新一代金屬材料-Next+Generation+Metal+Ma王自東

新一代金屬結構材料—NextGenerationMetalMaterials王自東北京科技大學材料學院北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

匯報提綱研究室名稱和人員組成研究室定位發(fā)展目標和主要任務研究方向?qū)W科發(fā)展的作用研究室成員工作業(yè)績和成果水平擬任首席教授的綜合能力和貢獻

金屬功能材料制備與成形研究室二、定位發(fā)展目標和主要任務

主要從事金屬凝固、加工成形過程中的理論與工藝控制研究工作，包括：胞、球晶生長理論；高性能納米彌散相增強合金；連續(xù)定向凝固技術，制備高性能銅及銅合金管線材、鋁及鋁合金絲材，陀螺儀上用銀包鋁絲，特種功能用銀包銅絲等特種絲材和超細絲材；特種鑄造技術，如制備高強高導銅合金鑄件等；結構與功能一體化高性能阻尼鋼——結構用高阻尼減振鋼板，框架用高阻尼減振工字鋼，減振降噪用聲子晶體材料等。北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

金屬功能材料制備與成形研究室北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing三、研究方向?qū)W科發(fā)展的作用

金屬凝固理論納米彌散相增強金屬材料制備技術聲子晶體材料連續(xù)定向凝固制備技術（銅管材等）

主要研究方向北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

1.金屬凝固理論用解析的方法對材料制備加工中常見的生長過程（如定向凝固與自由凝固系統(tǒng)內(nèi)）發(fā)生的強非線性階段的胞、枝晶生長和球晶生長中的動力學過程以及界面穩(wěn)定性等進行深入細致的研究。該項研究是應用數(shù)學、材料科學與凝聚態(tài)物理學交叉領域的前沿課題。其解決對材料制備加工工藝的改進與終端產(chǎn)品質(zhì)量的提高等均具有重大而深遠的意義。

金屬功能材料制備與成形研究室北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

2.納米彌散相增強金屬材料制備技術金屬材料的增強、增韌是一對矛盾增強——強度提高塑性下降增韌——塑性提高強度下降如何做到增強同時增韌或增強時塑性不下降？納米增強技術20nm

金屬功能材料制備與成形研究室北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

3.聲子晶體制備及其振動帶隙特性研究機械振動廣泛存在于航空航天、機械動力、交通運輸?shù)雀鱾€領域中，抑制有害振動一直是工程技術中迫切需要解決的問題,其中小尺寸、低頻減振降噪仍然是難以解決的問題之一,而聲子晶體有望解決這一難題。北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

4.連續(xù)定向凝固制備技術制備具有連續(xù)柱狀晶或單晶組織的銅管材銅及銅合金桿線材鋁及鋁合金線材等北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

ZidongWang,XuewenWang,QiangsongWang,IShihandJJXu.Fabricationofananocompositefrominsituironnanoparticlereinforcedcopperalloy，Nanotechnology，2009,20:075605;SCI收錄,EI收錄

ChenMingwen,WangZidong,Xu

Jian-Jun,Xie

Jianxin,Theeffectoffarfieldflowonasphericalcrystalgrowthintheundercooledmelt,Acta

Mechanica

Sinica,2008,24:681~689.(DOI:10.1007/s10409-008-0169-7)ISSN:0567-7718;SCI收錄,EI收錄

代表性論文北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室ChenMingwen,WangZidong,Xu

Jian-Jun,Theevolutionandmorphologicalstabilityofasphericalcrystal,ScienceinChinaE,2008,51(3):225~243.ISSN:1006-9321;SCI收錄,EI收錄

陳明文,王自東,孫仁濟,遠場來流對過冷熔體中球晶生長的影響,物理學報,2007,56(3):1819~1823.ISSN:1000-3290.SCI收錄EI收錄ZhangHong,WangZidong,Xie

Jianxin,ChenYajun,WangYingwei.CrystalPreferentialOrientationAnalysisofAl-1.0wt%SiAlloyinContinuousUnidirectionalSolidificationProcess.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofchina.2006,16(S3):s1518-s1522;

