准晶材料ppt课件--研究生课程(1).ppt

1、Mg-Zn-Y准晶和增强镁基复合材料，济南大学2012.03，目录，准晶介绍Mg-Zn-Y准晶制备Mg-Zn-Y准晶的实验方法和准晶分析影响因素准晶强化镁合金组织和性能特性准晶强化镁基复合材料的应用前景，一次准晶在%Mn合金中发现了5个对称轴，确认了这些合金相具有较长的方向顺序，是没有周期转换的闭合正热相。这称为准晶，世界各国学者对晶体及相关领域的研究进行了排序。之后陆续发现了具有8，10，12个对称的准晶结构。五个对称性和准晶的发现对传统结晶学产生了强烈的冲击，对物质微观结构的研究增加了新内容，为新材料的发展开辟了新的领域。瑞典皇家科学院10月5日将2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家Da

2、niel shechman，承认其“发现了准晶”的卓越贡献，并宣布准晶的发现从根本上改变了过去化学家的个体构想。2，准晶结构准晶(quasicrystal)是具有长距离准周期转换顺序和非晶旋转对称的固体有序相。晶体和非晶之间的固体。准晶具有完全有序的结构，但没有确定所需的转换对称。方向顺序具有确定循环中不允许的点组对称，沿方向顺序对称轴的方向具有准周期性。典型的准晶结构是三维空间的彭罗斯拼图。二维空间的彭罗斯拼图由两个菱形组成，内侧十面体准晶衍射角度为36度、144度、72度、108度，可以通过将二维平面紧密相交来填充。这个拼图没有转换对称性，但它有长的有序结构，有晶体不允许的5次旋转对称。准

3、则可以根据周期维度分类，分为一维、二维、三维准则。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，准晶可以分为稳定准晶和准稳定准晶。3，准晶的应用在准晶发现后，国内外材料工人对这一新的固定床的形成过程、原子结构、热稳定性、物理及机械性能等进行了大量研究，并取得了引人注目的成果。准晶是结构的特殊性，具有高硬度、低摩擦系数和强脆性。在此基础上，目前对晶体材料排序的应用研究主要集中在涂层材料、软基体复合材料强化两个方面。前者利用准晶的不粘度、耐热性和耐腐蚀性等，后者主要利用准晶的高硬度、耐磨性等。将准晶相引入金属基体中，制备颗粒增强金属基体复合材料，对准晶材料的结构材料应

4、用和新型金属基体复合材料的颗粒增强剂开发具有重要意义。目前在研究准晶强化金属基复合材料的过程中，选择的基体合金主要是镁、铝合金，这是因为镁、铝合金熔点低、应用范围广。而且，在目前发现和研究的许多准晶合金系列中，铝、镁合金占多数。准晶提高基体材料的方法主要有两种：第一是利用in situ反应将准晶作为高温强化相析出，分布在基体上。二是利用粉末冶金技术将准晶粒子(微米)和金属粉末混合，然后在高温下挤压成准晶粒子复合物加固的金属基复合物。与此同时，也有很多人想通过机械搅拌方式在熔体中添加准晶粒子，制造准晶强化金属基体复合物，但还不太有生产性。2，Mg-Zn-Y合金的准晶相，1993年，在罗治平等地发

5、现的Mg-Zn-Y合金的Mg3Zn6Y三元相，由于20面体准晶相(I相)，近年来Mg-Zn-Y准晶成为准晶研究的热点问题，各国科学技术人员Mg-Zn-Y准晶主要是三维二十面体稳定准晶，二维十面体稳定准晶稳定Mg-Zn-Y二十面体准晶的化学成分在Mg30Zn60Yl0附近发现，约为0.52nm。Mg-Zn-Y准晶具有独特的结构和特殊的特性，因此可以用作镁基复合材料中的重要强化剂。1，Mg-Zn-Y准晶强化相特性经过多年研究，相(Mg3Zn6Y)是提高镁合金延性和高温特性的高熔点强化相。I上的20面体结构和准周期，共120个对称，晶体结构中的20个三角面，12个五对称顶点，6个五轴，10个三轴，1

6、5个双轴。相位的对称性是比立方体高得多的连接方式，还有比许多其他晶体更稳定的拓扑高密度堆结构，矩阵和强界面关系，u形晶界和位错运动的强作用。Mg3Zn6Y准晶的生成成分宽，在Mg-Zn-Y合金中保持Zn和Y的原子比为4.387，可以改变Zn和Y的含量，形成具有不同体积分数Mg3Zn6Y准晶相的Mg基复合物。Zn，y含量少则-Mg为初级阶段，准晶以粒子形态或共晶组织(Mg3Zn6Y上的-Mg)分布在-Mg晶界。Mg3Zn6Y准晶强化Mg-Zn-Y合金的特性分析结果表明，随着准晶相含量的增加，复合材料的强度在1.0%到1.5%(原子分数)时(Zn: y接近6时)，拉伸强度为180250MPa。2，

