温性能。固相合成耐热镁合金强化机理还包括稀土与金属的相图（如稀土元素在金素中的溶解度）、稀土化合物的性质。形状、分布、稀土在金素中的分布及扩散速度的影响等。蠕变是一个高温条件下缓慢的塑性变形过程。与常温拉伸过

6、程相比，在微观机制上不仅滑移系增多而且还有晶界滑移。镁合金蠕变机理分为两个阶段，低温下以位错攀移为主，高温下一位错滑移为主。镁合金的高温变形特点是晶内位错运动与晶界滑移相结合。因此，稀土元素提高其蠕变性能的途径主要有基体强化和晶界强化。其他添加元素的影响Sn 对镁的强化作用不因为温度的升高而消失。在高温下合金强度随sn的变化趋势为：随着含量增加，合金的屈服强度和抗拉强度上升，且在其质量分数达3%时达到峰值。但其量过多时会使颗粒粗化导致高温强化作用减弱。Si是弱的晶粒细化剂在组织中形成硬的硅质点可改善蠕变性能。Ca有明显细化晶粒作用，可稍微抑制熔体金属的氧化，可改善抗蠕变性能。Sr 是一种提高镁

7、合金性能（大于三百摄氏度)的合金化元素，它可以提高镁固溶体的熔点，他在镁合金中扩散缓慢且具有较低的密度。例如：MgSr6Mn1和MgSr15Mn1已经具备应用于压铸的技术条件。通过X 射线衍射和能量分散X射线显微分析证实了MgSr相的析出，该新型合金Mg-Sr-Mn最终抗拉强度比WE43的相关数据要低，但是当Sr量较高时，相当。Ag 和RE一起加入时刻改善合金高温抗拉和高温蠕变性能。参考文献：1.Negishi Y;Nishimura T;Kiryuu M Phase Diagrams of Magnesium-Rich PortionAging Characteristics and Ten

8、sileProperties 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 Proper

9、ties of AZ91 Mg Alloy外文期刊 2001(12)4.吕宜振 压铸镁合金的应用现状及发展趋势 1998(12)5.孙杨善;翁坤忠;袁广银 Sn对镁合金显微组织和力学性能的影响期刊论文-中国有色金属学报 1999(01)6.黄伯土;聂邦盛;贾延杰 Mg-Nd-Zn-Zr-耐热高强铸造镁合金期刊论文-特种铸造及有色合金 1998(06)7.杨彬 镁合金研究及制备发展概况期刊论文-铸造设备研究 2001(01)8.余琨;黎文献;李松瑞 变形镁合金材料的研究进展期刊论文-轻合金加工技术2001(07)9.Pekguleryuz M O;Avedesian M M Mg Alloyin

10、g Some Potentials for Alloy Development 1992(12)10.王渠东;吕宜振;曾小勤 稀土在铸造镁合金中的应用期刊论文-特种铸造及有色合金 1999(01)11.刘金海;李国禄;刘根生 镁合金铸造技术进展期刊论文-铸造 2001(09)12.陈力禾;赵慧杰;沈志勇 镁合金压铸及其在汽车工业中的应用 1999(10)13.白肃饮;赵丕峰 新型镁合金GQMZ96研究期刊论文-特种铸造及有色合金 2001(01)14.Grobner J;Schmid-Tetzer R Selection of Promising Quaternary Resistant Ma

11、gnesium Alloys外文期刊 2001(2)15.Mordike B L Development of Highly Creep Resistant Magnesium Alloys外文期刊 2001(03)16.Von Buch F;Lierzau J;Mordike B L Development of Mg-Sc-Mn alloys外文期刊 199917.ANYANWU I A;Kamado S;Honda T Heat Resistance of Mg-Zn-Al-Ca Alloy Casings 2000(07)18.Ninomiya Rojiro T;Kubota K Im

12、proved Heat Tesistance of Mg-Al Alloys by the Ca addition外文期刊1995(02)19.王渠东;曾小勤;吕宜振 高温铸造镁合金的研究与应用期刊论文-材料导报 2000(03)20.Mabuchi M;Kubota K;Higashi K Elevated Temperature Mechanical Properties of Megnesium Alloys Containing Mg2Si 1996(01)21.吉泽升;李德锋;孙荣滨 镁合金压铸技术的发展现状期刊论文-轻合金加工技术 2001(12)引证文献(39条)1.丁雨田.方元

