第二届大学生研究性学习和创新性实验计划项目

1附件2：第二届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称过热温度和时间对过共晶铝硅合金中初晶硅的溶解及析出行为影响的研究项目主持人杨志增（学号：2007501422）学院班级机械工程学院2007金属材料工程联系电话[phone]指导老师王建华填表日期2009-5-6湘潭大学教务处制申报项目级别校级省级国家级∨2填写说明一、申报书要按要求逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、格式要求：表格中的字体用小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。三、申报国家级、省级项目如未获批立项，将参与校级项目的遴选。3项目名称:过热温度和时间对过共晶铝硅合金中初晶硅的溶解及析出行为影响的研究学院名称湘潭大学机械工程学院学生姓名专业名称性别入学年份杨志增金属材料工程男2007郭启强金属材料工程男2007李雪梅金属材料工程女2007邹联力金属材料工程男2007徐玉玲模具女2007指导教师王建华职称教授学科专业材料学项目研究和实验的目的和要解决的主要问题:研究背景和研究现状：过共晶Al-Si合金具有比重小、强度高、铸造成形性好以及耐磨耐蚀等优良性能，是航空、航天、汽车、造船工业上重要的结构材料[1-3]。过共晶Al-Si合金按含Si量可分为三组，含Si量17~19%、含Si量20~23%和含Si量24~26%，其铸造组织由α-Al枝晶、共晶Si和初晶Si组成，初晶Si可作为硬质点有效提高合金的耐磨性能。随着Si含量的增加，共晶体增多，流动性提高，可获得组织致密的铸件，但大块的初晶Si会严重地割裂合金基体，导致合金的强度、塑性和切削性能降低。因此，细化初晶Si，改变初晶Si的形状和分布，减小其对基体的削弱作用，是提高Al-Si合金性能的关键。细化Al-Si合金的方法有变质剂处理法[4-6]、快速凝固法[7]、悬浮铸造法[8]、振动变质法[9]等。工业上主要采用变质剂处理法，有初晶Si变质处理、共晶Si变质处理、复合变质处理[5-6]以及双重变质处理[1,10]，但是该法存在加入量需要严格控制、工艺较复杂、含Si量超过26%时过共晶Al-Si合金的变质效果会明显减弱等缺点[11]。根据金属凝固理论，液态熔体在微小区域内存在着有序、规则的排列[12]，其结构状态对晶粒的形核、生长及最终的组织、性能有直接的影响。在科研与生产中，各种不同成分的过共晶铝合金熔炼温度与保温时间对初4晶硅的溶解和凝固过程中的析出影响很大，合适的熔炼温度和保温时间可以消除组织遗传性，得到最佳的凝固组织和合金力学性能[13]。熔体经过不同温度和时间的过热处理后可以得到不同的显微组织与力学性能[14-15]，熔体温度处理后的冷却速度对合金的组织与力学性能也有很大的影响[16-17]。但是，目前还没有有关不同成分的过共晶铝合金的最佳熔炼温度与保温时间的参考资料或文献，因此本项目的研究对科研与生产具有很大指导意义和应用价值。研究目的通过实验研究找出不同成分过共晶Al-Si合金的最佳熔炼工艺参数（熔炼温度与保温时间），为彻底消除其组织遗传性，提高其变质处理效果提供理论依据，为科研与生产提供理论指导。拟解决的主要问题分析研究不同成分的过共晶Al-Si合金中初晶硅的溶解及析出动力学行为，弄清熔炼温度和保温时间对Al-Si合金中初晶硅溶解及析出动力学的影响规律。参考文献：[1]胥锴，刘徽平，袁帮谊，等，过共晶铝硅合金变质处理的研究进展[J].热加工工艺，2009，38(3)：32-35。[2]彭涛，内燃机活塞材料的发展与前景[J].山西科技，2007，(3)：91-92。[3]潘连明，朱正锋，张国荣，等，Al-Si系铸造铝合金材料的研究[J].机车车辆工艺，2007，(1)：5-7。[4]曾斌，罗佑新，刘奇元，过共晶铝硅合金中初晶硅的变质机理探讨[J].轻金属，2008，(5)：48-50。