关键词： ZK61M板   韧性断裂模型   参数优化   热变形   圆筒形件  

摘要： 为了预测ZK61M高强镁合金板热变形过程的韧性断裂行为,在一定条件下进行实验和数值模拟。基于获得的各试件断口处的应力状态参数和断裂应变数据,采用粒子群优化算法求解4种断裂模型中的待定系数。依据误差评估结果,确定改进的Wilkins模型精度最高。将改进的Wilkins模型引入有限元中,并与实验进行对比。结果表明,预测的拉伸件断裂位移和断裂载荷的平均误差均小于15%,预测的圆筒形件成形深度的平均误差为13.88%,建立的有限元模型可以较为准确地模拟实验过程并预测断裂位置。

关键词： 镁合金   微弧氧化   复合技术   复合膜层   耐磨减摩性能  

摘要： 轻质化是当今金属材料发展的一大趋势,各领域越来越多采用镁合金作为结构或功能材料,而微弧氧化技术可以改善镁合金表面摩擦学性能,但由于硬度低和易磨损等性质,限制了镁合金的使用范围和寿命.本文首先论述基于微弧氧化技术制备镁合金耐磨减摩复合膜层的研究现状,其次将复合制备技术分为微弧氧化直接复合技术(在电解液中添加各类微纳米颗粒制备复合膜层)和微弧氧化二次复合技术(将微弧氧化和其他表面处理技术结合制备复合膜层),并总结制备工艺及其对复合膜层摩擦学性能的影响,最后对基于微弧氧化技术改善镁合金复合膜层耐磨减摩性能的未来发展进行展望,以供参考.

关键词： AZ31镁合金   轧制温度   高应变速率轧制   晶粒尺寸   力学性能  

摘要： 以多向锻造AZ31镁合金为板坯进行高应变速率轧制成形,研究轧制温度对板材组织与力学性能的影响。结果表明:镁合金高应变速率轧制成形前期,孪生作用增强,形成大量的{1012}拉伸孪生和{1011}-{1012}二次孪生;变形后期,由于孪生诱发动态再结晶的作用,合金晶粒组织明显细化。在压下量为80%的高应变速率轧制下,轧制温度为250~400℃时,轧制板材组织均发生了完全再结晶,平均晶粒尺寸随着轧制温度的升高从6.97μm增加至8.13μm,但由于轧制板坯的初始晶粒尺寸较小,晶粒尺寸随着轧制温度的升高变化较小;轧制板材的抗拉强度和伸长率均高于315 MPa和25%,表明高应变速率轧制工艺可以在较宽的温度区间内制备力学性能稳定的镁合金板材。

关键词： 选区激光熔化(SLM)   镁合金   冶金缺陷   后处理   显微组织   力学性能  

摘要： 选区激光熔化(SLM)增材制造技术由于其加工精度高、制造周期短、材料利用率高等优点,在制备高性能复杂金属构件方面具有广阔的应用前景。镁合金是最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能好、生物降解性良好等优点。因此,采用SLM技术制备镁合金具有重要的研究价值,有望拓宽镁合金的应用范围。本文针对镁合金SLM增材制造技术,详细介绍了镁合金粉末制备、SLM工艺参数、冶金缺陷、SLM态的显微组织和力学性能、后处理、镁合金专用SLM设备方面的研究进展,并展望了未来镁合金SLM研究的发展方向。

关键词： 生物材料  

ISBN: (纸本)9787030747273

摘要： 本书分九章从生物医学材料应用的生理环境、材料在体内的物质释放与代谢、材料表面蛋白质吸附与细胞黏附、材料导致的凝血与溶血、材料的毒性及免疫反应作用原理、分子信号异常激活等角度进行分析与阐述，既强调内容的基础性与规范性，更注重对最新研究成果的吸收和介绍，以期对生物材料的生物相容性进行深入的理解。

