真空压力浸渗制备Csf/AZ91D复合材料的高温变形力学与组织演变行为研究

摘要

镁合金具有密度低、比强度与比刚度高、阻尼性能和电磁屏蔽性能好等优点，但作为结构材料其较低的弹性模量、硬度和耐磨性限制了其工程应用。镁基复合材料的出现弥补了镁合金性能的不足，其中高性能碳纤维增强镁合金复合材料以其高强度、高模量、高耐磨性和低热膨胀系数等优异性能，正逐渐成为航空航天、汽车和电子等行业最有希望采用的一种镁基复合材料。特别是短切碳纤维增强镁基复合材料因具有制备成本低、力学性能各向同性以及可进行二次加工等优点，已成为当前镁基复合材料的重要研究方向。但是为了获得镁基复合材料结构件一般还需对其进行二次成形，由于碳纤维增强镁基复合材料的延展性和塑性变形能力较差，给其制件的生产和应用带来较大困难。因此，为了改善短切碳纤维增强镁基复合材料塑性成形能力，有必要深入开展其高温塑性变形行为及其变形机理方面的研究。
　　本文在以下几个方面展开了研究：
　　采用湿法成形制备了性能优良的短切碳纤维预制体。考虑到镁合金液态下易燃、易蒸发的特点，设计开发了镁合金熔炼保护装置，采用真空压力浸渗法制备了体积分数15％的短切碳纤维增强镁基复合材料（Csf/AZ91D），为后续高温压缩变形试验奠定了基础，同时也为进一步优化Csf/AZ91D复合材料制备工艺提供了实验参考。
　　通过等温恒应变速率压缩试验研究了Csf/AZ91D复合材料在初熔点温度下的高温塑性变形行为。根据试验结果定量分析了复合材料流变应力随变形温度、变形量和应变速率的变化规律。通过与镁合金塑性变形行为的对比，分析了Csf/AZ91D复合材料大塑性变形中的应变软化机理。计算Csf/AZ91D复合材料应变速率敏感指数和表观变形激活能，分析了复合材料与镁合金高温塑性变形机理的差异。根据Csf/AZ91D复合材料高温压缩变形力学行为特征，建立了其高温流变力学本构方程，经验证能够较准确的预测复合材料在不同变形条件下的流变应力行为，为深入研究Csf/AZ91D复合材料在高温塑性变形过程中的塑性流动规律提供理论模型。
　　通过Csf/AZ91D复合材料变形前后的组织结构分析，发现高温压缩过程中短碳纤维存在明显的偏转和部分折断现象，并分析了复合材料中短碳纤维对基体动态再结晶行为的影响。经Image-Pro Plus图像处理软件测量统计了不同变形条件下复合材料基体合金晶粒的平均尺寸，发现复合材料基体动态再结晶晶粒尺寸随变形温度的降低和应变速率的增加呈现出逐渐减小的变化规律。为后续研究并建立Csf/AZ91D复合材料动态再结晶的本构模型提供实验基础。
　　本文研究结果为掌握Csf/AZ91D复合材料高温塑性变形力学行为与组织演变规律提供理论参考，同时对非连续增强金属基复合材料高温成形工艺研究也有一定的参考价值。