镁基块体非晶的制备及其碳纳米管复合材料的增韧研究

论文摘要

镁基非晶态合金因具有轻质、高强度、高弹性极限、低价格等优点而受到关注,拥有广阔的发展潜力和应用前景。其中,Mg-Ni基非晶态合金相比于其它镁基非晶材料更是具有优异的力学性能、高储氢量和高耐蚀性能等优点。目前Mg-Ni基块体非晶有两个主要缺点阻碍了其发展和应用:①Mg-Ni基合金系非晶形成能力较低,目前研究发现的最大非晶尺寸仅为直径3mm;②塑韧性差,断裂形式表现为显著的脆性断裂,一般压缩实验中的形变位移最大为1%左右。本工作以Mg-Ni-Gd三元合金系为基础,通过改变合金成分配比,在合金系中添加新组元等方式得到一系列非晶形成能力良好的合金成分;另一方面,以碳纳米管作为外加第二相,以期提高韧性,改善Mg-Ni非晶基体的断裂性能。考虑到碳纳米管的添加对非晶形成能力可能造成的负面影响,制备得到非晶形成能力良好的合金成分是研究碳纳米管增韧机制的基础。实验得到的主要结果如下:（1）Gd元素含量在Mg-Ni-Gd三元合金系中对于非晶形成能力有显著的影响,Gd原子个数含量取10at.%对于合金系的非晶形成能力有最佳优化作用;通过改变原子个数配比,发现Mg-Ni-Gd合金系中具最佳非晶形成能力的成分点Mg75Ni15Gd10,非晶临界尺寸3mm。通过晶态峰识别发现对Mg-Ni-Gd三元系非晶形成能力影响较大的强势晶态相GdNi3。（2）Ag部分替代Mg75Ni15Gd10合金中Mg元素对非晶形成能力有显著的影响,替代得到的四元合金成分Mg69Ni15Gd10Ag6,临界非晶尺寸为直径6mm。用伪三元相图成分定位的方法得到一批非晶形成能力优良的成分点,其中有五个成分点可达临界尺寸6mm,分别为Mg70Ni14.3Gd10Ag5.7、Mg69Ni15Gd10Ag6、Mg68Ni15.7Gd10Ag6.3、Mg64Ni18.6Gd10Ag7.4和Mg63Ni19.3Gd10Ag7.7。通过稀土元素掺杂法,得到了具有优良非晶形成能力的五元成分Mg69Ni15Ag6Gd7Pr3,临界非晶形成尺寸为直径8mm,为目前所知最大尺寸的Mg-Ni基非晶合金。（3）球磨工艺可以改善碳纳米管的团聚问题,但部分碳纳米管会在球磨处理过程中被打断而变短。CNTs-Mg69Ni15Ag6Gd7Pr3块体非晶复合材料的压缩应力和形变位移随碳纳米管体积含量的增大而提高,当含量为2vt.%时均达到最高值,分别为925MPa和2.26%,比之不添加碳纳米管时分别提高198MPa和0.74%,观察断口形貌,发现复合材料基体中出现一定规模的表征非晶韧性的脉络状花纹。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非晶合金的发展
• 1.2 非晶合金的形成条件
• 1.3 非晶形成能力表征参数
• 1.4 非晶复合材料的简介
• 1.4.1 复合相的添加方式
• 1.4.2 非晶复合材料的发展
• 1.5 CNTs-块体非晶的研究现状
• 1.6 课题研究内容和意义
• 第二章 Mg 基非晶合金的制备及实验方法
• 2.1 非晶合金的制备
• 2.1.1 母合金的制备
• 2.1.2 块体非晶合金的铜模喷铸制备
• 2.2 分析和表征
• 2.2.1 X 射线衍射分析
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 差示扫描量热分析
• 2.2.4 透射电子显微镜
• 第三章 Mg-Ni-Gd 三元合金系的研究
• 3.1 引言
• 3.2 Mg-Ni-Gd 系非晶形成能力
• 3.2.1 临界非晶尺寸的确定
• 3.2.2 Gd 元素对非晶形成能力的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 元素添加对非晶形成能力的影响
• 4.1 引言
• 4.2 添加组元及其替代方式的确定
• 4.3 Ag 元素添加对非晶形成能力的影响
• 4.3.1 Ag 元素替代与临界非晶尺寸的关系
• 4.3.2 Ag 添加对非晶形成能力表征参数的影响
• 4.3.3 基于伪三元相图的临界非晶尺寸定位
• 4.3.4 非晶形成能力变化趋势分析
• 4.4 稀土元素掺杂法对非晶形成能力的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 CNTs-镁基块体非晶复合材料的增韧研究
• 5.1 引言
• 5.2 CNTs-镁基非晶复合材料的制备
• 5.2.1 碳纳米管与合金成分的选取
• 5.2.2 碳纳米管的预处理
• 5.2.3 球磨均匀化处理
• 5.2.4 复合材料的差压压铸制备
• 69Ni₁₅Ag₆Gd₇Pr₃ 非晶复合材料的压缩性能及分析'>5.3 CNTs-Mg₆₉Ni₁₅Ag₆Gd₇Pr₃非晶复合材料的压缩性能及分析
• 5.3.1 CNTs 添加对压缩性能的影响
• 5.3.2 CNTs 添加对断面形貌的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果
• 致谢