[5]徐国庆，纪坤，金云学，Al-P-RE-Sr复合变质过共晶铝硅合金[J].热加工工艺，2008，37(11)：28-33。[6]余国勋，李华基，张晓萍，复合变质对过共晶Al-24%Si合金组织的影响[J].铝加工，2008，(3)：45-48。[7]朱丹，快速凝固雾化法制备铝硅合金粉末工艺研究[J].甘肃科技，2008，24(13)：64-65。[8]李小平，陈振华，曹标，等，高硅铝合金悬浮铸造的组织细化[J].特种铸造及有色合金，1999，(6)：20-21。[9]C.Chaparro,L.Mondragon.ApplicationofanultrasoundtechniquetocontrolthemodificationofAl-Sialloys[J].Materials&Design.1995(16):47–50.[10]LiuXiangfa,WuYuying,BianXiufang.ThenucleationsitesofprimarySiin5Al-Sialloysafteradditionofboronandphosphorus[J].JournalofAlloyandCompounds.2005,391:90-94.[11]李勇，高光亮，牛丽媛，等，变质剂变质处理过共晶铝硅合金研究概况[J].浙江工贸职业技术学院学报，2008，8(1)：43-46。[12]潘金生，仝健民，田民波，材料科学基础[M].北京;清华大学出版社，1998，487-488。[13]刘相法，边秀房，马家骥，铝合金组织遗传现象及其利用的研究[J].铸造，1994，10：18~22。[14]Mondolfo,L.F.;Barlock,J.G..EffectofSuperheatingonStructureofSomeAluminumAlloys.[J].Metall.Trans.B,1975,6B,(4):565-572.[15]陈光，蔡英文，李建国，等，熔体热处理研究及其应用.[J].河北科技大学学报．1998(1)：6~12。[16]魏朋义，傅恒志，熔体温度处理对快凝Al-Si过共晶合金条带微观组织及性能的影响.[J].金属学报，1996，32(8)：817~822。[17]ManchangGUI，JunJIA，GuangshengSONG，etc.MicrostructureofAl-SiAlloysRapidlySolidifiedFromtheDifferentTemperatureMelts.[J].J.Mater.Sci.Tech.，1999,15,(3):225~228研究和实验的主要内容、研究方法与手段、预期成果:主要内容：1）将硅含量在13-25%范围内的过共晶Al-Si合金在不同温度下进行不同时间的过热处理，然后将过共晶合金进行快速冷却，研究过共晶合金中初晶硅的溶解动力学过程，找到初晶硅完全溶解的最佳温度与时间；2）将经熔体过热处理的过共晶Al-Si合金在不同温度下（液相线温度以下）进行不同时间的重熔处理，然后将过共晶合金进行快速冷却，研究过共晶合金在半固态重熔时初晶硅的析出动力学过程及重熔温度与保温时间对初晶硅尺寸与形态的影响。3）将过共晶Al-Si合金在不同温度和时间下进行完全熔体过热处理，然后将过共晶合金进行炉冷和空冷，研究不同熔炼工艺参数对过共晶合金凝固过程中初晶硅的析出动力学行为（初晶硅尺寸与形态）的影响。6研究方法与手段：1）取数个1克过共晶Al-Si合金放入石英管中抽真空密封，在不同温度下进行不同时间的过热处理，然后将合金试样进行水淬冷却；2）将水淬试样制成金相样品，采用硝酸酒精进行腐蚀，在光学显微镜观察不同过热温度和时间下合金样品中初晶硅的尺寸与形态；找出初晶硅完全溶解的工艺参数。3）取数个1克过共晶Al-Si合金放入石英管中抽真空密封，在初晶硅完全溶解的工艺参数下进行过热处理，然后将该合金进行水淬冷却；4）再将水淬样品放入石英管中抽真空密封，在液相线温度以下不同温度和保温时间下进行重熔处理，然后将该合金进行水淬冷却；5）将水淬重熔试样制成金相样品，采用硝酸酒精进行腐蚀，在光学显微镜观察不同重熔温度和时间下合金样品中初晶硅的尺寸与形态。