实习报告
学生实习报告
实习单位: 上海交大材料科学与工程学院
实习时间： 2011-7-4 至 2011-9-2 学院(系): 材料科学与工程学院
专业: 材料科学与工程系
学生姓名: 闵雪学号: 5080519080
2011年 9 月 5 日
实习目的
科研实习的目的是为本科学生提供一个亲临科研现场，直接感受科研氛围的平台。对学生来说，参与科研实习，就是希望通过跟教师和科研人员的接触，了解他们的工作内容，感受他们的科学精神、认真负责的工作态度，并培养自身的科研能力。
我在大三年级下半学期有幸听了袁广银老师关于生物镁合金的一次讲座课，并产生了浓厚的兴趣。希望借助暑期充裕的时间，对生物镁合金有更多的了解，同时也力求提高自己在科研方面的个人能力和素质。
生物体内可降解材料是生物材料发展的重要方向。近年来，以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研究受到了人们的特别关注，进一步提高生物镁合金的性能，使其在临床医学发挥更大作用成为现今研究所关注的核心课题。另一方面，关于挤压比对镁合金材料显微组织及力学性能影响的研究也不鲜见。本次实验的目的就在于将这两个方向相互结合，针对不同工艺对生物镁合金材料的性能影响进行一系列的研究。
实习任务
本次实习的主要任务是利用暑假时间，像正式研究人员一样参与工作，参加集体活动（如项目组例会等），并按照指导教师的要求开展一些力所能及的研究工作，或协助指导教师完成一些辅助性工作。我参与的《可降解生物镁合金的力学性能与腐蚀性能研究》项目实习具体包括以下工作任务：
1．了解材料学科的基本科研方法：材料制备——组织观察——性能测试——结果分析；2．查阅相关资料，了解镁合金的基本知识；
3．熟悉可降解生物镁合金的评价方法：组织分析、生物力学性能分析、生物腐蚀性能分析。
实习内容
本次《可降解生物镁合金的力学性能与腐蚀性能研究》科研实习的具体实验内容包括：1.可降解生物镁合金的成分设计
本实验的主要研究对象是进过不同热处理的交大生物镁合金（JDBM）。JDBM的成分包括Mg-Nd-Zn-Zr，其中Nd，Zn，Zr的质量分数分别为3.08%，0.27%和0.43%。
2.可降解生物镁合金的合金熔炼与变形
实验采用半连续铸造技术浇注出?105mm的镁合金铸锭（F态），在540℃固溶处理10h，随后在280℃的相同温度下，分别以挤压比8、18和25挤压出棒材。根据需要，将挤出的棒材切屑成实验所需形状，并进行打磨抛光处理，最终得到各类可直接进行实验操作的材料，进行显微观察和性能测试。实验内容具体如下：
（1）热处理后的样品进行切割、打磨抛光处理。
需进行金相观察和腐蚀实验的样品，切割成?19﹡3mm的圆薄片。针对拉伸试验要
求，讲样品进行切割打孔，制成国家标准拉伸试样*。随后，按表1对他们进行打
磨抛光处理。
表1：样品处理步骤
（2）观察金相组织。先对打磨抛光好的材料进行腐蚀处理，再利用光学显微镜观察四种不同处理条件的材料组织，根据组织特点分析材料在热处理以及挤压过程中的晶粒变化，预测其力学性能和腐蚀性能。腐蚀操作为：苦味酸（5秒）-蒸馏水-酒精-冰醋酸（3秒）-水-酒精。
（3）利用拉伸试验机测试材料的力学性能，绘图比较四种实验材料的力学性能。
（4）利用浸泡实验，通过析氢和失重两种方法，评价材料在模拟体液（Hanks’Solution，成分见表2）中的耐蚀性能。浸泡实验全程120小时，每24小时更换一次溶液。根据溶液与样品表面积比为30ml/cm2，可以具体计算出样品所需的腐蚀液体积。
失重法要求在腐蚀前对样品，及腐蚀120h、经过清洗后的样品分别称重，从而通过质量差值了解材料的腐蚀情况。腐蚀后的材料清洗采用酸洗法。酸洗液加热沸腾后，将样品放入浸泡三分钟后取出，再经水冷、酒精清洗并用吹风机吹干。析氢法要求测得材料每浸泡24小时后氢气的析出量。实验过程中，将漏斗倒置盖住样品，再用集气试管罩住漏斗底部收集气体。观察清洗后的样品表面情况，分析实验数据，评价各样品的腐蚀性能。
