摘要： 他是江西“老表”心中的科技知青，种田养猪带领村民增收致富；他是轻合金研究的先驱者，从铝到镁合金推动材料研究百年传承；他是教学科研管理的多面手，助力国家重大战略产品领先国际；他是富有诗情的工科教师，三尺讲台桃李满堂；他是中国工程院院士、上海交通大学材料科学与工程学院教授丁文江。教书育人：培养未来科学家殊荣加身的丁文江，始终坚持一线教学，交大校园里至今流传着他在课堂上引用海涅诗歌的佳话。他曾在课堂上引用海涅的诗句：“这是个古老的故事，可是却万古长新；谁要是碰上此事，就会痛碎他的心。”这首诗本是写爱情的，但丁文江用它来形容人类古老的铸造行业，以此勉励学生不畏艰苦、敢于创新。

关键词： 铁基骨植入物   降解   力学性能   生物相容性  

摘要： 医用铁具有优异的机械性能和生物相容性而在骨修复领域吸引了极大的关注。然而,铁标准电极电位高（-0.44 V）,腐蚀敏感性弱,且腐蚀过程中产生的致密降解产物会阻碍腐蚀的进一步发生,进而导致降解速率难以匹配骨愈合速率,限制其临床应用。为此,本文采用放电等离子烧结技术,在低于铁熔点的温度下制备物相结构稳定,理化性能优异的可降解铁基骨植入物,分别通过在铁基骨植入物基体表面营造微酸性环境,基体内部形成高腐蚀敏感二次相,外部降解产物调控三个视角和原理来分别加快其降解速率。本文的主要研究内容和创新点如下: 1、针对降解初期腐蚀产物易在基体表面形成从而减慢腐蚀速率的现象,研究了表面微酸性环境与降解性能的关联规律及复合物低熔点烧结致密机理。由于粉末表面高温高压促进了颗粒之间的晶界扩散,从而刺激烧结颈部的形成,成功在700℃的低温条件下实现铁基生物复合物致密化（铁的熔点:1538℃）。进一步分析发现硫酸钙由于热力学不稳定而快速溶解,其溶解产生的微酸性环境不仅能加快铁基体降解,同时还会对腐蚀产物起到酸洗的目的。因此,铁基生物复合物具有低的电子转移阻抗（39.17±8.57Ω·cm2）和腐蚀产物阻抗（1044±89Ω·cm2）。此外,硫酸钙溶解产生的钙离子会促进细胞矿化和增殖,在体外细胞培养实验中,展现出的细胞存活率高达97%。 2、在基体表面腐蚀产物形成得到抑制后,针对基体腐蚀敏感性弱导致腐蚀速率慢的现象,在基体内部引入高腐蚀敏感二次相并研究其对铁基骨植入物降解性能的影响。在电火花烧结过程中,液相的锰元素和硫元素由于具有高的亲和力而形成高腐蚀敏感二次相硫化锰,硫化锰优先腐蚀,从而产生大量腐蚀活性位点。此外,硫化锰腐蚀产生的吸附性硫元素削弱铁原子之间的金属键强度,降低了铁溶解所需的活化能。从而铁基生物复合物腐蚀速率显著提高至0.40±0.02 mm·y-1,同时,铁基生物复合物具有细晶结构展现出优异的极限抗压强度（687±22 MPa）和抗压屈服强度（402±23 MPa）。 3、在基体腐蚀速率加快的同时伴随着外部腐蚀产物的快速堆积,针对外部致密降解产物造成物理屏蔽效应从而减慢降解速率的现象,研究了氯循环对外部降解产物的结构破坏机理及其降解加快机制。发现高溶解度的氯化钠溶解产生大量的氯离子,具有小离子半径的氯离子能够侵入降解产物内部,在异种电荷相互吸引的作用下与降解产物内部的铁离子形成可溶性氯化铁,从而破坏降解产物的结构完整性,促进降解产物的坍塌。随后,在降解产物内外浓度差的驱动下,氯化铁进入外部腐蚀介质中重新形成氯离子和铁离子。其中氯离子吸附在降解产物上重复此过程,构成氯循环体系,最终形成疏松多孔的降解产物,使得铁基生物复合物具有明显增加的腐蚀动力（-0.817±0.03 V）和腐蚀电流密度(35.28±0.42μA·cm-2)。

