关键词： 镦挤   织构弱化   晶粒细化   拉压异性   低周疲劳  

摘要： 镁合金轻质高强,尤其是经过挤压、轧制、锻造等塑性加工后性能更加优异,在航空航天、国防军工、交通运输、医疗运动器械等领域作为承载/次承载结构件得到广泛应用。然而镁合金在经传统塑性加工后极易产生强基面织构且晶粒依然粗大,导致力学性能方向性差异严重,在挤压材中力学性能方向性差异集中体现在沿挤压方向的拉压异性,且在交变应力等复杂载荷下更为突出由此导致疲劳失效,这使得依据镁合金单轴准静态拉伸性能来设计构件存在巨大安全隐患,从而严重制约了镁合金在承载结构件领域的应用。优化镁合金塑性加工技术、实现微观组织有效调控并探索镁合金准静态/循环拉压力学性能的微观组织影响机理,对拓展镁合金承载件应用具有重要作用。为此,本文以ZK61镁合金为研究对象,基于实现镁合金晶粒细化和织构弱化的单道次热镦挤工艺,研究了镦粗比和挤压比对织构和晶粒尺寸的影响规律和作用机理,并总结了热镦挤微观组织调控策略;揭示了晶粒尺寸和织构对镁合金准静态载荷下拉压塑性变形机制和拉压异性的影响规律,同时研究了微观组织对循环拉压异性、循环硬化和低周疲劳行为的影响机理,最终形成了复杂工况下稳定服役的高性能镁合金制备策略。 通过实施镦粗比为1～2配合挤压比为6～36的热镦挤工艺,研究了镦粗比和挤压比对镦挤工艺下镁合金织构和晶粒尺寸的影响规律和作用机理。从单道次镦挤过程中镁合金微观组织演变中发现:镦挤工艺有利于ZK61镁合金的晶粒细化与织构弱化,晶粒细化在镦挤前期主要依靠孪生的晶粒切割作用而在后期则依靠动态再结晶;织构弱化得益于镦粗时孪生形成的<0002>∥ED织构以及再结晶的织构弱化效应。进一步地对镦粗比和挤压比的微观组织影响研究发现:相比于大镦粗比,大挤压比通过更充分的再结晶可以实现更进一步的晶粒细化,当挤压比为36时,镦粗比在1.11到2范围内,可获得平均晶粒小于3μm的棒材;而相比于增大比挤压比,增大镦粗比通过晶粒取向转变和晶粒细化促进了多系滑移的开动,从而实现了更显著的织构弱化效果,但镦粗比达到1.67后织构弱化效果趋于饱和,当镦粗比大于1.25时,挤压比在6-36范围内均可获得弱基面织构。 随后对以热镦挤和往复挤压等工艺制备出的不同微观组织特征的ZK61镁合金为试验材料,研究了晶粒尺寸和织构对镁合金单轴准静态拉伸/压缩的塑性变形机制和拉压异性的影响。对试验结果的分析表明:晶粒细化能减少强织构镁合金压缩时{10(?)2}孪生的开动,当平均晶粒细化至3.9μm时TYS/CYS被降低至1.11;晶粒细化对低{10(?)2}孪生参与度的弱基面织构镁合金拉压屈服强度的提升效果相近并使TYS/CYS始终保持在1左右,弱基面织构晶粒尺寸为1.8μm的镁合金拉/压屈服强度≥290MPa且比值≈1。随着基面织构的离散弱化和进一步的偏转弱化,镁合金轴向拉伸时屈服点附近的主导变形机制由柱面滑移转变到基面滑移再转变到{10(?)2}孪生;轴向压缩时屈服点附近的主导变形机制由{10(?)2}孪生转变到柱面滑移再转变到基面滑移最终转变到锥面滑移。上述主导机制转变过程导致拉压屈服强度比值从1.21降低到0.77。基于织构影响的Hall-Petch关系式总结出了晶粒c轴等效方向与加载方向之间夹角呈65-75°范围内可实现高强高拉压同性。 进一步开展了微观组织对镁合金循环拉压异性、循环硬化和低周疲劳行为的影响机理研究。晶粒细化可在一定程度上抑制循环拉压过程中的{10(?)2}孪生-退孪生以及后续的退孪生-柱面滑移,因而减弱了循环应力-应变滞回曲线的S形特征和应力不对称等循环拉压异性现象;基面织构弱化可以更大程度的抑制孪生-退孪生,使拉压峰值应力之比降低至1,同时使应力-应变滞回曲线形状的对称,但织构的偏转弱化会大量激活基面滑移导致应力值大幅下降。在织构适当离散弱化和晶粒细化的共同作用下,循环拉压异性大幅改善同时,在Δε/2=1.5%等幅循环拉压条件下拉/压峰值应力超过300MPa。基面织构弱化和晶粒细化带来的孪生抑制效果使循环硬化减弱和位错塞积减慢。最终,等效角度从82.9°降到75.0°的基面织构弱化有效延缓了位错塞积,将镁合金低周疲劳寿命提升至强织构的3倍。总体上,通过细化晶粒和偏离角为65～75°的织构弱化可获取高准静态/循环拉压同性、高强度、高疲劳寿命的镁合金材料。