SCI收錄

陳明文，王自東，徐鑒君.球晶的演化和形態(tài)穩(wěn)定性.中國科學E輯：技術科學.2007,

36(5):644-660

北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室王自東等.一種在鋼液中形成納米顆粒的制備技術.200910089679.5林國標,王自東,張鴻等.一種提高Cu-Cr系銅合金強度和導電率的熱處理方法.200910085266.X林國標,王自東等.一種銅合金反重力鑄造升液管.20091009685.0王強松，王自東，謝建新，張鴻等.一種耐高壓鑄造銅合金.專利號:200710176461.申請日：2007年10月29日.公開號:CN101148714王強松,王自東,謝建新,張鴻等.一種高強耐壓鑄造銅合金.申請?zhí)枺?00810114812.申請日：2008.6.12.公開號:CN101289715

專利北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

短流程高效制備銅管技術的項目已完成中試階段、工程化技術與設備研究開發(fā)工作，已在中鋁洛銅公司設計、制造并安裝了工程化裝備及相應的工裝。完成了六流、拉坯速度2.5～4m/h制備銅管坯的有負荷試車工作。

成果應用北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室提綱1、定義2、候選材料3、納米復合材料4、納米彌散相獲得的理論基礎5、銅基納米復合材料的微觀組織6、銅基納米復合材料的力學性能7、結論一、定義新一代金屬結構材料：從應用最廣泛的鋁、鋼和銅材料來看，需要材料的抗拉強度提高50~100%，延伸率和其他的力學性能、物理性能、化學性能保持在原有材料的水平。制備方法簡單、可靠，要與現(xiàn)在的大工業(yè)生產(chǎn)結合起來環(huán)境友好、節(jié)約資源和能源研究新一代金屬結構材料的意義據(jù)計算，材料的強度提高0.5~1倍，制造同樣件，可節(jié)約10~20%的材料，這就相當5~10年，可以節(jié)約一座煉銅廠、煉鋁廠和煉鋼廠對提高武器裝備的檔次，對提高武器裝備的可靠性、安全性有著重要的實際意義減小環(huán)境污染、節(jié)能、減排、節(jié)約資源等都有重要的意義2、候選材料細晶、微晶材料納米晶金屬材料金屬基復合材料非晶材料金屬納米復合材料2.1細晶、微晶材料材料的抗拉強度提高20~30%，延伸率有下降，但下降的幅度較小

從制備工藝來看，快速凝固方法大變形的方法機械合金化的方法與大工業(yè)生產(chǎn)的接軌，難度較大2.2納米材料A納米材料的定義B納米材料的基本效應C納米材料的性能與應用D

納米材料基本特征納米材料的制備方法納米材料定義和分類

納米材料定義組成相或晶粒結構長度尺寸控制在100nm以下的材料。納米材料組成的基本（組成）單元可以是原子團簇、納米微粒、納米線、或納米膜。它既包括金屬材料，也可以包括無機非金屬材料和高分子材料。納米材料的四大特點:尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。從結構角度看，納米材料可分為：①零維納米材料：納米顆粒、原子團簇②一維納米材料：納米絲、納米棒、納米管等③二維納米材料：超薄膜、多層膜等④三維納米材料：納米相材料納米材料的基本效應表面效應量子效應

小尺寸效應

當納米材料組成相的尺寸較小時，材料的性能會發(fā)生變化，當組成相的尺寸小到某一臨界尺寸時，材料性能將發(fā)生明顯的變化。納米晶粒尺寸降到一定程度，其聲、電、光、磁、熱及超導性與宏觀特性有著顯著地不同。納米微粒具有尺寸小、比表面積大、表面能高等特點，其活性極高，遇到其他原子很快結合，使其穩(wěn)定化。納米材料的力學性能彈性模量比常規(guī)晶粒材料的彈性模量降低了30%～50%

硬度或強度是同成分傳統(tǒng)晶體(晶粒＞1μm)金屬硬度或強度的2～7倍在拉應力狀態(tài)下，納米晶金屬塑性很低，但在壓應力狀態(tài)下，納米晶金屬表現(xiàn)出很高的塑性和韌性名稱屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)斷后延伸率(%)彈性模量(GPa)粗晶銅8413040127納米晶體銅(36nm)118237~4502~684納米材料的性能

