原位亚微米颗粒增强Al-Mg-Si-O系复合材料及其超塑性研究

摘要

本文采用熔体直接反应法结合高速剪切分散工艺，以亚微米SiO2颗粒与Al-Mg-Si合金熔体反应制备了原位亚微米颗粒增强Al-Mg-Si-O系复合材料，系统分析了复合材料的反应过程及反应产物，研究了SiO2颗粒添加量、T6热处理及多向锻造(MF)变形对复合材料显微组织及拉伸性能的影响，并通过单向高温拉伸试验研究了复合材料的超塑性。亚微米SiO2颗粒与Al-2.53Mg-1.47Si熔体合金原位反应生成亚微米MgAl2O4增强颗粒，基体则由α-Al、Mg2Si及Si相组成。SiO2颗粒的添加对基体中α-Al具有细化作用。SiO2添加量较少时(≤1 vol.％)，α-Al枝晶细化效果明显，晶界处仅存在少量MgAl2O4团聚。但随着SiO2添加量的进一步增加，晶界处MgAl2O4团聚逐渐增多，α-Al枝晶并未进一步明显细化。添加1vol.%SiO2所制备复合材料中α-Al枝晶尺寸较小，MgAl2O4团聚较少，显微组织最优。T6热处理可有效改善复合材料中Mg2Si相的形貌。经过T6热处理后，晶界处网状分布的Mg2Si变为细小球状、椭球状，最大尺寸约为8μm。多向锻造则可促使Mg2Si颗粒均匀分布于基体中，同时使晶界处亚微米MgAl2O4团聚得到一定程度改善。随着SiO2颗粒添加量的提高，复合材料的抗拉强度增大，伸长率减小。相较于Al-2.53Mg-1.47Si合金，SiO2添加量为0.5、1、2、3 vol.%时复合材料抗拉强度依次提高了9.2%、18.4%、23.7%和26.1%，伸长率则依次降低了6.5%、12.4%、32.8%和59.5%。经T6热处理及多向锻造后，添加1 vol.%SiO2所制备的复合材料伸长率可达19.83%，较铸态时提高313.9%，断裂方式也由铸态时的脆韧混合断裂转化为完全韧性断裂。
　　本研究以不同变形条件对T6+MF态1vol.%SiO2复合材料进行高温拉伸试验表明：随着温度升高、应变速率降低，变形最大真应力值减小，伸长率增大。在560℃，10-4 s-1条件下复合材料的伸长率可达126%。特征参数m值随温度提高而增大，试验温度范围内m值均小于0.3，但进一步升高温度，m值可能继续增大。特征参数Q值远大于Al的自扩散激活能，可推断这是高温拉伸过程中动态再结晶所引发的晶界滑动变形机制在起作用。复合材料高温拉伸断口主要由韧窝构成，呈延性断裂特征。韧窝尺寸及形貌随温度降低与应变速率增大而逐渐变小变浅。断裂过程中发生了空洞的形核、长大与连接。空洞多形成于晶界不规则处，随着高温变形的进行，空洞尺寸不断增大，空洞长大机制也由扩散控制逐渐转变为应变控制为主。

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第一章 绪论

1.1选题背景

1.2原位PRAMCs概述

1.3超塑性综述

1.4 PRAMCs超塑性

1.5课题研究内容

第二章试验材料及试验方法

2.1试验材料及反应体系设计

2.2试验主要设备

2.3材料分析测试方法

第三章复合材料组织及性能

3.1引言

3.2复合材料的制备及加工工艺

3.3复合材料相组成及反应过程热力学分析

3.4复合材料微观组织研究

3.5复合材料常温拉伸性能研究

3.6本章小结

第四章复合材料超塑性研究

4.1引言

4.2高温拉伸真实应力-应变曲线特征分析

4.3特征参数m值分析

4.4特征参数Q值分析

4.5高温拉伸断口形貌及断裂机制分析

4.6本章小结

第五章主要结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文