关键词： 稀土镁合金   合金化   热处理   阻燃性能   挤压成形  

摘要： 由于镁合金优良的轻量化效果,其在交通运输和航空航天等领域的应用始终受到高度关注。但其应用领域的拓展也受限于易燃性和较差的塑性变形能力。镁合金部件的阻燃性是其在这些领域应用的重要考量。基于此,本文以Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金为研究对象,通过合理调控阻燃合金元素（Ca、Be）、调整铸造、热处理、挤压工艺获得力学性能满足要求的高速列车用铸态及挤压态阻燃镁合金。采用扫描电子显微镜、电子背散射仪、透射电子显微镜及X射线衍射仪系统研究了合金元素对合金组织演变、力学性能及阻燃性能的影响规律。通过热处理工艺制备出铸态力学性能较好的阻燃镁合金。选用Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr-1Ca合金进行挤压成形工艺,利用挤压后热处理工艺制备高强韧挤压态阻燃镁合金。本文重点研究了该系列合金的组织演变、力学性能及阻燃机制,希望能够为开发高性能阻燃镁合金产品提供重要的理论支撑。 首先研究Ca和Be元素对电磁搅拌Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金微观组织及力学性能的影响,调控元素改善合金组织形貌、晶粒尺寸以及第二相形态、尺寸、含量、分布,确定阻燃镁合金成分。Be和Ca元素对Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金均有明显的晶粒细化作用,但过量添加Ca元素晶界处形成的连续性网状结构Mg2Ca脆质硬化相,降低合金力学性能。合金由α-Mg、Al2RE及Mg41Nd5相组成。经过T6处理,1wt.%Ca元素合金抗拉强度251 MPa、屈服强度220 MPa,伸长率为6%。组织中形成大量的纳米尺寸的析出相,合金时效强化效果的主要原因是β′相的析出。添加0.04wt.%Be元素合金由α-Mg、Al2RE及Mg41Nd5相组成。T6处理后晶粒内析出相降低了晶粒内部的晶格畸变能,有效阻止位错和晶界的交互作用,从而提高合金强度。合金拥有最佳的综合性能,抗拉强度为253 MPa,屈服强度达到209 MPa,伸长率为8%。 研究Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr-x Ca/Be合金进行阻燃性能及高温氧化行为,对不同组分合金分别进行了高温氧化实验,研究不同温度下合金的氧化行为,从而对合金的高温抗氧化性能做出评价。Ca和Be的添加能显著提高镁合金的燃点,但Ca元素阻燃效果优于Be元素。添加Be元素改变了氧化表层区域氧化热力学条件,在外层以下通过置换反应或者内氧化生成结构致密的Be O,增强了氧化膜的致密性,降低了氧化速度。Ca元素的添加使合金在表面形成连续Ca O/Y2O3膜,可以有效地延缓了氧离子O2-的向内扩散,提高合金在高温下的抗氧化性。Ca含量越多燃点提高幅度越大,与此同时合金抗氧化能力也得到提升。对于高铁用镁合金阻燃性能的要求,三种含Ca镁合金均可在900°C不发生燃烧,但过高的Ca元素含量会降低合金的力学性能,因此选用Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr-1Ca合金。 通过不同温度下挤压变形及后续热处理,制备综合力学性能较好的阻燃镁合金板材。分析表征了阻燃镁合金组织和性能。在较低的挤压温度440°C和470°C下,再结晶以连续动态再结晶机制为主导,当温度升高至500°C时非连续动态结晶机制为主导,且粒子激发形核机制在所有挤压过程中多种机制共同发挥作用,弱化了合金的织构。在挤压温度为500°C时,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为221 MPa、165 MPa和8.5%。合金经过固溶+深冷+短时间时效处理后,挤压态合金力学性能最好,抗拉强度为259 MPa、屈服强度为224 MPa、伸长率为8%。在短时间时效处理后,晶粒尺寸较小;另一方面,由于在时效处理后合金产生纳米级析出相,细小的析出相能够有效钉扎位错,从而阻碍位错运动,起到弥散强化的作用,从而提高了合金的强度。

关键词： 镁合金  

ISBN: (纸本)9787312060380

摘要： 本书总结了作者近年来在镁合金扩散方面的研究工作, 同时对近年来国内外在这些方面的研究现状进行了综述。全书共7章, 分别对典型合金元素在镁合金固/固扩散偶中的扩散行为、Mg-40AI与典型合金元素在固/液扩散偶中的扩散行为、原子尺寸对合金元素在镁合金中扩散行为的影响、杂质元素Fe在Mg中的扩散行为、杂质元素Cu在Mg中的扩散行为、镁合金与Ti的界面扩散反应及力学性能进行了系统论述。