表2： Hank's Solution成分配比
成分质量分数 g/L
NaCl 8
CaCl2 0.14
KCl 0.4
NaHCO3 0.35
Glucose 1
MgCl2·6H2O0.1
Na2HPO4·2H2O0.06
KH2PO4 0.06
MgSO4·7H2O0.06
3.可降解生物镁合金的金相组织观察（挤压比对JDBM的显微组织的影响）
（a）（b）
（c）（d）
图1：不同挤压比下的金相组织照片
（a）铸态JDBM，记F
（b）经540℃固溶处理挤压比为8的JDBM，记R8
（c）经540℃固溶处理挤压比为18的JDBM，记R18
（d）经540℃固溶处理挤压比为25的JDBM，记R25
由实验结果图1可以看出，经过固溶和挤压处理后的组织均发生了明显的再结晶，并且，随着挤压比的增大，发生再结晶的区域占比明显随之增大。图中R8可见，组织中存在较大面积的浅色区域，可推断其为受到挤压发生变形，但未发生再结晶的晶粒。在R18的微观组织照片中可见，浅色区域面积减少，变得细长并且相对分散。R25的图像中则观察不到大片浅色未结晶区，相反存在一些深色纹样。进一步观察，发现这些纹样由细小深色的再结晶晶粒组成。比较再结晶区域的晶粒大小，R18的晶粒明显小于R8和R25。说明挤压比与再结晶的晶粒大小并非呈线性关系。随着热挤压的变形量增大，形变织构逐渐减弱，再结晶织构逐渐增强，证明滑移、孪生和动态再结晶的共同作用使形变织构和再结晶织构均不能得到充分发展。
4.可降解生物镁合金的力学性能测试（挤压比对JDBM的力学性能的影响）
利用拉伸试验机测试材料的力学性能如表3，以F为标准，对各挤压比下各项力学性能进行归一化，得到结果如图2所示。
表3：不同处理条件JDBM的各项力学性能指标
NO. 屈服强度/Mpa 抗拉强度/Mpa 延伸率/%
F 102 195 11.1
R8 308 309 15.3
R18 350 353 14
R25 419 423 2.1
图2：不同挤压比相对铸态JDBM的力学性能比较
相对铸态，经过固溶挤压处理的材料在屈服强度和抗拉强度上都有了明显提升。R8的屈服强度为F的三倍，R25的屈服强度进一步达到F的四倍以上，证明挤压工艺使材料的强度得到了很大的提升。另一方面，材料延伸率在R8和R18条件下有所增加，但R25的延伸率明显下降且低于铸态。可见，挤压比增大时，材料的塑性变化大致呈先增后减的趋势。
根据显微照片，可以从显微组织角度对材料挤压处理后性能的变化做出定性解释。首先，根据Hall-Patch公式，细化晶粒能显著提高材料的强度和塑性。由显微组织照片可以看出，挤压后的JDBM发生了再结晶，并且随着挤压比增大，发生再结晶的区域占比也相应增大，JDBM的强度得到显著提高。其次，随着挤压比增大，延伸率呈下降趋势。这是因为在挤压过程中，挤压比越大，材料挤出速率越高，挤压过程中所受到的应力也更大。
5.可降解生物镁合金的生物腐蚀性能测试（挤压比对JDBM的生物腐蚀性能的影响）
表4：清洗前后样品的宏观照片
腐蚀后的照片结果如表4。可见，JDBM的表面腐蚀比较均匀，未出现腐蚀深坑等不均匀腐蚀的情况。观察清洗前的腐蚀试样，将不同挤压比的试样进行逐个比较，发现随挤压比增大，样品表面腐蚀后颜色趋深。下面将给出析氢实验和失重实验结果，并进行进一步的分析。
表5：析氢实验记录表
No H24/ml/cm2 H48/ml/cm2 H72/ml/cm2 H96/ml/cm2 H120/ml/cm2
F 0.19 0.58 0.51 0.73 1.04
R8 0.10 0.45 0.40 0.41 0.47 R18 0.05 0.22 0.21 0.41 0.35 R25 0.02 0.20 0.22 0.30 0.39
图3：不同挤压比JDBM的氢气析出量（单位：ml/cm2）