7、Mg-Zn-Y合金准晶的形成规律显示了673K合金在不同Zn/Y下的等温相图的一部分，其中Zn/Y是合金相组成的重要控制因素。合金的Zn/Y原子比在1到6之间时容易形成w相(面心立方Mg2Zn3Y3)。合金的Zn/Y原子比小于1时容易成为h相(Mg3ZnY)。合金成分中的Zn/Y约为6时，合金的相成分属于图表中的mg I相(准晶上的Mg3Zn6Y)区域，这与Zn和Y元素的活性及其之间的强烈相互作用有关。对于相同的Y/Z原子比，准晶生成量随Zn和Y含量的增加而增加。Mg原子含量低时，组合相主要是I相和Mg7Zn3相，随着镁含量的增加，开始生成-Mg。如果Mg的原子百分比大于75%，则第一相在I面

8、上更改为-Mg相，在特定成分条件下(例如Mg75Zn23Y2)，仅存在-Mg相和I相(I相)。在凝固过程中，原子必须先聚集在一起，形成紧凑的群集。如果有足够的时间，这些簇会在三维中周期性排列，生成晶体。然后，原子适当地调整时钟原子的位置，使其符合周期晶格本身的对称性，减少对称性。相反，如果凝固过程进行得很快，这些簇会按照其形状堆积，保持其二十面体的对称性，但只显示出准周期。凝固过程如果进行得更快，就会形成非晶质。Mg-Zn-Y合金的准晶I相形成方法有两种：准晶I相直接从熔体中析出，Y元素含量低(例如化学成分为Zn60Mg37Y3的合金)，在凝固过程中合金超过了初级相形成区域，I相作为初级相直接

9、从过冷熔体中析出，获得了奖项另一种方法是通过多晶反应或共晶反应封装准晶I相(通常在通常的凝固条件下为Mg3Zn6Y准晶相)。第三，实验方法和分析，第一，实验方法实验合金纯Mg，Zn和Mg-Y中间合金熔体。Mg，Zn的纯度为99.9%。Mg-Y中间合金中Mg和Y元素的质量比为33336901。测试期间，Mg-Zn-Y合金的单一样式为200g，合金组成为Mg-Zn-Y(质量分数)，浇注温度为700c。合金在CO2 0.5%SF6大气保护下使用电阻炉熔化，倒入金属型。研究冷却速度对结晶形态影响的实验是通过控制DTA分析设备中的冷却速度来完成的。不同凝固速度Mg-Zn-Y合金组织变形和相选择的研究：水

10、冷阶梯铜模具注射成型法制备亚结晶速度凝固Mg-Zn-Y合金试样；快速凝固是使用单滚带去除方法制造不同速度的合金条。，2，Mg-Zn-Y合金的准晶相特性，Mg-Zn-Y合金体系的x衍射分析Mg-Zn-Y合金体系的SEM分析Mg-Zn-Y合金体系的TEM分析，3，Mg70Zn28Y2合金的凝固组织，度照片中，该组织主要由花瓣准晶相、树突或花瓣准晶末端分布的-Mg相、Mg7Zn3矩阵组成。准晶形态不仅是具有典型的五次对称的花瓣形状，而且小的对称也是太明显的块状形态。可以推断花瓣形状的准晶完整，大小更大，是准晶完全自由成长的结果。另一个值得注意的现象是，一些-Mg相分布在准晶花瓣的末端边缘。稳定的准晶

11、说明化学戒律是严格的物质。对于Mg-Zn-Y合金，通常认为20面体准晶相组成为Mg30Zn60Y10。花瓣形状的准晶可以从晶粒大小推断出生长得更快。这导致富含镁的Mg-Zn-Y合金凝固过程中，过量的溶质元素Mg排出固定相(准晶相)，在花瓣准晶的末端富集，最终形成花瓣状准晶端的-Mg相。韩国学者YiS报道，富含镁的Mg-Zn-Y合金可以获得仅由-Mg相和亚晶相两相组成的共晶组织。4，Mg70Zn28Y2准晶合金的差热分析线，Mg70Zn28Y2三元合金凝固过程647。C 563处的a-Mg树突。c左右还有另一个相变点，准晶相析出温度约为416。c，低温相MgTZn3相约346相。c形成。最终凝固