13、.于善坤.胡勇.刘广柱 富铈混合稀土对Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金组织及力学性能的影响期刊论文-中国铸造装备与技术 2010(2)2.张丁非.李鹏程.汤安.齐福刚 Si对镁合金组织和性能影响的研究现状期刊论文-热加工工艺 2010(18)3.杨友.张立鹏.王学慧 Si、Ca和Ce混合添加对压铸镁合金疲劳性能的影响期刊论文-特种铸造及有色合金 2009(10)4.李庆波.周海涛.赵仲恺.钟建伟.王经涛 Mg-Y-Zn-Zr合金的显微组织和力学性能期刊论文-中南大学学报（自然科学版2009(3)5.李克杰.李全安.谢建昌.李建弘.侯麦珍 稀土在耐热镁合金中的研究应用期刊论文-稀土 2

14、009(3)6.冀国栋.巫瑞智.牛中毅.景晓燕.安江敏 Nd含量对Mg-11Li-1Al合金组织的影响期刊论文-特种铸造及有色合金 2009(5)7.张清.李全安.井晓天.张兴渊 Sb合金化在耐热镁合金中的应用期刊论文-材料工程 2009(12)8.章晓萍.陈云贵.肖素芬.唐永柏.牛高.魏尚海.赵源华 铸态Mg-xSn-2La合金的组织与性能期刊论文-特种铸造及有色合金 2009(3)9.李忠盛.潘复生.吴护林.张静 金属型铸造Mg-10Zn-2Al合金的凝固行为及铸态组织期刊论文-特种铸造及有色合金2009(3)10.肖代红.杨太华.黄伯云 铸态Mg-11Al-1.2Zn-(-0.3Sc)合

15、金的显微组织与力学性能期刊论文-特种铸造及有色合金2008(5)11.张春香.王利国.吴立鸿.陈培磊.陈海军.关绍康 主要耐热镁合金系的研究进展期刊论文-材料科学与工程学报2008(4)12.亢春生.王武孝.袁森.金志新.董志乔 镁合金及镁基复合材料的高温蠕变研究进展期刊论文-铸造技术 2008(2)13.谢建昌.李全安.李建弘.张兴渊 耐热镁合金及其开发思路期刊论文-铸造2008(1)14.牛高.陈云贵.唐永柏.肖素芬.章晓萍.魏尚海.赵源华 Mg-5Sn-xGd合金的铸态显微组织期刊论文-特种铸造及有色合金2008(2)15.ZHANG Jin-shan.DU Hong-wei.LU Bi

16、n-feng.ZHANG Yan.LIANG Wei.XU Chun-xiang.LU Feng-lei Effect of Ca oncrystallization of Mg-based master alloy containing spherical quasicrystal期刊论文-中国有色金属学会会刊（英文版） 2007(2)16.刘晓莹.刘勇兵 重力铸造镁合金AZ91高周疲劳性能研究期刊论文-铸造 2006(12)17.杨友 Nd对压铸镁合金AZ91D高周疲劳性能的影响期刊论文-特种铸造及有色合金 2006(10)18.李冬升.程晓农 抗蠕变镁合金研究进展期刊论文-材料导报 20

17、06(z1)19.马志新.李德富.李彦利 Mg-Y-Nd-Zr合金加工工艺与组织演化的研究期刊论文-稀有金属 2006(6)20.吴安如.董丽君.夏长清.武文花 稀土元素对镁合金高温力学性能的影响期刊论文-热加工工艺 2006(4)21.李海东.彭晓东 碱土镁合金的研究及开发期刊论文-轻金属 2006(6)22.黎业生.董定乾.吴子平 稀土镁合金的研究现状及应用前景期刊论文-轻合金加工技术 2006(4)23.董丽君.吴安如 Mg-Y二元合金的制备与组织观察期刊论文-机械 2006(3)二、项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题项目研究的内容是将传统镁合金材料进行一系列处理使之变为耐热