表5为析氢实验记录表，数据记录了每24小时收集到的单位面积的氢气体积。图3更直观的反映了不同挤压比JDBM的氢气析出随时间变化的情况。随着放置时间的延续，四种样品24小时收集到的氢气量总体上看都有增加趋势，说明腐蚀有加剧的倾向。比较经过挤压处理的样品和铸态样品不难发现，前者的腐蚀情况在48小时后趋于平稳，证明对镁合金进行挤压的工艺处理有益于提高其腐蚀性能。其中，R18和R25的腐蚀速度要明显小于R8，推断较大的挤压比有助于JDBM的腐蚀性能。
表6：失重实验数据及析氢实验结果
No S/cm2
Volume of
solution/ml ΔW/mg
Ecorr/mm/y
ear
Vtotal/ml
ΔW
calculated
F 8.25 247.50 32.90 1.63 25.20 27.00 R8 8.05 241.36 27.80 1.41 14.70 15.75 R18 8.05 241.36 26.30 1.33 10.00 10.71 R25 8.13 243.97 25.20 1.27 9.20 9.86
图4：失重法和析氢法实验结果比较（单位：mg）
表6中前三项为失重实验的实验数据，后三项是120小时的析氢总量，以及通过腐蚀反应的化学公式:算出的失重结果。图4反映了两种实验的失重结果。显然，通过析氢法算得的失重总量总是小于直接测量的结果。氢气逸出造成的采集不完全，其他无气体产生的腐蚀反应等因素导致了两者结果的不一致。但总体上看，不论是失重法还是析氢法都能佐证随着挤压比增大，腐蚀速度下降的这一结论。
另外，可以从显微组织角度解释这一结论。挤压比增大，因而发生再结晶的组织所占面积增大，进而在单位面积内晶界的面积有所增加。
6.实验结论
进行固溶和挤压处理后，观察发现材料的组织发生不同程度的再结晶，通过力学测试和腐蚀试验证实，材料的综合力学性能及腐蚀性能有所提高。挤压比越大，材料发生再结晶的区域所占整体的比率越大，相应的屈服强度和抗拉强度也越大，塑性变化趋势为先增大后减小。同样，由于晶界面积随着挤压比的增大而增大，材料的耐腐蚀性也有所提高。
实习收获
从一个半小时磨一个样到一个小时磨6个样，实验就是熟能生巧。在熟悉的过程中，有失败重来，有巧合成功，无论哪种都少不了尝试和反思。老师可以告诉学生什么时候手要轻，可究竟什么是轻，轻到什么程度才是最好是老师无法告诉你的。很多时候，技巧难以以经验的形式传递，它需要你亲自尝试亲身体验才能锻炼出。
下面就是我这段时间做实验过程中的一些收获。
1．热处理
注意要点：由于实验用的炉温不高，所以热处理取样放样的时候并没有什么难度，只需稍加注意，确认炉门关紧即可。
2．样品的切割
注意要点：开始切割瞬间要柔和，整个过程力度要均匀。当切下的小样是所需的试样时，要控制最后的切割瞬间，尽量不要切割完全，留下些许作为连接最好。由于切割机的观察口不是很干净，所以除了观察以外还要注意连杆给的力度。
3．镶嵌
注意要点：时间短了镶嵌好的电木容易被敲碎。酚醛树脂粉放的太少，试样背面就不平了。不平虽然不会太影响实验，但平时置放的时候总归有些不稳。
4．研磨金相
注意要点：粗磨-细磨-粗抛-细抛——整个过程都有技巧。掌握好了技巧以后，打磨一个样品就变得轻松愉快了。又一次，就帮助其他实验组的同学磨了十来个样品，总共磨了1个半小时。那时，通过训练提高效率带给我的成就感已经超越了助人为乐的幸福感。
（1）最基本的一个原则，把上一层的刻痕全部去掉。判断标准就是平行于上一次的刻痕的方向上不再反光。
（2）大多数环节（尤其是细磨和粗抛的过程）都应先重后轻。先重的目的是快速的刻掉上一层的刻痕，后轻是希望不要留下太深的刻痕，为下一打磨过程做好铺垫。具体操作上，可以先在外圈刻（线速度大），后沿径向移动到靠近研磨盘圆心的位置（线速度小），或者轻轻的沿径向滑动划刻。
（3）细抛是最难控制的一步。首先，细抛对抛光盘的平整度要求高，如果抛光布面没有充分展平的话很容易抛的不均匀，甚至破坏前一步粗抛的成果。细抛忌手重，应当先短时间轻抛，清水冲洗，看看效果然后再决定是否需继续抛光，或者是否需要加力。相应的，时间上也要靠自己的经验来掌控。