关键词： 镁合金   疏水性   耐蚀性   自清洁性  

摘要： 镁合金因为具有高比强度/比刚度、导电导热性能好、质量轻及良好的电磁屏蔽性能等特点而被广泛应用。然而,较高的化学反应活性导致其在潮湿环境或者酸性环境中极容易被腐蚀,造成部件失效,这严重限制了它们在工业领域的大规模应用。因此,提高镁合金的耐蚀性势在必行。表面涂层技术是提高金属及合金耐蚀性的有效手段。环氧树脂(EP)具有耐蚀性好、价格低廉等特点,因此被广泛用作防腐涂层。但是其脆性较大,在固化过程中会出现裂纹等缺陷。此外,由于含有亲水性的基团,在长期服役条件下,容易遭受腐蚀性阴离子的攻击而形成腐蚀缺陷,因此单一的环氧树脂并不能为镁合金提供有效的防护作用。本文以环氧树脂为成膜物质,制备了环氧树脂基疏水涂层,从提高涂层的疏水性及延长腐蚀路径出发,通过对具有不同结构涂层的微观组织、浸润性及耐蚀性进行表征及测试,以期提高环氧树脂基涂层对镁合金的长效防护能力。主要研究内容及结果如下:(1)以NH-PDMS-NH为改性剂,对环氧树脂(EP)进行疏水改性,采用喷涂工艺制备了PDMS-EP涂层(P-EP)。与纯EP涂层相比,该涂层表面无裂纹等缺陷,改善了涂层的表面质量。水接触角由88°提高到了118°,涂层由亲水性表面转化为疏水性表面,减少了与腐蚀性溶液的接触面积。动电位极化曲线结果表明,P-EP涂层的腐蚀电流密度相较于镁合金及纯EP涂层分别降低了6和4个数量级,耐蚀性得到显著增强。将纯EP涂层及P-EP涂层浸泡在3.5%Na Cl溶液中7天,P-EP涂层的耐蚀性仍然优于纯EP涂层,表现出更好的耐久性。(2)以氧化石墨烯(GO)为填料,采用旋涂工艺制备了EP-GO涂层,并利用全氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)对纳米二氧化硅(Si O)进行改性,制备了疏水二氧化硅溶液,采用喷涂辅助自组装技术在EP-GO涂层表面制备了硅基超疏水表面,得到双层结构的EP-GO/Si O涂层。复合涂层的水接触角达到158°,与腐蚀性液体的接触面积仅为10%,具有良好的机械稳定性及化学稳定性,并表现出良好的自清洁性能。EIS测试结果表明双层结构的疏水涂层具有最好的耐蚀性。将纯EP涂层、EP-GO涂层及EP-GO/Si O涂层浸泡在3.5%Na Cl溶液中21天,EP-GO/Si O涂层的耐蚀性始终保持最好,表现出良好的耐久性。(3)采用旋涂-水热原位生长法制备了EP-ZnO/ZnO-SHS涂层,并以此涂层为基底,利用全氟聚醚润滑液(PFPE)制备了EP-ZnO/ZnO-SLIPS涂层,两种涂层的水接触角分别为157°和120°,均具有良好的疏水性,摩擦测试结果表明EP-ZnO/ZnO-SHS涂层具有良好的机械稳定性,在摩擦240 cm后仍保持超疏水特性,这为润滑液的稳定存储奠定了基础。在3.5%Na Cl溶液中的浸泡结果表明,EP-ZnO/ZnO-SLIPS涂层的化学稳定性远优于EP-ZnO/ZnO-SHS涂层。动电位极化曲线结果表明:EP-ZnO/ZnO-SLIPS涂层的腐蚀电流密度相较于镁合金及EP-ZnO/ZnO-SHS涂层,分别降低了7和1个数量级,具有最好的耐蚀性。将两种涂层浸泡在3.5%Na Cl溶液中,EP-ZnO/ZnO-SHS涂层在一周后其耐蚀性接近于镁合金,而EP-ZnO/ZnO-SLIPS涂层在浸泡70天后仍具有较高的耐蚀性,表现出良好的长效服役性。

