固相回收颗粒增强镁基复合材料SiCp/ZK60制备及性能研究

摘要

镁合金是目前工程应用中最轻的金属材料之一，其中80％以上可再生利用，被誉为“绿色金属材料”。但目前由于镁合金制备成品时会产生大量废料，导致利用率较低。因此，深入开展镁合金再生技术及其性能研究具有重要的理论意义和实践价值。
　　本课题采用固相合成方法将ZK60镁合金屑与SiC陶瓷颗粒通过等温挤压（一次挤压、二次挤压及往复挤压）制备SiCp/ZK60镁基复合材料。采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、显微硬度计和力学性能试验机对SiCp/ZK60的微观组织、显微硬度、断口形貌和力学性能进行了研究。采用腐蚀失重法、电化学测试方法研究SiCp/ZK60的腐蚀行为;在温度为360～450℃、应变率为0.001～1s-1的变形条件下，采用热模拟机研究固相回收SiCp/ZK60的高温变形行为。
　　试验结果表明，SiCp/ZK60复合材料中的SiC颗粒在挤压过程中发生破碎，增加晶界畸变能，为再结晶过程提供能量条件，组织晶粒尺寸发生细化，以添加量为5％～8％获得的晶粒细化效果最佳。不同的挤压工艺，一次挤压的改善效果最佳。SiC颗粒能显著提高SiCp/ZK60复合材料的室温抗拉强度和屈服强度，但对塑性不利。SiC颗粒在SiCp/ZK60复合材料中呈流线形沿挤压方向富集分布;SiC颗粒能使SiCp/ZK60复合材料晶粒尺寸发生不同程度的细化。挤压后热处理能显著提高SiCp/ZK60的伸长率
　　针对SiCp/ZK60镁基复合材料的腐蚀性能研究表明:在腐蚀溶液为ω(NaCl)=3.5％的NaCl溶液中，SiCp/ZK60复合材料的腐蚀速率随浸泡时间延长，先增大、后减少，并在浸泡时间24h时达到峰值。腐蚀前期SiCp/ZK60主要发生局部腐蚀，有较深的点蚀坑且分布无方向性，呈网状扩展。腐蚀后期，基体腐蚀加深，导致增强相SiC颗粒的剥落，形成较大的坑洞。SiCp/ZK60的腐蚀速率随SiC颗粒体积分数的增大而增大;大量SiC颗粒的不均匀存在，导致β(MgZn)相不均匀分布在基体上，β相周围分布的α-Mg基体相被优先腐蚀，导致β相剥落;伴随着腐蚀程度的加深，SiC颗粒逐渐剥落。SiC颗粒对SiCp/ZK60的阳极溶解过程影响较小，能有效地促进阴极析氢过程，加速SiCp/ZK60的腐蚀过程。SiC颗粒不与ZK60基体直接构成微电偶，但是SiC颗粒的加入改变了SiCp/ZK60的显微结构从而提高了腐蚀速度。
　　采用热模拟机研究SiC/ZK60复合材料的高温变形行为。固相回收SiCp/ZK60复合材料热压缩变形时，流变应力的大小由变形温度的高低和变形速率的快慢共同决定。当变形温度不变时，流变应力的变化与应变速率的变化成正相关;当应变速率不变时，流变应力的变化与变形温度的变化成正相关。在此试验条件下，固相回收SiCp/ZK60镁基复合材料高温变形时的应力指数为3.348，激活能为64.97kJ/mol，应力模型为ε=4.49×104[sinh(0.051σ)]3.348 exp(-64970/RT);在应变速率为0.001～1s-1和变形温度为360～450℃条件下，固相回收SiC/ZK60复合材料压缩变形的流变应力模型，可用Zener-Hollomon参数型双曲线函数形式表述。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 镁及镁合金废料

1．1．1 镁及镁合金类型

1．1．2 镁合金废料的产生

1．1．3 镁合金废料回收现状

1．2 镁合金再生方法

1．2．1 镁合金的液态回收技术

1．2．2 镁合金的固态回收技术

1．3 镁基复合材料制备工艺及研究现状

1．3．1 镁基复合材料的制备工艺

1．3．2 固相回收颗粒增强镁基复合材料的国内研究现状

1．3．3 固相回收颗粒增强镁基复合材料的国外研究现状

1．3．3 固相回收颗粒增强镁基复合材料的国外研究现状

1．4 选题意义及主要研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2．1 试验材料

2．2 技术路线图

2．3 试验设备和工艺过程

2．3．1 ZK60的熔炼

2．3．2 镁屑的制备及混料

2．3．3 坯料的制备

2．3．4 一次挤压制备SiCp／ZK60镁基复合材料

2．3．5 二次挤压制备SiCp／ZK60镁基复合材料

2．3．6 往复挤压制备SiCp／ZK60镁基复合材料

2．3．7 SiCd／ZK60镁基复合材料的热处理工艺

2．4 力学性能测试和显微组织分析

2．4．1 拉伸性能及显微硬度测试

2．4．2 显微组织及断口形貌

2．5 腐蚀性能研究

2．5．1 腐蚀介质与试验环境

2．5．2 静态失重试验

2．5．3 电化学试样制备

2．5．4 电化学试验

2．5．5 腐蚀形貌分析

2．6 高温压缩性能测试

2．7 本章小结

第3章 SiCp／ZK60镁基复合材料组织结构及力学性能

3．1 引言

3．2 SiCp／ZK60的组织结构

3．2．1 增强相体积分数对组织的影响

3．2．2 颗粒尺寸对组织的影响

3．2．3 固溶处理对一次挤压SiCp／ZK60组织的影响

3．2．4 固溶处理对二次挤压和往复挤压SiCp／ZK60组织的影响

3．3 SiCp／ZK60的强度性能

3．3．1 一次挤压SiCp／ZK60的抗拉强度

3．3．2 二次挤压SiCp／ZK60的抗拉强度

3．3．3 往复挤压SiCp／ZK60的抗拉强度

3．3．4 热处理后SiCp／ZK60的抗拉强度

3．4 SiCp／ZK60的断口形貌

3．5 本章小结

第4章 SiCp／ZK60镁基复合材料的腐蚀行为

4．1 引言

4．2 腐蚀失重

4．3 动电位极化曲线

4．4 电化学阻抗测试

4．5 腐蚀形貌分析

4．7 本章小结

第5章 挤压态SiCp／ZK60热模拟流变行为研究及本构方程建立

5．1 引言

5．2 SiCp／ZK60镁基复合材料的热压缩变形真应力-应变曲线

5．2．1 不同应交速率的真应力-真应变曲线

5．2．2 不同变形温度下的真应力-真应变曲线

5．2．3 不同SiC颗粒尺寸的真应力-真应变曲线

5．3 本构模型的建立

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文