力學性能：

納米晶強化效應；強度大；納米陶瓷材料具有超塑性

光學性能：

納米晶粒吸光能力強；光吸收率大電學性能：電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導，金屬向絕緣體轉變，磁場中材料電阻的減小非常明顯磁學性能：納米晶粒的磁各向異性與粗晶粒材料有顯著的區(qū)別

熱學性能：納米微粒的熔點、燒結溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多納米材料的制備方法氣相合成與制備納米材料將高溫的蒸汽在冷阱中冷凝或者在襯底上沉積和生長出低維納米材料的方法。主要包括物理氣象沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。用來制備納米粉體、納米絲和生長出超晶格薄膜和量子點。液相法合成與制備納米材料特點：將材料所需組分溶解在液體中形成均相溶液，然后通過反應沉淀得到所需要的組分的前驅(qū)物，再經(jīng)過熱分解得到所需物質(zhì)。主要包括沉淀法、微乳液法、溶膠-凝膠法、電解沉積法、水解法、溶劑蒸發(fā)法。多用來制備納米粉體。固相法合成與制備納米材料：機械合金化(MechanicalAlloying,MA)、固相反應(SolidReaction,SR)、大塑性變形(SeverePlasticDeformation,SPD)SPD法可以采用壓力扭轉和等通道擠壓兩種方式實現(xiàn)。非晶晶化(CrystallizationofAmorphousMaterials,CAM)表面納米化由盧柯等人提出。特點：固體材料在不發(fā)生熔化、氣化的情況下使原始晶體細化或反應生成納米晶體的過程機械合金化法(MechanicalAlloying,MA)又可以稱為機械研磨(MechanicalMilling,MA)，指的是利用機械球磨方法制備納米材料的方法。MA常用的設備為高能研磨機，有攪拌式、振動式、振擺式等。MA法的優(yōu)點：操作簡單、實驗室規(guī)模的設備投資較少、適用材料范圍廣。將球磨形成的納米結構粉末利用熱擠壓、沖擊波壓制、熱等靜壓、燒結鍛造等技術固結，從而得到塊體納米材料。壓力扭轉法(TorsionStraining,TS)實驗原理：將置于支撐砧槽中的原始樣品

(塊或粉)施加幾個GPa的壓力，并相對轉動上下兩砧使之發(fā)生剪切變形。此法制備的納米晶體樣品一般為圓片狀直徑介于10～20mm，厚度約為0.2～0.5mm壓力扭轉法示意圖等通道角擠壓（Equal-ChannelPressing）實驗原理：施加一定的壓力使原始棒材在具有一定角度Φ的通道中通過而發(fā)生剪切變形，將變形后的樣品旋轉一定角度再重新復壓入管道，以使變形在不同滑移面、滑移方向上發(fā)生，經(jīng)過數(shù)次變形后可形成具有高角晶界的塊體納米晶體材料。等通道角擠壓示意圖納米材料研究發(fā)展史納米材料研究現(xiàn)狀仍是一個嶄新的研究和應用領域，總體看來還不夠系統(tǒng)全面，必須深入進行理論研究和技術攻關，采用新的和改進的方法來控制納米材料的組成單元及其尺寸，改善納米尺度的評價方法，以及從新的角度更深入理解納米結構與性能之間的關系。21世紀以來實驗室技術成熟，走向產(chǎn)業(yè)化20世紀80初-90年代末納米材料和科研技術迅猛發(fā)展20世紀50年代Feynman提出納米科技的朝前設想19世紀前人們非自覺地應用納米材料，例如碳黑研究學科交叉化，不斷深入發(fā)展展望2.3金屬基復合材料用陶瓷顆?；蚓ы氃鰪婁X基、銅基金屬抗拉強度能提高20~30%，但延伸率下降較大耐磨、彈性模量高界面存在污染，界面結合不是共格或半共格關系與現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)有一定距離2.4非晶材料耐磨、耐腐蝕抗壓強度高但塑性較差以上材料要想成為下一代金屬結構材料，都有一定的難度，必須進行大量的科研工作來解決現(xiàn)有材料存在的問題3納米復合材料定義：增強相為納米尺度，數(shù)量要足夠多，基體金屬的晶粒為微米級現(xiàn)有金屬彌散相的尺寸為微米級，如鋼中的碳化物、鋁合金中的第二相等減小彌散強化相的尺寸到納米級，直到幾個納米其抗拉強度就會大幅度提高，與此同時延伸率不會降低，其他的各種性能不低于現(xiàn)在使用的合金獲得納米彌散相的途徑