关键词： 镁合金   显微组织   力学性能   腐蚀性能   化学镀  

摘要： 针对航空航天、汽车、国防等领域对材料轻质、高比强度和耐腐蚀等性能的需求,本文设计并制备了多元微合金化Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金板材,并对其进行轧制和退火处理。系统地研究了轧制和退火处理对Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响规律,探讨了相关影响机制。采用光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪研究了轧制和退火处理Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金显微组织及其演变规律。结合显微组织分析,研究了轧制和退火处理Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金的力学性能,采用室温拉伸实验和循环应力松弛实验分析退火处理对Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金加工硬化和软化行为的影响规律。采用析氢、失重测试及电化学测试研究轧制和退火处理对Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金腐蚀性能的影响规律,揭示合金的腐蚀机制。随后在Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金表面化学镀Ni/Ag处理以期改善合金的耐腐蚀性能。研究结果表明:轧制处理有利于细化Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金板材的晶粒尺寸,显微组织中出现大量变形晶粒、孪晶和明显的剪切带,剪切带内部主要为细小的再结晶晶粒。此外,轧制镁合金中含有大块状、破碎的MgZnGd相和细小弥散的Mg Zn相。退火温度升高和退火时间延长之后显微组织中变形晶粒所占体积分数减小,再结晶晶粒所占体积分数增大且晶粒尺寸逐渐增大,也即再结晶晶粒所占体积分数与变形晶粒所占体积分数(_/_)比值逐渐增大。在退火温度低于240℃时第二相含量几乎没有变化,当温度为260℃时部分细小弥散的第二相固溶于基体导致第二相含量明显减少。此外退火温度的升高致使合金中的位错密度逐渐降低。另外发现退火温度的升高对合金的再结晶促进作用强于退火时间的延长。对于轧制态Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金,一方面,变形晶粒与再结晶晶粒之间变形不协调致使组织中产生大量位错;另一方面,大量晶界阻碍位错运动而使位错在晶界塞积。两方面的共同作用赋予了轧制镁合金较高的强度。随着退火温度的升高和退火时间的延长位错密度下降,塑性明显提高。此外,发现轧制态合金的加工硬化率在加工硬化第三阶段最高,随退火温度的升高加工硬化率逐渐下降,而在加工硬化第四阶段呈相反趋势,这是因为240℃退火处理之后,组织中可动位错数量少,屈服平台出现之后随着变形量的增大位错开始迅速增殖,致使其第四阶段加工硬化率最高。应力松弛过程主要由位错滑移主导,退火处理明显降低了Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金的松弛应力。应力松弛动力学模型拟合结果表明轧制态和退火态Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金的激活体积随应力的增加而减少。当退火温度为200℃时,加工硬化和软化之间达到相对平衡时,其获得最佳的力学性能,其屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和伸长率(EL)分别为243.31 MPa,304.4 MPa和30%。腐蚀性能研究结果表明退火温度低于240℃的Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金的耐腐蚀性低于轧制态Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金,而退火温度高于240℃的Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金的耐蚀性优于轧制态镁合金。当退火温度低于240℃时,需要延长退火时间到一定值后可改善合金的耐蚀性。这主要与显微组织中变形组织和再结晶组织所占体积分数和第二相的含量有关。再结晶晶粒区由于位错密度低充当阴极,而变形晶粒区由于含有大量位错密度充当阳极。当退火温度低于240℃时,随着退火温度的升高,再结晶晶粒体积分数与变形晶粒体积分数比值(_/_)逐渐增大,再结晶晶粒区与变形晶粒区构成电偶腐蚀对加速合金的腐蚀。而当退火温度高于240℃时耐蚀性有所改善主要归因于两个方面,一是组织中几乎完全为再结晶晶粒,二是弥散析出的细小第二相含量明显降低。考虑到综合性能的提高,随后采用200℃退火处理Mg-6Zn-1Gd-0.12Y合金为基材,对其进行表面化学镀Ni/Ag处理来改善合金的耐腐蚀性性能,化学镀Ni/Ag后表面的腐蚀电位提高了约34%。