关键词： 镁合金   磁控溅射   Ni/Ni3N复合薄膜   组织结构   耐磨耐蚀性能  

摘要： 镁合金具有特殊的力学性能和物理性能,在消费电子、交通运输、航空航天、军事工业等领域有广泛的应用前景。但镁合金的耐磨和耐蚀性能较差,使其在许多领域的应用受到限制。 金属镍具有优良的耐蚀性能和韧性,而氮化镍具有高硬度和高耐蚀性。利用磁控溅射技术在镁合金表面制备兼具两者性能优点的镍/氮化镍复合膜层,是值得探索的改善镁合金表面耐蚀耐磨性能的重要方法。 本文采用磁控溅射技术,在分别优化镍和氮化镍沉积工艺的基础上,在镁合金表面通过交替沉积的方法制备了镍/氮化镍复合膜,分析了膜层的磨损性能和腐蚀性能,并讨论了磁控溅射工艺对膜层磨损和腐蚀性能影响的原因。 首先以影响镍溅射状态的工艺控制参数为因素,以膜层厚度、膜基结合力、膜层覆盖率为指标设计正交试验,对影响镍膜单一和综合指标的溅射工艺进行分析,筛选出镍膜综合指标最佳的磁控溅射控制工艺因素组合,为溅射功率200 W、Ar压强0.3 Pa、偏压0 V、基底温度100℃。在此工艺下,主要以复合膜中镍层的设计厚度为依据,确定复合膜制备时镍的最佳沉积时间为20min,此沉积时间下,膜厚在0.86μm左右,表面粗糙度最大。 选取对溅射状态有较大影响的工艺控制参数为因素,以氮化镍层的厚度和结晶度为指标构建正交试验,在确定膜层为Ni3N的前提下,分析了溅射工艺对氮化镍层单一指标和综合指标的影响,筛选出氮化镍沉积层综合指标最佳反应磁控溅射的控制工艺因素组合为:N2分压0.3 Pa、溅射功率200 W、基底温度200℃和偏压100 V。在此工艺下,以复合膜中氮化镍层的设计厚度为考量,确定复合膜制备时Ni3N的沉积时间为10 min。在此沉积时间下,厚度0.21μm左右,粗糙度与镍层相近。 最后,采用上述工作所确定的镍和氮化镍的溅射工艺,在镁合金基底上分别制备了单叠层和双叠层的镍/氮化镍复合膜层以及镍/氮化镍/镍复合膜层,通过XRD、SEM以及EDS分析了复合膜的组织和结构,以镁合金为对照,进行往复摩擦磨损实验,并利用纳米压痕仪和电化学工作站等设备测定硬度、弹性模量和腐蚀性能。结果表明:随着复合膜层数的增加,AZ31镁合金的磨损量为0.0138mm3,沉积单叠层Ni/Ni3N、Ni/Ni3N/Ni和双叠层Ni/Ni3N复合膜的磨损量分别为0.0044mm3、0.0027mm3和0.0014mm3,耐磨性显著提高;AZ31镁合金的腐蚀电流密度(Icorr)与自腐蚀电位(Ecorr)分别为3.65×10-5A/cm2和-1.47V,沉积单叠层Ni/Ni3N、Ni/Ni3N/Ni和双叠层Ni/Ni3N复合膜的腐蚀电流密度与腐蚀电位分别为3.85×10-6A/cm2和-0.191V,3.15×10-6A/cm2和-0.184V,4.48×10-6A/cm2和-0.199V,腐蚀倾向明显减小。