18、镁合金材料，改善传统镁合金不耐高温及高温时的抗蠕变性能差的缺点。研究目标：1. 充分挖掘研究稀土在镁合金中的诸多优良特性；2. 提高镁合金的综合性能将使镁合金成为一种重要的轻量化结构材料；3. 新材料的制备。三、拟采取的研究方案、技术路线及可行性分析项目实施的方案:传统镁合金材料的购买、筛选;对筛选的材料进行显微组织的分析：通过金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱等分析测试手段，对显微组织形貌、成分、结构进行分析，配合硬度（宏观硬度、显微硬度）等力学性能测试，对材料典型显微组织进行鉴定；进行性能测试、高温后性能测试；对材料进行处理，使其变为耐热镁合金；进行显微组织分析、性能测试、高温后性

19、能测试；对两组材料所得数据进行对比分析，并对其作用机制进行探讨。技术路线：1) 购买、筛选原材料 (传统Mg-Al合金),选部分试样进行加工；2) 打磨试样以便进行显微组织的观察；3) 对另一些加工试样进行高温前后性能实验测试；4) 对测试数据进行分析处理，得出高温时传统镁合金性能的不足；5) 对筛选原材料进行固相合成耐热镁合金处理；6) 对耐热镁合金试样打磨进行显微组织的观察;7) 检测所得镁合金的高温前后性能实验检测;8) 处理实验数据，绘制图表，得出结论;9) 发表学术论文，撰写结题报告。可行性分析：历年来对镁合金的研究越来越来重视，技术和设备能满足要求，在学校实验室做简单的实验步骤处理

20、，关键的技术处理部分可以我们所在地的优势，联系相关科研单位，使用其设备进行实验。四、本项目的特色与创新之处特色：充分挖掘研究稀土在镁合金中的诸多优良特性，提高镁合金的综合性能，将使镁合金成为一种重要的轻量化结构材料。创新之处：利用固相处理技术的诸多优点，开发新的材料。五、研究计划及预期研究结果研究计划： 材料的购买、筛选加工地点的选择对原材料进行加工对加工后材料的分析研究即传统镁合金材料的购买、筛选；对筛选的材料进行显微组织的分析；进行性能测试、高温后性能测试；对材料进行处理，使其变为耐热镁合金；进行显微组织分析、性能测试、高温后性能测试；对两组材料所得数据进行对比分析。预期研究结果：经过实验

21、处理后的镁合金材料比未进处理的在高温时的性能有很大的提高，如抗高温蠕变性、高温强度、韧性等。六、研究所需工作条件研究所需工作条件为学校实验室的工作条件及高温环境下的材料处理，需打磨质，金相显微镜，高温处理炉。只有在固相合成耐热镁合金时需要在相关科研单位进行，其他的实验步骤均在学校实验室完成。七、项目组成员与分工本项目共有五名成员，分工为袁涛是项目负责人，固相合成镁合金时的实验员；甲实验员负责镁合金材料的打磨、显微组织分析；乙实验员负责镁合金前期性能测定；丙实验员负责实验后材料的打磨、显微组织分析；丁实验员负责镁合金后期性能测定。大家一起处理相关实验数据、撰写论文等后期工作。八、经费预算序号支出

22、科目金额（万元）计算根据及理由1设备费0.4租用科研单位设备仪器费用2材料费0.2用于原材料的购买3测试化验加工费0.20.005/样404差旅费0.21人次5会议费0.155人次6国内合作与交流费0.157资料费0.1用于资料的购买8版面费0.150.075/篇29专用软件购置费10文献检索费0.05用于文件打印等11专业通信费0.05用于通信交流12专利申请及其他知识产权事务费0.02用于专利申请13专家咨询费0.2500元/天414其他支出0.08总计2.2万元项目诚信承诺：本项目全体成员慎重承诺，该项目研究将遵守学校有关规定，恪守学术道德规范，不抄袭他人成果，不弄虚作假，积极开展研究性学习，认真实施项目计划，合理支出实验经费，保证完成实验目标。项目组全体成员签名：袁涛 甲 乙 丙 丁九、项目组成员承诺十、评阅意见评阅成绩： 百分制 评阅教师签字： 评阅日期： 年 月 日