关键词： 荧光碳点   镁   成骨分化   生物相容性  

摘要： 目的:大面积颌骨缺损目前仍是难以攻克的医学难题,如何修复这种缺损并促进骨组织再生是一个挑战。自体移植和异体移植是目前解决骨缺损最常用的手段,但它们受到供体来源有限、供体损伤和免疫排斥等问题的限制。利用骨组织工程学可以寻找新的移植替代方法,通过在骨缺损区域植入人工生物材料来构建一个有利于骨组织再生的活跃成骨微环境。因此,选择合适的生物材料作为骨移植的替代物在骨组织工程学中至关重要。考虑到骨再生的微观进程难以检测,将荧光碳点（Carbon Dots,CDs）应用于骨再生可以实现成骨效果的可视化监测。碳点合成简单、具有独特的荧光特性、生物相容性好,但单纯的碳点成骨效果不足。镁（Magnesium,Mg）是影响人体内骨形成的重要元素,本研究以合成成骨功能纳米材料为导向,通过一步水热法制备镁掺杂荧光碳点Mg-CDs。探究Mg-CDs作为骨修复生物材料的可行性,对Mg-CDs进行理化性能的表征分析,观察Mg-CDs对细胞的荧光成像,研究其体外细胞毒性和诱导成骨分化的能力。方法:本研究将天然黑枸杞与六水合氯化镁共混合,采用一步水热法合成荧光碳点Mg-CDs,研究材料的理化性能、细胞的荧光成像、细胞毒性以及成骨性能。通过紫外可见光光谱仪（Ultraviolet–visible spectroscopy,UV-vis）,荧光光谱仪（Photoluminescence spectra,PL）,傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared,FT-IR）,X射线光电子能谱仪（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）,X射线能谱仪（Energy dispersive spectroscopy,EDS）,高分辨率透射电子显微镜（Transmission electron microscope,TEM）,X射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）和Zeta电位仪对材料的形貌、表面官能团、元素的化学结构状态等进行宏观理化性能的分析。此外,将Mg-CDs与小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-e1）共培养,通过激光共聚焦显微镜（LSCM）观察细胞,实现材料对细胞的荧光成像。通过MTT法检测Mg-CDs共培养细胞的存活和增殖情况,评价材料的体外细胞毒性。最后,诱导Mg-CDs培养条件下的MC3T3-e1成骨分化,进行碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase,ALP）活性测定、茜素红（Alizarin red S,ARS）染色以及成骨相关基因（ALP、Runx-2、Col-I和OC）的定量逆转录-聚合酶链反应实验,评价材料的成骨诱导效果。结果:***和XPS结果共同验证了Mg元素的成功掺杂,并且随着反应物六水氯化镁质量的增加,产物中Mg原子的含量随之增加,因此将黑枸杞和六水氯化镁质量比为1:4的样品命名为Mg-CDs。Mg-CDs溶液在紫外光激发下发出明亮的绿色荧光,且表现出碳点的激发依赖。TEM结果显示,Mg-CDs形状为球形,平均直径为2.0±0.02 nm,有明显的晶格条纹。FT-IR结果证明了Mg2+的掺杂并没有影响CDs表面官能团的种类以及吸收峰的位置,保持了CDs原有的功能基团。XRD证明了CDs和Mg-CDs均属于石墨化材料,而Mg2+的掺杂提高了材料的结晶度,并提高了材料的稳定性。2.细胞体外实验表明,当Mg-CDs的培养剂量高达800μg m L-1时,细胞存活率仍能保持在85%以上。当Mg-CDs的培养剂量为200μg m L-1时,细胞存活率在92%。激光共聚焦显微镜观察下细胞轮廓清晰,荧光位于细胞质内。体外成骨诱导分化培养实验结果表明,MC3T3-e1在Mg-CDs培养条件下,成骨诱导3、7、14天后ALP活性成剂量依赖性升高。成骨诱导3、7天后,Mg-CDs组细胞内ALP活性均高于CDs组。同样,成骨诱导培养7、14天后,与纯CDs组相比,Mg-CDs组中MC3T3-e1中表达出更高水平的ALP、Runx2、Col-I和OC。茜素红染色结果与ALP活性结果的意义相似,在成骨诱导培养21天后,培养液中Mg-CDs含量越高,观察到的钙化结节越多。结论:综上,本研究利用天然黑枸杞和六水合氯化镁采用一步水热法成功制备出具有绿色荧光的镁离子掺杂碳点Mg-CDs,且Mg2+的引入并没有改变CDs的特征官能团。Mg-CDs具有良好的细胞相容性,同时能够促进成骨分化,可作为一种荧光生物成像试剂用于骨再生的监测,在骨组织再生中显示出巨大的潜力。