12、结构为a-Mg树突、M93Zn7相和准晶相。5、5个对称花瓣形状的准晶形态形成机制，5个对称花瓣形状的形成机制，Kim认为以下两个过程非常重要。首先，在熔体中，五角形二十面体相，该过程接近准晶核过程；第二，在具有5个对称方向的晶体的理想生长方向上生长，最终形成具有5个对称的花瓣形状的准晶形态。当然，这只是Kim在透射电子显微镜下分析Al-Mn合金快速凝固组织时的建议。但是在准晶有规则的凝固过程中，准晶的生长后期，熟化过程也明显存在。在此过程中，准晶末端变粗平滑主要是因为界面能量的作用。概括地说，增长图如下：4、准晶的影响因素，1、冷却速度对晶型的影响Mg-Zn-Y合金的准晶I相制备可以使用常规

13、的低速凝固方法，但合金成分必须准确。快速凝固方法也可以使用，但由于快速凝固，过饱和溶液和组成可能均匀或分离，因此必须严格控制冷却速度。根据凝固速度，I相的形成方式也不同，通常在凝固时分别形成为I相(共晶反应：L w a-Mg I和共晶反应La-Mg I)。在亚快速和快速凝固的情况下，共晶反应L a-Mg I万I相形成，w相不再形成中间相。凝固速度大于10-6K/s-1时，准晶I相量随合金分离的减少而减少，但更均匀。现有凝固冷却速度对结晶形态的影响冷却速度在很大程度上影响合金凝固过程中准晶形态的演变。图a，b分别在Mg70Zn28Y2合金的DTA分析中使用10c/min和20c/min冷却速度下

14、的凝固组织。在10c/min冷却速度下，准晶大部分是块状的，会进一步分散。在20/min的冷却速度下，准晶形态以碎花瓣为基础，有碎准晶花瓣周围游离的块状准晶。以更快的冷却速度，可以保持准晶生长的花瓣一样的形态。在较慢的制冷率下，合金的凝固时间增加，花瓣准晶凝固过程中的熟化时间增加。成熟时间越长，准晶花瓣末端越粗糙，末端分叉，准晶花瓣越容易脱落。剥离准井离开低温相中流，界面作用容易形成多边形形态。，分快速凝固Mg-Zn-Y合金结构，不同冷却速度阶梯模式样品XRD分析，a为8mm，b为6mm，c为4mm，d为2mm。XRD分析结果表明，亚快速凝固Mg18Zn3Y合金样品中只有a-Mg和准晶I相。合

15、金共晶区域为准晶I相和a-Mg共晶组织，粒子相a-Mg。图示为亚快速凝固阶梯模式样品DES能谱(a)8mm；(b)6mm；(e) 4mm)。从能谱分析结果图中可以看出，阶梯模式样品共晶区ZnY原子比在6.37.4之间，接近准晶I相ZnY原子比6，Zn在a 1 Mg的粒子区中的溶解量大于平衡状态中的最大溶解量，随着凝固速度的增加，Zn的溶解度增加。2mm能谱类似 4mm，未列出。子高速凝固Mg18Zn3Y合金的SEM图(a为8mm，b为6mm，c为4mm，d为2mm)，SEM图显示合金的共晶组织，共晶间距小于1m。随着亚快速凝固型凝固速度的提高，合金的-Mg粒度和共晶片层的间距进一步减小。亚快速

16、凝固Mg18Zn3Y合金DSC曲线相变温度和相变过程，快速凝固Mg-Zn-Y合金组织，不同凝固速度条带XRD分析。分析结果表明，如果旋转速度低于1600r/inin，合金中只有a-Mg和准晶I相，如果旋转速度低于1600r/min，则合金中只有a-Mg，Zn和y与a-Mg粘在一起。在图中，在晶界和晶体内分布的第二阶段为准晶I相，其余为a-Mg。能谱分析如图所示，两相ZnY原子比为6.1，接近准晶I相。粒子内部ZnY原子比为5.4，接近准晶I相。快速凝固下Mg18Zn3Y合金在DSC曲线上的相变温度和相变过程，2，不同成分比例对正常的影响，现有冶炼Mg-Zn-Y合金的组织分布比较均匀，准晶相稳定

17、性仅在高温下氧化。含亚晶相的Mg-Zn-Y镁合金在低Zn和Y含量下，亚晶相均匀分布在镁合金基板上，微观结构为完整的5花瓣和不完全生长的五角形。随着y含量的增加，准晶数量的增加，准晶的粒度、整角和分布均匀化程度提高了。快速凝固Mg-Zn-Y在准晶相镁合金中I-相和-Mg矩阵共存，I-相在-Mg晶界中均匀分布。控制合金的成分比，可以得到其他准晶像，如表中所示。从四种合金的相组成和Zn/Y来看，Zn含量为3wt%时，Zn/Y减少，合金的第二相组成从mg7zn 3 mg 3zn 6 y，mg 3zn 6 y mg 3 Zn 3 y 2转换为mg 3 Zn 3 y 2 Mg12ZnY，Mg12ZnY，第二相Y含量也依次增加，5，通过对准晶相强化镁合金的组