准晶材料ppt课件--研究生课程..ppt

镁-锌-钇准晶及增强镁基复合材料，暨南大学，2012年3月，目录，镁-锌-钇准晶制备镁-锌-钇准晶的实验方法介绍及准晶增强镁合金显微组织和性能的影响因素分析准晶增强镁基复合材料的应用前景，第一，准晶，1。准晶的发现1984年，国家标准局的斯特特曼等人发现快速凝固的铝-14at中存在第五对称轴。%Mn合金，证实这些合金相是具有长程定向有序和无周期性平移有序的闭合二十面体相，它们被称为准晶，从而引起世界各地学者对准晶及其相关领域的研究。此后，先后发现了8、10和12种对称的准晶结构。五种对称和准晶的发现对传统晶体学产生了强烈的影响。它为材料微观结构的研究增加了新的内容，为新材料的开发开辟了新的领域。瑞典皇家科学院10月5日宣布，将把2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家丹尼尔舍特曼，以表彰他在“发现准晶”方面的杰出贡献，并称准晶的发现从根本上改变了过去化学家对物体的概念。准晶是一种具有长程准周期平移序和非晶旋转对称性的固体有序相。它是介于晶体和无定形之间的固体。准晶有完全有序的结构，但它们没有晶体应有的平移对称性。取向序列具有晶体周期性所不允许的点群对称性，并且沿着取向序列的对称轴方向具有准周期性。典型的准晶结构是三维彭罗斯难题。二维空间的彭罗斯拼图由两种菱形组成，内部二十面体准晶衍射图样角度分别为36度、144度、72度和108度，可以完全排列在二维平面上，没有间隙或重叠。这个谜题没有平移对称性，但是它有长程有序结构，并且有晶体不允许的五阶旋转对称性。准晶按周期维度分类，可分为一维、二维和三维准晶。二维准晶包括八面体、十面体和十二面体准晶。三维准晶主要是二十面体准晶。此外，准晶可分为稳定准晶和亚稳定准晶。准晶的应用自从准晶被发现以来，国内外材料工作者对这种新固相的形成过程、原子结构、热稳定性、物理和机械性能进行了大量的研究，并取得了显著的成果。准晶由于其特殊的结构，具有高硬度、低摩擦系数和强脆性。基于此，目前对准晶材料应用的研究主要集中在两个方面，即作为涂层材料和作为软基体复合材料的增强材料。前者利用准晶的不粘性、耐热性和耐腐蚀性，而后者主要利用准晶的高硬度和耐磨性。在金属基体中引入准晶相制备颗粒增强金属基复合材料，对于结构材料中准晶材料的发展和新型金属基复合材料的颗粒增强具有重要意义。目前，用于准晶增强金属基复合材料研究的基体合金主要是镁和铝轻合金，这是由于镁和铝合金具有熔点低、应用范围广的特点。此外，铝和镁合金占迄今为止发现和研究的准晶合金系统的大多数。用准晶强化基体材料主要有两种方法。首先，准晶作为高温强化相析出，并通过原位反应分散在基体中。二是利用粉末冶金技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉末混合，然后高温挤压形成准晶颗粒增强的金属基复合材料。同时，许多人希望通过机械方法在熔体中加入准晶颗粒来制备准晶增强金属基复合材料镁锌钇准晶主要是三维二十面体稳定准晶。此外，还发现二维二十面体稳定准晶的化学成分接近Mg30Zn60Yl0，其准晶格常数约为0.52nm。镁-锌-钇准晶因其独特的结构而具有特殊的性质，可作为镁基复合材料的重要增强相。1。镁-锌-钇准晶强化相的性能经过多年的研究，发现第一相(Mg3Zn6Y)是一种高熔点强化相，可以改善镁合金的延性和高温性能。第一阶段具有二十面体结构和准周期，共有120个对称元素。其晶体结构有20个三角形面，12个五重对称顶点，6个五重轴，10个三重轴和15个二重轴。第一相的对称性远高于立方相，有多种连接方式，是一种拓扑致密结构，比许多其它晶相更稳定，与基体有很强的界面关系，对钉扎晶界和位错运动有很强的影响。Mg3Zn6Y准晶的组成范围宽。在镁-锌-钇合金中，通过保持锌与钇的原子比为4.387，改变锌和钇的含量，可以形成含有不同体积分数的Mg3Zn6Y准晶的镁基复合材料。