（4）MgO悬浊液作为磨料的最后一步给样品带来光亮的表面，是我们最喜欢的一步。单面样品没有什么注意的要点，但是双面样品就不一样了。因为在磨一面的时候容易使暴露在外的另一面氧化，所以应该两面以一定频率交替进行研磨。但是频繁交换的过程中，如果不注意指甲很容易划伤样品表面。所以我“自创”了一种循序渐进的研磨法，姑且取名为“54321法”。具体操作就是先在一面（A面）抛50下，再换另一面（B面）抛50下；再A面抛40下，B面抛40下……以此类推，直到10下、8下、5下（之后可以自由发挥）。抛光次数多时的目的是为了抛掉细抛时留下的些微刻痕，后面次数少是为了尽可能去氧化。效果还是不错的，而且这样做还有一个好处，就是磨的时候，心里有数。
5．腐蚀
注意要点：腐蚀的成功与否决定于对腐蚀时间的经验性掌控。大致上，浸润苦味酸溶液时，在心中按照时钟节奏默数5下，再用清水洗净，接着用醋酸浸润3秒左右，再用分别清水、酒精冲洗，用吹风机风干。另外，新手在实验中容易出现的另一个问题，就是夹持样品的时候，样品容易滑脱木镊子。在加持力度适中的情况下，如果木镊和样品都比较干的话（可以用吹风机风干），这种情况是不容易发生的。
6．测量维氏硬度
注意要点：操作不难，但是调焦的过程很容易被忽略。周三（7月13日）时，测出的数据比较有问题，不知道是不是因为有个别的点我没有先调焦就测了。理论上，由于样品不是绝对平，在每个点打硬度之前都应该先对焦，这样的话，后面测量压痕时也能看的更准确清晰。
7．称量样品的质量
注意要点：称重实验没有难度，值得注意的是不要再称重前忘记对天枰进行调零处理（即“去皮”）。另外，由于仪器十分精密，测量时不宜将手撑在置放仪器的台面上，以免造成显数不稳定或者结果不准确。
8．制备SBF（Simulated Body Fluid， Hank’s Solution）
注意要点：计算所需配样的质量时要谨慎仔细。实验目标是制备可供使用5天的溶液量，即10L的SBF。实验过程中，采取用了1L超纯水将大烧杯里的原料进行了“预溶解”。此过程在一个超声波仪器清洗器中进行，要适量的伴随搅拌以加快溶解速度。确保没有沉淀颗粒后，用饮水机的水桶取8L水，将已溶解的1L水注入其中，再用1L水清洗大烧杯，同样注入水桶中。最后进行适当的摇动混合均匀，就配好了10L模拟体液。
9．耐腐蚀性能的测定
注意要点：由于要保证样品能完全充分的暴露在模拟体液中，所以需要制作结构合适的支架将样品托起，以减少样品和容器壁的接触。样品支架选用的是带有包衣的电线丝。在做支架的过程中章老师给我们提到了几个注意事项，现总结如下：
（1）支架的选择：为了保证金属丝不参与溶液反应，塑料包衣一定要完好。如果裸露金属与样品接触，则形成原电池，实验失败。
（2）支架的制作：支架的目的就是让样品能充分和溶液接触，故应在电线和样品“点接触”的前提下，保证样品各个表面充分暴露在溶液环境下。
10．其他细节
除了实验过程中的一些总结外，还有一些我们容易忽略的细节。通过跟实验室老师交流，我得知多数时候我们实验完后，都没有及时的对实验室进行清洁卫生的收尾工作。离开实验时，注意除了关灯、关空调电扇和一切仪器以外，记得清洗一下车布（音：浸有MgO的软布），为第二天实验提供一个更好的平台。我想这不单是一种好的实验习惯，同时也是一种好的生活作风。
通过这段时间的科研训练，我通过撰写实习日志，总结积累了一些实验操作过程中的注意事项；通过最终科研实习论文的撰写，加深了对这个项目的认识，同时也学习了查阅文献的方法，熟悉了正规论文撰写的格式要求。衷心感谢给予我这样一个参加生物镁合金力学性能和腐蚀性能的暑期科研项目实习机会的袁广银教授，指导我们进行科研学习以及实验操作的章晓波博士后以及和我并肩协作了一个多月，给过我许多帮助的陈晨忻同学和王学智同学。同时，也谢谢在金相实验室、腐蚀实验室、热处理实验室工作的实验老师及工作人员，没有他们的悉心指导和帮助，我们也很难完成这次的实验。