关键词： 镁合金   层状双金属氢氧化物   前处理   金属腐蚀与防护  

摘要： 镁及其合金由于具有优异的物理和机械性能,是满足材料轻量化设计的理想材料,在工业领域具有广泛的应用前景。不幸的是,镁及其合金在服役环境中极易发生腐蚀现象,严重阻碍了在工业中的大规模应用。层状双金属氢氧化物（LDHs）涂层作为一种新型的自修复涂层,其致密的结构带来的物理屏障作用以及独特的阴离子交换特性可显著提高镁合金耐腐蚀性能,在腐蚀防护领域受到越来越多学者关注,具有光明的发展前景。 在本研究中,首先通过控制水热时间和基体表面粗糙度制备LDHs涂层,以此确定合适的制备参数,然后分别使用共沉淀和水热法结合、原位水热法两种方法在AZ31镁合金表面和预制不同氢氧化镁层的镁合金上制备了一系列LDHs涂层。通过扫描电镜、X射线衍射、红外光谱、X射线光电子能谱等表征手段研究了不同LDHs涂层的表面形貌,组成结构;通过电化学测试和析氢实验研究了不同LDHs涂层的耐蚀性。得到的主要结论如下: （1）在125℃的水热温度下,经过不同的水热时间在不同表面粗糙度的镁合金试样制得LDHs涂层,电化学测试表明,在2000粒度砂纸打磨的镁合金表面水热15小时得到的LDHs涂层耐蚀性最好。 （2）在不同pH值溶液中,通过水热法在AZ31镁合金表面制备了氢氧化镁膜,所得氢氧化镁晶粒尺寸随pH值的增加而变小,同时晶粒生长方向随pH值的增加从垂直基体转为平行基体。 （3）使用共沉淀和水热法结合在裸镁合金和预制氢氧化镁膜的镁合金上制备了LDHs涂层,不同涂层表面晶粒尺寸保持着与氢氧化镁晶粒尺寸变化相似的趋势。涂层表面晶粒生长方向与预制氢氧化镁的晶粒生长方向截然相反。在pH值为14时制备的氢氧化镁膜上生长的Mg（OH）2-14-LDHs涂层耐蚀性最好。 （4）使用原位水热法在裸镁合金和预制氢氧化镁膜的镁合金上制备了LDHs涂层,涂层表面LDHs晶粒生长方向与预制氢氧化镁的晶粒生长方向保持一致。在pH值为10时制备的氢氧化镁膜上生长的Mg（OH）2-10-LDHs涂层耐蚀性最好。

关键词： 激光粉末床熔融技术   钛合金   微观组织   力学性能   生物相容性  

摘要： 钛及其合金由于具有较低的弹性模量、优异的力学性能和良好的生物相容性被视作潜在的骨科植入类材料。目前,单相α纯钛（CP-Ti）α+β相Ti6Al4V（Ti64）合金已成功用于制造人工关节、骨固定和牙科植入物。然而,目前骨植入合金通常包含神经毒性元素（铝和钒等元素）,并且与人体骨骼的弹性模量不匹配会导致骨吸收和骨折,这些严重阻碍了钛合金作为骨植入体的广泛应用。作为增材制造的一种常见技术,激光粉末床熔融（LPBF）因其定制植入物具有更低的成本、更高的效率和可以制备结构复杂、高精度零件被广泛用于医疗植入物的制造。 本文基于骨植入物无毒、低模量的原则,借助钼当量(Moeq)设计方法和分子轨道设计方法,合金的Bo、Md和Moeq的值分别被确定为2.94、2.51和13,设计了Ti35Nb15Zr（at.%）的β相钛合金（简称T3515合金）。之后设计正交实验研究了LPBF（光斑直径为30μm）打印T3515合金的工艺参数（激光功率、扫描速度和扫描间距）与性能（表面质量、孔隙率和力学性能）之间的关系。其次,通过电子背散射衍射（EBSD）表征技术研究了T3515合金β相的晶粒尺寸和织构强度。β相的平均晶粒尺寸在xz方向从14.05μm（250W）减小到12.6μm（275W）,然后增加到13.9μm（300 W）,在xy方向则呈现相反的趋势。最后,本次工作还展示了T3515合金在体外表现出的优秀生物相容性。与Ti64相比,T3515合金对细胞的生长几乎没有负面影响,所有样品表面上均形成了更为致密的体外骨状磷灰石层,证明了T3515合金作为医疗植入物材料的潜力。