Mg3Zn6Y准晶增强镁锌钇合金的性能分析结果表明，复合材料的强度随着准晶相含量的增加而增加。当钇含量为1.0%1.5%(原子分数)(锌：钇接近6)时，抗拉强度为180 250兆帕。2。镁锌钇合金体系中准晶的形成规律。图中显示了673K在不同锌/钇含量下的部分等温相图，从图中还可以看出锌/钇是合金相组成的重要控制因素。当合金中锌/钇原子比为1-6时，容易形成钨相(面心立方Mg2Zn3Y3)。当合金中锌/钇原子比小于1时，容易形成氢相(Mg3ZnY)。当合金成分中锌/钇约为6时，合金的相组成落在镁相(准晶相Mg3Zn6Y)区域，这与锌和钇元素的活性以及它们之间的强相互作用有关。在相同的Y/Z原子比下，准晶的形成量随着锌和钇含量的增加而增加。当镁原子含量较低时，组成相主要为相和Mg7Zn3相，随着镁含量的增加，-Mg开始形成。当镁的原子百分比大于75%时，主相由相变为-Mg相，在一定的组成条件下，如Mg75Zn23Y2，只有-Mg相和相存在。在凝固过程中，原子必须首先聚集在一起形成一些致密的团簇。如果有足够的时间，这些原子团簇将周期性地排列在三维空间中产生晶体。此时，原子团簇将调整日晷原子的位置，并降低其对称性，以适应各种周期晶格的对称性。另一方面，如果凝固过程进展迅速，这些原子团簇将根据它们的几何特征堆积起来，保持它们的二十面体对称性，但只表现出准周期性。如果凝固过程进行得更快，就会形成无定形。在镁锌钇合金中，准晶相的形成有两种方式：一种是准晶相直接在熔体中析出。当Y元素的含量较低时，例如化学成分为Zn60Mg37Y3的合金，该合金在凝固过程中将穿过初生相形成区，并且I相作为初生相直接从过冷熔体中沉淀出来并以枝晶方式生长。另一种方法是通过包晶反应或包晶反应生成准晶相。通常，Mg3Zn6Y准晶相是在正常凝固条件下通过包晶反应形成的。(3)实验方法和分析，(1)实验方法实验合金是由纯镁、锌和镁钇中间合金熔合而成。镁和锌的纯度为99.9%。在镁钇中间合金中，镁和钇元素的质量比为3:1。试验中，单型镁锌钇合金为200克，合金成分为镁锌钇(质量分数)，浇注温度为700。在CO2的0.5%SF6保护气氛下，合金被电阻f熔化2、镁-锌-钇合金中准晶相的表征、镁-锌-钇合金的X射线衍射分析、镁-锌-钇合金的扫描电镜分析、镁-锌-钇合金的透射电镜分析、3、镁70Zn28Y2合金的凝固组织，图为镁70Zn28Y2合金典型凝固组织的光学显微镜照片。从照片上看，组织主要由花瓣准晶相、分布在花瓣准晶端边缘的树枝状或-镁相以及Mg7Zn3基质组成。准晶不仅具有典型的五重对称花瓣状形貌，还具有对称性较小、对称性过于明显的簇状形貌。花瓣准晶形态完整，尺寸大，这可以推断为准晶完全自由生长的结果。此外，图中还有一个值得注意的现象，即部分-Mg相分布在准晶花瓣末端边缘附近。对这一现象给出了如下解释：稳定的准晶是具有严格化学计量的物质。在镁锌钇合金中，二十面体准晶相通常被认为是Mg30Zn60Y10。从晶粒尺寸可以推断，花瓣状准晶生长较快，导致镁作为过量溶质元素在富镁的镁锌钇合金凝固过程中从固相(准晶)中排出，从而富集在花瓣状准晶末端的前缘，最终导致在花瓣状准晶末端的边缘形成-镁相。韩国学者YiS报道，在富镁的镁锌钇合金中可以获得仅由-镁相和准晶相组成的共晶组织。4.Mg70Zn28Y2合金的差热分析该图显示了Mg70Zn28Y2准晶合金的差热分析轨迹。从图中可以看出，Mg70Zn28Y2三元合金的凝固过程为647。碳在563析出-镁枝晶。在C附近还有一个相变点，准晶相的析出温度约为416。那么低温相MgTZn3相约为346。c已形成。最终的凝固组织为-Mg枝晶、M93Zn7相和准晶相。具有第五和第五对称性的花瓣状准晶形态的形成机制。