6）取数个1克过共晶Al-Si合金放入石英管中抽真空密封，在初晶硅完全溶解的工艺参数下进行过热处理，然后将该合金进行炉冷和空冷；7）将炉冷和空冷试样制成金相样品，采用硝酸酒精进行腐蚀，在光学显微镜观察炉冷和空冷合金样品中初晶硅的尺寸与形态。预期成果：1）获得不同成分过共晶Al-Si合金中初晶硅的溶解和析出规律，为制定消除不同成分过共晶Al-Si合金的组织遗传性的熔炼和凝固工艺参数提供理论依据和指导；2）在CSCD核心期刊和EI收录以上刊物上发表研究论文1-2篇。本项目的创新之处1）实验中采用石英管进行真空密封，防止铝合金熔炼过程中的氧化，将减少实验过程中其它因素对实验结果的影响，提高实验结果的可靠性。2）对不同成分的过共晶铝硅合金，都将得到一种消除其组织遗传性的最佳熔炼工艺参数，对科研与生产的指导具有针对性。7可行性分析1）指导教师王建华教授从事铝合金研究工作多年，在各种刊物上发表了许多相关科研论文，具有很丰富的科研和实践经验，指导学生进行科研工作细致有方法，因此圆满完成本项目在技术上是完全可行的。2）实验室仪器较为齐全，研究环境良好，为本项目的完成提供了实验条件。目前可为本项目提供的主要设备有：中温箱式电阻炉、图像分析仪、光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等。3）本项目所在的材料设计研究所有着良好的科研学术氛围，取得了一系列科研成果。由于成绩突出，该研究所获得首届湖南省十大杰出青年科技创新集体的称号，同时该所非常重视学生的科研能力的培养，近年来在指导学生参加各类科技作品的制作和研究上取得了不俗的成绩，主要成绩有：①在湖南省第五届“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛中获二等奖；②在第八届“挑战杯”全国大学生课外科技作品竞赛中获二等奖。相信本项目在实验室的良好学术和科研氛围的影响和王建华教授的指导下，一定能很好的完成预定的研究和实验计划。4）本项目的研究人员为大二的本科学生、下学期进入大三学习，成绩非常优秀，大多为学校甲等奖学金和乙等奖学金的获得者，专业知识扎实，有着充足的课余时间，而且对科学研究有着浓厚的兴趣，在王建华教授的指导下，相信能按时完成研究和实验任务。注：本表空栏不够可另附纸张8指导教师情况王建华，男，64年2月出生，教授，博士生导师，九三社员。湖南省121人才梯队第三层次成员，湘潭大学“材料设计及制备技术”湖南省重点实验室副主任。现任湘潭大学机械工程学院材料工程系主任。1980年考入湖南大学机械工程学院铸造专业学习，1984.7.毕业后被分配到邵东机床附件厂从事技术工作，任技术员和厂长助理。针对大型灰口铸铁和球墨铸铁件工艺出品率低和废品率高的问题，大胆进行铸件的铸造工艺改进，实现了球铁矿石烧结台车的无冒口铸造和大型飞轮灰铸铁的压边浇冒口铸造等，是使铸件的工艺出品率显著提高，并使铸件的废品率大大下降。1989.3~1993.8在哈尔滨行业大学硕士研究生毕业后被分配到长春第一汽车制造厂铸造分厂从事技术工作，1992年元月被破格评为工程师，主管铸铁的熔炼和铸件的材质质量工作，期间采用Cr-Mn-Si合金代替铜生产灰铸铁汽缸体，不仅解决了缸壁硬度过低的问题，还大大降低了成本，每年为国家节约100万元。作为《高碳当量高强度铸铁汽缸体的应用研究》项目的主要完成者，获得了1994年度机械工业部科技进步三等奖，同时获得中国第一汽车制造厂科技进步一等奖。1993.9．作为引进人才调到湘潭大学任教，1994年评转为讲师，1999年破格晋升为副教授，2002年晋升为教授。期间对可锻铸铁低温退火进行了研究，调整铸铁的化学成分，采用复合孕育和金属型铸造等方法实现了可锻铸铁的低温石墨化退火。1999~2002年在中南大学攻读博士学位，师从易丹青教授，参与国家重大基础应用项目的研究工作（提高铝材质量），取得了较好的成绩，发表科研论文16篇。被评为2001