关键词： Mg-1Al-0.5Mn-0.3Gd镁合金   粘塑性自洽模型   力学行为   变形机制   织构演变  

摘要： 镁及其合金因拥有优异的比强度、卓越的铸造性能,以及良好的轻质性等优势,使得它们在众多具有广阔应用前景的结构材料中脱颖而出,成为了备受瞩目的热门选择。由于镁合金在室温下成形性能不佳,并且具有显著的面内各向异性,这些特性限制了其在工业和商业领域的广泛应用。因其有限的滑移系数量和显著的孪生变形方向性,导致晶粒取向容易集中,进而在加工过程中易形成强烈的基面织构。这种情况会致使塑性变形能力降低,并加剧材料的各向异性。经过一些学者的深入研究,他们发现在镁合金中添加一定量的稀土元素可以削弱了板材的基面织构强度,并大幅降低了镁合金板材的各向异性。鉴于此,系统地探讨镁稀土合金的相关的变形行为显得尤为重要和迫切。此项研究不仅对研发性能更卓越的镁稀土合金材料具有显著助益,而且对于深化镁合金塑性变形的基础理论体系也具备至关重要的意义。 本文首先通过多向多道次轧制工艺,成功制备了Mg-1Al-0.5Mn-0.3Gd镁合金板材。然后,本论文结合拉伸实验和粘塑性自洽(VPSC,Visco-plastic Self Consistent)模型,对镁合金板材在室温下沿不同方向拉伸时的宏观力学行为及微观织构演变、微观变形机制相对激活量进行了深入探究。最后在研究过程中,本论文借助这一模型模拟预测了Mg-1Al-0.5Mn-0.3Gd镁合金在不同拉伸方向上的力学行为,并对在镁合金塑性变形过程中各个滑移系孪生系对应力-应变曲线和织构演变的作用进行了预测。 为了探究不同变形机制对其宏观力学行为和微观织构演变的影响,本论文基于VPSC模型改变不同的硬化参数抑制不同变形机制的激活。通过对不同参数的模拟和计算,获取了关于拉伸塑性变形过程的预测结果。在Mg-1Al-0.5Mn-0.3Gd镁合金塑性变形前期,基面(27)a(29)滑移和柱面(27)a(29)滑移对流变应力和织构演变具有重要影响。在Mg-1Al-0.5Mn-0.3Gd镁合金塑性变形的后期阶段,锥面(27)c(10)a(29)滑移对镁合金的应力-应变曲线及织构演变产生了显著影响。相比之下,锥面(27)a(29)滑移对拉伸屈服强度的贡献则显得微不足道,几乎不产生任何影响。这一发现对于深入理解镁合金的塑性变形机制具有重要意义。在镁合金塑性变形中,{1012}拉伸孪生变形机制发挥着至关重要的作用。通过观察预测所得的织构演变得出,当拉伸孪生变形机制受到抑制时晶粒的重新定向过程便会受阻。与此同时,为了验证上述结论的准确性,本文通过改变不同变形机制的CRSS比值单激活某个变形机制,通过分析单激活变形机制在拉伸塑性变形过程对Mg-1Al-0.5Mn-0.3Gd镁合金宏观力学行为和微观织构演变的影响,验证了上述结论的准确性。

