《鑄造鎂合金三維枝晶形貌與組織性能研究》是依託清華大學，由荊濤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鑄造鎂合金三維枝晶形貌與組織性能研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：荊濤
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
工程材料的微觀組織特徵表現為典型的三維、多晶結構，對材料微觀組織的綜合信息進行三維實驗表征和數值建模是材料科學發展的前沿方向。在合金的凝固微觀組織中，樹枝晶組織是最重要的一種，研究枝晶的形成機理、三維形貌、演化過程及抑制枝晶的出現有著重要的理論意義和實用價值。鎂基合金因其不同於立方晶系的獨特密排六方結構（hcp）對研究工作提出了很多新的科學問題，因而對鑄造鎂合金凝固微觀組織開展三維實驗和模擬研究意義重大。然而，目前對應該如何描述及預測複雜形貌的三維枝晶組織的形成及演化等問題還很不清楚。本課題擬對鎂合金的凝固組織進行三維實驗表征，獲得綜合的三維信息（如具體相的體積分數、表面積、邊界長度及晶界圖譜等），並提出完善的鎂合金微觀組織模擬的相場模型，通過實驗數據及相場模擬結合的手段對鑄造鎂合金的三維組織形貌、枝晶特徵、組織演化機理等進行描述和預測，以期完善枝晶理論並為控制凝固組織提供可靠的數據支持。
結題摘要
鎂合金作為當前工業生產金屬材料中最輕的材料之一，由於其輕量化優點，在汽車、航空航天、國防建設以及信息技術產業領域具有十分廣泛的用途。和其他傳統材料相比，鎂合金具有比剛度和比強度高，減震效果好，鑄造性能優良，易於成型和回收等優點。尤其是近年來隨著國家對節能減排，環境保護的強烈需求，極大地促進了鎂合金在電力、儲能和交通運輸等領域的廣泛套用，因而對輕質合金，例如鎂合金的研究尤其是微觀結構的研究對於改善鎂合金的綜合力學性能，拓展鎂合金在各個領域的套用具有十分重要的實際意義。 通過對Mg-Al（hcp-fcc），Mg-Zn（hcp-hcp）合金系（構成大多數商用鎂基合金包括鑄造鎂合金和變形鎂合金的基礎）以及Mg-Ca（hcp-fcc）等合金系（構成生物和醫學用鎂合金基礎）進行系統的砂型鑄造和定向凝固以製備試樣，結合高能同步輻射X射線三維成像技術、EBSD表征技術獲得了多種合金系中初生相alp-Mg真實三維枝晶形貌，枝晶生長方向等三維信息。實驗結果顯示，合金元素在枝晶的生長形貌和生長方向的選擇中扮演了重要的角色。在Mg-Al合金系中，初生相α-Mg枝晶在基面上以<112 ̅0>為擇優生長方向，垂直於基面的生長方向受到限制，因而其三維空間結構表現為完美六次對稱的雪花板狀結構；在Mg-Zn合金中，受到Zn元素較強的各向異性因素的影響，其三維枝晶形貌以及擇優生長方向都表現為空間上的複雜性和多樣性。除了傳統的<112 ̅0>和<224 ̅5>擇優方向以外，在定向凝固Mg-Zn合金中，同時還發現主幹枝晶沿著靠近<213 ̅1>的方向生長。然而在Mg-Ca合金中，無論是在等軸生長還是定向生長條件下，α-Mg枝晶都是以<112 ̅0>和<224 ̅5>為擇優取向。在獲得了鎂基合金α-Mg真實三維枝晶形貌和生長方向的基礎上，基於單晶和多晶的相場模型，提出了適用於單一擇優取向以及多個擇優取向的各向異性函式，利用相場方法對α-Mg枝晶的等軸和定向生長分別進行了系統的模擬分析，模擬與實驗的結果都表明hcp結構的樹枝晶三維形貌比以往認識的雪花狀結構要複雜的多。即初生相α-Mg的三維枝晶形貌除了受到外界溫度條件以及形核基底等因素的影響以外，固溶元素以及枝晶之間的相互作用也會對枝晶形貌多樣性的形成產生重要影響。