金认为以下两个过程非常关键：第一，从熔体形成五边形二十面体相，这接近准晶的成核过程；其次，根据晶体在第五对称方向的优先生长取向，最终形成具有第五对称的花瓣状准晶形貌。当然，以上只是金在用透射电镜分析铝锰合金快速凝固组织时提出的。然而，在稳定准晶的常规凝固过程中，准晶生长后期仍有明显的固化过程。在这个过程中，准晶末端会变得粗糙和光滑，这主要是由于界面能的影响。综上所述，成长图如下：4。准晶的影响因素；1.冷却速率对准晶形貌的影响。在镁锌钇合金中，准晶相可以用普通的低速凝固法制备，但合金成分要求准确。同时，也可以采用快速凝固方法，但是快速凝固将导致大的过饱和固体溶解度和成分均匀化或偏析减少，需要严格控制冷却速率。随着凝固速率的不同，第一阶段的形成方式也发生变化。对于常规凝固，第一相分别由包晶反应： L w-镁和共晶反应L-镁形成。对于亚快速和快速凝固，只有共晶反应La-Mg形成相，而W相不再作为中间相形成。当凝固速度大于10-6K/s-1时，随着合金偏析的减少，准晶相的数量减少，但会更加均匀。常规凝固冷却速度对准晶形态的影响冷却速度显著影响合金凝固过程中准晶形态的演变。图a和图b是差热分析中分别在10/分钟和20/分钟冷却速率下Mg70Zn28Y2合金的凝固组织。在10/分钟的冷却速度下，准晶大部分是块状和分散的。在20/min的冷却速度下，准晶形态以破碎的花瓣为主，破碎的花瓣周围有一些松散的块状准晶。冷却速度越快，准晶生长的花瓣状形貌越好。在较慢的冷却速度下对不同冷却速度(A为8毫米，B为6毫米，C为4毫米，D为2毫米)的亚快速凝固阶梯形试样进行了XRD分析。XRD分析结果表明，亚快速凝固Mg18Zn3Y合金样品中只有-Mg和准晶相。合金的共晶区为准晶相和-Mg共晶结构，而晶粒相为-Mg。图为亚快速凝固阶梯模具样品的能谱(a)8毫米)。(b)6mm；(e)4毫米.从能谱分析结果可以看出，阶梯模式样品共晶区的znY原子比在6.3 7.4之间，接近准晶I相的ZnY原子比6，而在-Mg颗粒区，锌的固溶量远大于平衡状态下的最大固溶量，并且随着凝固速度的增加，锌的固溶量增加。2mm能谱类似于4mm，未列出。图为亚快速凝固Mg18Zn3Y合金(a为8毫米，b为6毫米，c为4毫米，d为2毫米)的扫描电镜照片。扫描电镜照片显示，合金中存在共晶组织，共晶间距小于1 m。随着亚快速凝固组织凝固速率的增加，合金中-Mg的粒径和共晶片的层间间距进一步减小。摘要：亚快速凝固条件下Mg18Zn3Y合金的相变温度和相变过程，快速凝固镁-锌-钇合金的显微组织，不同凝固速率下的能带的XRD分析。分析结果表明，当转速小于1600转/分时，合金中只存在-镁和准晶相，当转速不小于1600转/分时，合金中只存在-镁，锌和钇都溶解在-镁中。图中，沿晶界分布的第二相为准晶相，其余为-Mg相。能谱分析表明，第二相的ZnY原子比为6.1，接近准晶相。然而，晶粒中的ZnY原子比为5.4，接近于准晶I相。快速凝固条件下Mg18Zn3Y合金的相变温度和相变过程。不同成分配比对准晶相的影响。常规熔炼的镁-锌-钇合金显微组织分布相对均匀，在连续加热条件下可以稳定存在准晶相，只有在高温下才会发生氧化。对于含准晶相的镁-锌-钇镁合金，在低锌、低钇含量下，准晶相均匀分布在镁合金基体中，显微组织为完整的五瓣五角，没有完全长大。随着钇含量的增加，准晶数量增加，准晶的晶粒尺寸、圆度和分布均匀性得到改善。然而，在快速凝固的含准晶相镁锌钇合金中，相与-镁基体共存，相均匀分布在-镁晶界。通过控制合金的组成比，可以获得不同的准晶相，如表中所示。从四种合金的相组成和锌/钇比可以看出，当镁-锌-钇合金的锌含量为3wt %时。%，随着锌/钇比的降低，合金第二相的成分由Mg7Zn3 Mg 3Zn6Y、Mg 3Zn6Y Mg 3Zn3Y2依次转变为Mg 3Zn3Y2 Mg12ZnY、Mg12ZnY，第二相的钇含量也依次增加。(5)准晶相增强镁合金的组织和性能。通过控制合金成分和制备工艺，成功地研