关键词： WE43镁合金   热处理   挤压   轧制   阻燃性  

摘要： 随着铁路运输业的快速发展,轻量化、高时速已经成为了现代化高速列车的重要标志。作为动车组的关键零部件,高速动车车体大部分采用铝合金制成。若能使用目前最轻的金属结构材料镁合金来代替现有材料,则可以实现列车的轻量化。然而镁合金室温下塑性变形能力差和绝对强度较低,限制了其在工程领域中的应用。 本实验以WE43-0.5Ca镁合金为研究对象。探索出了一条制备高铁用阻燃镁合金板材的工艺路线。首先对电磁搅拌WE43-0.5Ca镁合金铸锭进行了均匀化热处理(440℃×18 h),合金经均匀化热处理后,平均晶粒尺寸有所增大,组织更加均匀,在晶界处半连续状的第二相回溶到了基体中。合金的强度变化不大,塑性得到了提升。 然后将均匀化热处理后的WE43-0.5Ca镁合金铸锭,挤压成挤压比为6.76的挤压态合金,设置挤压温度分别为440℃、470℃、500℃。合金的平均晶粒尺寸从42.2μm细化至7-10μm,热挤压时在非基面滑移被激活、剪切带激发形核及粒子激发形核的共同作用下,挤压态合金呈现出较弱的织构强度。最佳挤压温度为470℃,挤压后合金的抗拉和屈服强度分别为229 MPa和175 MPa,同时伸长率为10.7%。 对挤压温度为470℃的挤压态合金进行了不同方式的热处理(人工时效处理、固溶处理、T6处理及深冷+时效处理),前三种热处理对合金强度的提升效果并不明显,这是由于合金经热处理后,大量的第二相颗粒仍然富集在挤压流线附近,形成沿挤压方向分布的长条状区域。在室温拉伸过程中,容易造成应力集中,从而萌生裂纹,降低了合金的综合力学性能。深冷处理+时效处理10 h是最佳的热处理工艺。这是由于依附在挤压流线处的颗粒状第二相明显减少,晶粒内析出了尺寸细小第二相,这些第二相在基体内弥散分布产生的第二相强化提升了合金的强度,其抗拉强度和屈服强度分别为272 MPa和212 MPa,同时伸长率为7.3%。 最后对挤压比为5.38,挤压温度为470℃的WE43-0.5Ca镁合金板材进行了轧制,合金经轧制后,其强度明显提升,其抗拉强度和屈服强度分别为281 MPa和232 MPa,同时伸长率为6.9%。另外,阻燃性测试结果表明:轧制态WE43-0.5Ca镁合金在780℃具有良好的阻燃性,这是由于合金经高温氧化后表面形成了一层致密的氧化膜,阻碍了氧元素向基体内扩散。

关键词： 木薯多孔淀粉   钙离子   单宁酸   止血   生物相容性  

摘要： 酶改性淀粉在可生物降解止血材料的应用中表现出巨大潜力。本研究利用α-淀粉酶和糖化酶的水解作用得到木薯多孔淀粉（ECS），并通过负载钙离子和单宁酸制备木薯多孔淀粉基止血粉（ECS-Ca-T）。利用扫描电子显微镜（SEM）、红外（FTIR）光谱、X射线衍射（XRD）和比表面积分析仪（BET）对ECS及其止血粉的微观结构、孔径分布、结晶结构和成分进行了详细分析。通过溶血实验和创伤愈合实验探究了ECSCa-T的生物相容性，通过体外凝血测试、大鼠创伤止血实验探究ECS-Ca-T的止血性能，并考察了ECS-Ca-T的生物降解性。结果表明，ECS-Ca-T具有较好的止血效果、生物相容性和可降解性。与市售颗粒止血粉相比，ECS-Ca-T在大鼠断尾持续性出血和肝脏损伤止血方面具有优势，止血时间分别缩短了4.86 min和8.6 s，并能够在5 s内实现大鼠背部肌肉组织的快速止血；同时，在伤口愈合过程中，ECS-Ca-T不会对机体造成不良影响，在第7天降解达到94.5%。