关键词： 氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)   镁   镁合金   砷  

摘要： 随着镁及镁合金应用领域的深入，对其中有害元素砷的检测需求越来越多。本文先分次加入硝酸低温加热溶解样品，后用盐酸调节酸度，加入10 mL硫脲-抗坏血酸溶液使As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ),建立了氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)对镁及镁合金中微量砷的测定方法。考虑镁及镁合金具有多种产品组别，如镁铝系、镁锌系、镁锰系、镁锂系、镁稀土系，试验考察了不同量镁基体及这些该镁合金组别内铝、锌、锰、铜、镍、锂、镧、铈、镨、钕、钆、钇、铒、镝等元素在最大量存在时对砷测定的影响。结果表明，镁基体与镁合金中主要合金元素对砷测定产生的干扰均可忽略。实验表明，在砷质量浓度为1.00～10.00μg/L范围内，砷质量浓度与其对应的荧光强度呈线性关系，校准曲线的相关系数为0.999 7。方法检出限为0.001 4μg/g,定量限为0.004 2μg/g。按照实验方法测定3个镁合金样品，并分别加入砷标准溶液进行加标回收试验。测定结果的相对标准偏差(RSD,n=6)在2.4%～5.3%之间，加标回收率在98%～106%之间。方法比对试验表明，实验方法测定结果与电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)相符。

关键词： Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金   正挤压-双向转角挤压   强韧化机制   摩擦磨损行为  

摘要： 镁合金作为最轻的商品化金属结构材料,因其比强度和刚度高、电磁屏蔽性能好、阻尼性能优异、易于回收再利用等优点,在航空航天、国防科技、交通运输等领域受到越来越多的关注。剧烈塑性变形(Severe Plastic deformation,SPD)过程中,稀土镁合金在累积应变作用下发生再结晶晶粒细化和第二相演化。在此过程中积累的大量变形位错将进一步提高强度,同时,细晶组织将有效提高塑性。本研究采用正挤压结合双向转角挤压的方法对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金进行了加工,并对其组织演变、强韧化机制以及摩擦磨损行为进行了系统研究。主要研究内容和结论如下: (1)通过Deform-3D软件模拟了具有不同转角通道的正挤压-双向转角挤压工艺过程对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在压应力和剪应力复合条件下的应力分布、应变分布等进行研究。随着挤压变形的进行,镁合金材料逐渐沿着挤压通道向挤压方向流动,且流速最大位置位于转角通道处。应变云图与金属流动云图一致,在转角处出现最大等效应变,剪切角的变化会影响结构内的剪切应变分布。 (2)在正挤压-双向转角挤压过程中,平均晶粒尺寸从初始变形区的138.7μm细化到变形后的37.2μm,再结晶的体积分数增加到57.3%。对于块状长周期有序堆垛相(LPSO),溶解、撕裂、扭结和断裂是协调变形的主要变形机制,破碎的块状LPSO相可以通过粒子激发形核(PSN)为再结晶提供成核位点,阻碍新晶界的迁移。对于层状LPSO相,主要的变形机制是弯曲、严重扭结。经过挤压变形后,合金的屈服强度、极限抗拉强度和延伸率从83MPa、168MPa、4.0%提高到165MPa、265MPa、6.3%。 (3)对变形完成后的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金分别在边部,中部和芯部进行取样观察,随着载荷的增大,平均摩擦系数随之降低;在载荷相同的情况下,平均摩擦系数的趋势和样品再结晶程度成正比。在摩擦磨损实验中,所有样品均发生氧化磨损和磨料磨损,低载荷下发生轻微的划痕和磨损痕迹,随着载荷增加,出现明显的表面剥落和脱落现象;实验中由于载荷和摩擦力的作用,LPSO相颗粒与镁基体间发生相对滑动或剪切,这种相互作用导致LPSO相颗粒剥离和表面颗粒脱落。在摩擦过程中,LPSO相颗粒会与镁基体之间发生相对滑动或剪切,从而导致LPSO相颗粒的剥离和表面的颗粒脱落。 本文选取Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金进行正挤压-双向转角挤压工艺,基于三向压应力和剪应力的强化效应,通过简单的工艺制造出相对较大的工件,提升金属材料整体性能,有望为今后变形镁合金的加工技术开辟新的道路。