金屬凝固過程中獲得納米尺度的顆粒熱處理過程中析出納米尺度的顆粒4、納米彌散相形成的理論基礎

凝固過程納米相的形成納米尺度的物質(zhì)基本方程是否適用？如：傳熱方程、傳質(zhì)方程經(jīng)典的熱力學形核理論是否適用？4.1弱流場、壓力場下球晶的演化及形態(tài)穩(wěn)定性

過冷熔體中球晶凝固的幾何圖

建立數(shù)學模型

溫度場方程連續(xù)性方程和擬穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程建立數(shù)學模型

其中

界面條件：

研究在過冷熔體中遠場來流遠小于界面的特征速度的情形球晶生長的演化和形態(tài)穩(wěn)定性.

將凝固系統(tǒng)的物理量按小參數(shù)作級數(shù)展開,求出凝固系統(tǒng)的近似解(稱之為基態(tài)解）代入球晶凝固系統(tǒng)得到關于小參數(shù)的各階近似漸近展開：

其中界面方程滿足初值問題：首階近似其中溫度場有兩種情形：一階近似解

在迎風方向?qū)α魇沟谜谏L的界面加速非對稱生長;

分析：在背風方向減緩非對稱生長,在界面兩側沒有受到影響.

取參數(shù)

t=10，t=20，t=30，

t=40，t=70，t=90，

取參數(shù)

t=110，t=150，

從前面求出的一階近似解可以看出流場的流速對于界面形態(tài)的影響,但是這與熔體的粘性無關.為了反映熔體的粘性對于界面形態(tài)的影響,在求出了流場的二階近似解后,需要進一步求出溫度場的二階近似解.

代入溫度場的二階近似項方程，得到

流場的二階近似解

界面條件:

溫度場二階近似方程：界面的初始條件:

當其它情形時,

分三種情況求出凝固系統(tǒng)的二階近似解

將遠場區(qū)域的溫度場外解與在界面附近的區(qū)域溫度場內(nèi)解進行匹配,可以確定待定常數(shù)或函數(shù),

在遠離界面的遠場區(qū)域溫度場的外解

相應的界面生長速度為

求出球晶凝固系統(tǒng)的近似解

選擇參數(shù)作圖

結果分析

No.1

取參數(shù)

t=10，t=20，t=30，

t=40，t=50，t=60，

取參數(shù)

t=70，t=90，t=110，

t=120，F(xiàn)ig.2MicrostructureofCu-Znalloybyordinarycasting北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijingFirstdendriteSeconddendriteThirddendriteForthdendrite5、銅基納米復合材料的微觀組織Fig.3MicrostructureoftheCu-Znalloy(containsequiaxedgrainswiththeaveragediameterfrom20to60microns)北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijingFig.5Athighmagnification,nano-particlesofironsarevisible(theaveragediameter2to20nm)HRTEM20nm北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijingFig.6Ironnanoparticleswithwelldefinedinterfacewithcopper–effectivenucleationcenters.HRTEM北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing(110)(111)0.201nm0.208nm2nmFig.7FurtherconfirmationofphasesrelationbetweenanironnanoparticleandcoppermatrixunderTEMCuFe北京科技大學UniversityofScienceandTechnologyBeijing

Cu-0.43Cr-0.22Zr-0.092Mg合金的鑄態(tài)組織（TEM）及相應的衍射斑點（a）形貌；（b）衍射斑點；（c）衍射斑點標定示意圖。

200nm5.1納米Cr相的形成(1)CTEM分析(a)(b)(c)Cu-0.43Cr-0.22Zr-0.092Mg合金[100]晶帶軸衍射矢量g=200的微觀組織（TEM）