关键词： 镁合金   重力铸造   注射成型   固溶处理   时效处理   导热性能   力学性能  

摘要： 随着时代发展,科技日新月异,工业产品逐渐向着高性能、高散热方向发展。镁合金作为轻质材料,随着汽车等制造领域轻量化以及对散热性能的要求,人们开始开发具有良好的力学性能和导热性能的镁合金。Mg-Al-RE（稀土）合金作为耐热镁合金因其理想的轻质、高比强度和高温性能在汽车、航空航天和3C产品中发挥着不可替代的作用。其中Ce是一种成本较低而强化性能好的稀土元素,在镁合金中广泛应用。 本文以Mg-4Al-4Ce合金作为研究对象,并通过添加合金元素Y,得到Mg-4Al-4Ce-1Y合金,将两种合金进行对比。本实验采用高频真空感应熔炼炉来制备合金,并将重力铸造合金在高频真空注射装备中制备注射成型试样;利用热处理炉对两种合金进行热处理,通过SEM、EDS、万能试验机以及导热仪等设备系统地研究两种合金重力铸造、热处理及注射成型对其显微组织及导热、力学性能的影响,得到以下结论: （1）对于Mg-4Al-4Ce合金而言,它的相组成为α-Mg、Al11Ce3相、Al2Ce相及Mg17Al12相。固溶及时效后的相组成与重力铸造时的相组成一致。随着固溶及时效温度的升高,其力学性能都是先升高后降低的趋势,固溶在460℃达到最优,抗拉强度为192 MPa;时效则在225℃达到最优,抗拉强度为208 MPa。导热性能固溶时较重力铸造低,为83.3W/（m·K）,时效后导热性能较重力铸造高,为103.1 W/（m·K）。 （2）对Mg-4Al-4Ce-1Y经过单一温度固溶及时效,得到的相组成与重力铸造时的相组成一致,为α-Mg、Al11（Ce,Y）3相、Al2（Ce,Y）相及Mg17Al12相。通过对Mg-4Al-4Ce-1Y经过单一温度固溶及时效,得到的相组成与重力铸造时的相组成一致得到最好的固溶及时效温度,而其重力铸造、固溶、固溶+时效抗拉强度分别为187 MPa、199 MPa和215 MPa,导热性能固溶时较重力铸造低,为83.3 W/（m·K）,时效后导热性能较重力铸造高,为103.1 W/（m·K）。。 （3）注射成型Mg-4Al-4Ce合金的抗压强度为356.7 MPa,相比于重力铸造镁合金抗压强度253.5 MPa提升明显,这一现象是由于合金的细晶强化和位错强化作用。而注射成型Mg-4Al-4Ce-1Y合金的相组成也和重力铸造一致,其抗压强度为333.7 MPa,比重力铸造高;但添加Y的Mg-4Al-4Ce合金比不添加Y的Mg-4Al-4Ce合金力学性能差,原因是添加Y的合金发生了枝晶偏析,导致合金性能变差;而添加Y的注射成型Mg-4Al-4Ce合金的热导率为78.9 W/（m·K）,不添加Y的注射成型Mg-4Al-4Ce合金的热导率为86.3 W/（m·K）。

