不同尺寸SiCp增强AZ31B镁基复合材料的制备及组织性能

摘要

为了满足航天航空领域对金属材料轻质、高性能的需求，本文设计并制备了（亚微米+纳米）双尺寸、（微米+纳米）双尺寸以及（微米+亚微米+纳米）多尺寸 SiCp/AZ31B镁基复合材料，并对制备的复合材料进行了热挤压变形。系统的研究了不同尺寸颗粒之间的组合方式、组分及空间排布对铸态及挤压态复合材料的组织及力学性能的影响，阐明了不同体系 SiCp/AZ31B复合材料的增强原因。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了颗粒参数对基体显微组织的影响原因，分析了不同尺寸颗粒对再结晶的影响规律。根据获得的显微组织分析结果，研究了不同体系颗粒对复合材料力学性能的影响，揭示了不同体系复合材料的室温拉伸机制及增强机理。
　　（亚微米+纳米）双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的研究结果表明，本文通过探索超声波处理时间和搅拌铸造工艺参数获得了可以制备该体系复合材料的最优工艺：半固态搅拌温度为625℃，半固态搅拌速率为1500rpm/min，搅拌时间为15min，超声处理时间为20min。铸态复合材料中双尺寸颗粒主要分布于晶界上，纳米颗粒主要分布于微米颗粒的周围，且纳米颗粒的分散均匀性将随着微米颗粒含量的增加而得到改善。热挤压不仅可以细化基体组织，而且还可以改善颗粒的分布，进而提高材料的综合性能。热挤压过程中双尺寸颗粒可以通过阻碍位错运动使位错在它们周围塞积，有助于促进基体的再结晶形核，同时双尺寸颗粒的存在还将阻碍晶界迁移，从而显著细化基体组织。热挤压后双尺寸复合材料中亚微米颗粒含量较低时纳米颗粒的分布主要以带状和均匀分布的混合分布模式为主，而随着微米颗粒含量的增加双尺寸颗粒的分布都变得较为均匀。挤压态N-1+M1-4和N-1+M0.5-4复合材料的力学性能较为理想，与相同条件下热挤压后AZ31B合金和单尺寸复合材料相比，双尺寸SiCp的加入导致复合材料的屈服强度和抗拉强度均获得显著提高。理论计算和试验对比分析表明当前双尺寸复合材料的主要增强机制为细晶强化和热错配强化。
　　（微米+纳米）双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的研究表明，通过组分优化试验获得了双尺寸颗粒的分布较为均匀且力学性能最佳的N-1+M10-14和N-1+M5-14复合材料。组织分析结果表明，热变形过程中微米颗粒可以在其周围形成畸变程度较大的颗粒变形区，从而促进基体的再结晶形核，同时纳米颗粒还可以通过钉扎晶界作用有效的细化基体组织。随着微米颗粒含量的增加，将增加颗粒变形区的数量，基体晶粒尺寸减小，复合材料的强度增加，同时微米颗粒含量的增加还有助于均匀分散纳米颗粒，使得纳米颗粒的分布得到很好的改善。室温拉伸过程中，位错在微米 SiCp附近塞积，导致颗粒附近的位错密度增加，有助于改善复合材料的抗拉强度。在外加载荷作用下，微米 SiCp端部易产生应力集中萌生微裂纹，而纳米颗粒同基体界面结合较好，无微裂纹产生。
　　（10μm+1μm+60nm）多尺寸复合材料的增强效果要优于（10μm+1μm）双尺寸复合材料，并且10μm、1μm和60nm的体积比为10：4：1时，复合材料的力学性能最高。热变形过程中10μm颗粒可以在其周围形成颗粒变形区，该区域的形成有助于促进基体再结晶形核；1μm颗粒可以通过阻碍位错运动和变形不匹配作用增加其周围的位错密度，从而有效促进基体的再结晶形核；纳米颗粒的存在可阻碍晶界迁移，抑制或延缓再结晶晶粒进一步长大，从而有效的细化基体组织。挤压态复合材料中不同尺寸的颗粒的分布都得到了显著的改善，且它们都是沿着挤压方向形成定向排布。多尺寸复合材料的增强机制中，位错强化和细晶强化作用对多尺寸复合材料屈服强度的贡献最为显著。相比于1μm颗粒和60nm颗粒，室温拉伸过程中10μm颗粒的尖端处存在有较为集中的外加应力而优先萌生微裂纹，随后这些微裂纹将会沿着弱界面迅速传播，同时1μm颗粒和纳米颗粒的存在将会对裂纹的扩展具有一定的阻碍作用。随着外加载荷的不断增加，微裂纹前端的10μm颗粒的近界面处应力更加集中，进而产生新的裂纹源和微裂纹，待这些裂纹贯穿整个基体后，最终将会导致材料断裂。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 金属基复合材料的制备工艺和方法研究

1.3 不同尺寸颗粒增强的金属基复合材料的研究现状

1.4 颗粒参数对变形态复合材料中基体组织的影响

1.5 不同变形方式对增强体空间排布的影响

1.6 增强体空间排布对变形态基体组织的影响

1.7 颗粒与基体界面研究

1.8 复合材料的断裂行为及增强体的作用机理的探讨

1.9 本文研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1多尺寸SiCp增强的AZ31B镁基复合材料的原材料

2.2 SiCp/AZ31B镁基复合材料的制备及挤压

2.3 试验方法

第3章 (1μm或0.5μm+60nm)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的组织性能

3.1 引言

3.2制备工艺参数对复合材料组织与性能的影响

3.3 (1μm+60nm)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的组织性能

3.4 (1μm或0.5μm+60nm)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的热挤压

3.5 (1μm或0.5μm+60nm)双尺寸颗粒对基体组织的影响机制

3.6 (1μm或0.5μm+60nm)双尺寸SiCp的空间排布及其对基体组织的影响

3.7 双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的增强机制探讨

3.8 (1μm或0.5μm+60nm) 双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的断裂机制研究

3.9 (1μm或0.5μm纳米)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的室温断裂过程

3.10 本章结论

第4章 (10μm或5μm+60nm)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的组织性能

4.1 引言

4.2 (10μm +60nm)双尺寸SiCp对基体组织的影响

4.3 (5μm+60nm)双尺寸SiCp对基体组织的影响

4.4 (10μm或5μm+60nm)SiCp对基体组织的影响机制探讨

4.5 (10μm或5μm+60nm)双尺寸SiCp的空间排布及其对基体组织的影响机制探讨

4.6 双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的力学性能增强机制探讨

4.7 (10μm+60nm)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的断裂机制

4.8 (10μm+60nm)双尺寸SiCp/AZ31B复合材料的室温断裂过程研究

4.9 本章结论

第5章 多尺寸碳化硅颗粒增强的镁基复合材料的组织性能

5.1 多尺寸SiCp增强的镁基复合材料的组织与性能

5.2 多尺寸SiCp对AZ31B基体组织的影响规律

5.3 多尺寸颗粒的空间排布及其对基体组织的影响

5.4 多尺寸SiCp增强的镁基复合材料的增强机制

5.5多尺寸SiCp增强的镁基复合材料的断裂机制

5.6 多尺寸SiCp增强的镁基复合材料的室温断裂过程

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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