关键词： 镁合金   合金化   微观组织   力学性能   腐蚀性能  

摘要： 非常规油气开采领域中的关键技术之一是水平井分段压裂技术,该技术需使用坐封工具在井下对油气资源进行临时封堵,而传统的坐封工具在完成封堵作用后,需要采用钻削等方式除去,这不仅存在安全隐患,还增加了施工成本。镁合金的密度低,其强度可以承受井下的液压,且镁合金的溶解速度可通过改变介质温度与氯离子浓度来进行控制,这些特点突出了采用镁合金制造可降解坐封工具的优势。因此为了使油气开采过程更安全、高效、环保,研究者们将镁合金易发生腐蚀这一特点利用起来,期望采用镁合金制造的坐封工具可以在完成临时坐封功能后与井下的流体发生腐蚀反应,从而实现“自我降解”。目前已研发出了一系列用于非常规油气开采领域的镁合金,但这类镁合金的合金含量较高,且塑性较差,增加了材料成本及加工难度。因此开发具有低成本、高塑性及高降解速率的镁合金就尤为重要。本文在具有高塑性的Mg-2Gd合金的基础上添加了少量Ni和Cu,并结合变形加工及热处理得到了用于制备井下坐封工具的可降解Mg-2Gd-x Ni-y Cu合金,利用多种表征方式及测试仪器研究了合金的成分、微观结构、宏观性能间的关系,并阐明了相关机理。本文得到的研究结果如下:（1）对挤压态Mg-2Gd-xNi（x=0、0.1、0.2、0.5 wt.%）而言,Ni的加入使Mg-2Gd合金的晶粒得到了细化,且Ni含量越高,晶粒细化效果越明显。Ni的加入还促进了18R长周期堆垛有序（Long Period Stacking Ordered,LPSO）相的生成并导致晶粒的取向从稀土织构逐渐转变为基面丝织构。加入Ni提高了合金的强度但损失了部分塑性,同时合金的腐蚀速率明显加快,挤压态Mg-2Gd-x Ni（x=0、0.1、0.2、0.5 wt.%）合金的抗拉强度/伸长率/腐蚀速率分别为191 MPa/23.1%/15.2mm·y-1（x=0）、212 MPa/20.8%/67.6 mm·y-1（x=0.1 wt.%）、239 MPa/19.1%/236.8mm·y-1（x=0.2 wt.%）、287 MPa/18.1%/499.9 mm·y-1（x=0.5 wt.%）。（2）调整合金化元素,对比了挤压态Mg-2Gd-0.2Ni、Mg-2Gd-0.1Ni-0.1Cu、Mg-2Gd-0.5Ni、Mg-2Gd-0.25Ni-0.25Cu合金的微观组织和性能。用Cu替换部分Ni后,合金的晶粒发生长大,且合金中生成了新的Mg2Cu相,Mg-2Gd-0.2Ni、Mg-2Gd-0.1Ni-0.1Cu、Mg-2Gd-0.5Ni、Mg-2Gd-0.25Ni-0.25Cu合金的平均晶粒尺寸分别为9.3、11.0、3.6、5.8μm。部分Ni被替换为Cu后,合金的强度有所降低但塑性较好,在腐蚀性能方面,Cu对镁合金腐蚀速率的加快作用不如Ni。Mg-2Gd-0.2Ni、Mg-2Gd-0.1Ni-0.1Cu、Mg-2Gd-0.5Ni、Mg-2Gd-0.25Ni-0.25Cu合金的抗拉强度/伸长率/腐蚀速率分别为239 MPa/19.1%/236.8 mm·y-1、223 MPa/21.9%/193.4 mm·y-1、287 MPa/18.1%/499.9 mm·y-1、234 MPa/22.2%/364.2 mm·y-1。（3）对挤压态Mg-2Gd、Mg-2Gd-0.25Ni-0.25Cu、Mg-2Gd-0.5Ni合金进行400~oC/2 h或450 ~oC/2 h退火处理后,晶粒发生长大、晶体取向更加随机,合金的强度下降,但塑性的变化规律不明显,退火处理还使合金的腐蚀速率下降。且退火温度越高,以上变化趋势越明显。与挤压态合金相比,经过400 ~oC/450 ~oC退火后,Mg-2Gd、Mg-2Gd-0.25Ni-0.25Cu、Mg-2Gd-0.5Ni合金的抗拉强度分别降低了1.6%/5.2%、2.6%/4.7%、3.8%/10.1%,腐蚀速率分别降低了41.4%/65.1%、26.6%/41.8%、25.9%/41.9%。Mg-2Gd-xNi-yCu合金的强度和腐蚀速率主要与平均晶粒大小、第二相、晶体取向有关。晶粒越小、第二相越多、基面丝织构越强,会导致合金的强度越高及腐蚀速率越快。加入Ni（和Cu）后,晶粒发生细化,第二相数量随合金元素含量的增加而增多,且基面丝织构得到强化,因此合金的强度及腐蚀速率均增加。但与Ni相比,Cu引起的晶粒细化效果减弱、第二相类型不同、基面织构强度减弱等,导致部分Ni被替换为Cu后,合金的强度和腐蚀速率下降。而退火处理会使晶粒长大、晶体取向更加随机,也导致合金的强度和腐蚀速率下降。