关键词： 镁合金   AZ63-xGd铸造镁合金   热处理   显微组织   力学性能  

摘要： 轻量化材料在航空航天、汽车制造及3C产品等领域的应用前景广阔,而其中镁合金因其低密度、高比强度和比刚度等优势而格外受到高度关注。由于AZ（Mg-Al-Zn）系铸造镁合金具有良好的综合性能和加工性能,其研究开发已受到国内外的关注和重视。目前,在得到应用和研究的AZ系镁合金中,AZ63（Mg-6Al-3Zn-0.25Mn）镁合金被认为是一种有较大发展前途的铸造镁合金。然而,AZ63铸造镁合金在综合力学性能上与铸造铝合金和其他AZ系镁合金相比较为逊色,难以达到工业应用的高要求。众所周知,提高AZ系铸造镁合金的力学性能常用合金化和/或微合金化以及热处理等方式,而稀土元素尤其Gd的合金化和/或微合金的手段在近年来得到广泛的验证,成为提高镁合金性能的高效策略之一。然而,目前有关Gd合金化和/或微合金化改善AZ63铸造镁合金性能的研究并不充分。探索如何通过Gd合金化或微合金化再结合热处理提升AZ63铸造镁合金的综合性能,对开发高性能的新型AZ63铸造镁合金具有深远的理论与实践意义。 本文基于AZ63铸造镁合金已有的研究结果,采用光学金相显微镜（OM）、配备能量色散光谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热分析（DSC）、X射线衍射仪（XRD）观察和分析,并结合微观硬度测量及室温拉伸性能检测等方法,综合研究了AZ63-x Gd（x=0-1.5wt.%）试验镁合金铸态显微组织和力学性能,尤其针对Gd添加及其含量变化对第二相类型、形态及其分布等的影响进行探究,同时还对AZ63-x Gd（x=0-1.5wt.%）试验镁合金热处理后的显微组织和力学性能进行了研究。本文得到的主要研究结果如下:. 1)Gd添加及其含量变化对AZ63试验镁合金的铸态显微组织和力学性能影响较大。未添加Gd的AZ63试验合金的铸态组织主要由ɑ-Mg基体和网状β-MgAl相组成。添加0.5-1.5wt.%Gd后,合金中形成了小尺寸的颗粒状AlGd相,同时合金的晶粒和网状β-MgAl相被细化,其中以含1.0wt.%Gd合金的晶粒细化效果最为明显。此外,添加0.5-1.5wt.%Gd可有效改善AZ63试验合金的室温拉伸性能,在不同Gd含量合金中,以含1.0wt.%Gd合金的室温拉伸性能相对较佳,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为190MPa、88MPa和8.1%。 2)固溶处理对AZ63-x Gd（x=0-1.5wt.%）试验镁合金的显微组织和力学性能存在一定影响。试验合金经400℃×20h固溶处理后,合金组织中的第二相基本上溶入基体,并且随着Gd含量从0wt.%增加到1.0wt.%,合金的固溶效果逐渐增加,进一步增加Gd含量到1.5wt.%后,固溶效果开始变得不明显。相应地,在不同Gd含量合金中,以AZ63-1.0Gd试验合金经400℃×16h固溶处理后展现出了相对较佳的室温拉伸性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到234MPa、97MPa和11.3%。 3)单级时效处理对AZ63-x Gd（x=0-1.5wt.%）试验镁合金的显微组织和力学性能有较大影响。试验合金经400℃×20h固溶+200℃×36h单级时效处理后,在晶内析出大量细小弥散的第二相,并且随着Gd含量从0wt.%增加到1.5wt.%,第二相连续析出的趋势增加,但相对较高的1.5wt.%Gd含量会导致出现少量析出相的团聚长大,从而使弥散强化效果降低。相应地,试验合金的室温拉伸性能随着Gd含量的增加呈先增加后降低趋势。总体而言,在不同Gd含量合金中,以AZ63-1.0Gd试验合金经400℃×20h固溶+200℃×36h单级处理后展现出了相对较佳的室温拉伸性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到252MPa、108MPa和6.7%。 4)双级时效处理对AZ63-1.0Gd试验镁合金的显微组织和室温力学性能有显著影响。相比单级时效,试验合金经400℃×20h固溶+250℃×8h+200℃×24h双级时效处理后,晶界上片层状非连续析出相间距均匀且数量增加,同时点状连续析出相数量增多且更弥散。相应地,试验合金经双级时效处理后展现出较单级时效更高的室温拉伸性能,试验合金经400℃×20h固溶+250℃×8h+200℃×24h双级时效处理后,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了268MPa、116MPa和6.0%。