细晶双尺寸SiCp/AZ91镁基复合材料的组织稳定性以及高温变形行为研究

摘要

针对镁合金模量低、耐磨性差等缺点，本文通过搅拌铸造工艺和热变形工艺制备出晶粒细小的（亚微米+微米）双尺寸SiCp/AZ91镁基复合材料。通过与AZ91合金和（亚微米/微米）单一尺寸SiCp/AZ91镁基复合材料对比，研究了双尺寸SiCp对镁基体高温组织稳定性的影响规律。在此基础上，系统研究了细晶双尺寸SiCp/AZ91复合材料高温变形后的微观结构和力学性能，揭示了双尺寸SiCp对细晶镁基复合材料高温变形行为的影响机制。
　　研究结果表明，热处理后SiCp/AZ91复合材料的显微组织取决于热处理温度及时间。当t≤320℃时，复合材料基体以晶粒长大为主;当t≥370℃时，微米SiCp周围发生静态再结晶。随着时间的延长，复合材料基体晶粒长大。亚微米和微米SiCp均可提高SiCp/AZ91复合材料的高温组织稳定性。然而与AZ91合金及单一尺寸SiCp/AZ91复合材料相比，双尺寸SiCp的加入可进一步提高镁合金基体的高温组织稳定性。热处理后，微米SiCp周围形成热稳定的亚微米SiCp聚集区，可显著提高复合材料的高温组织稳定性。
　　为精确描述细晶S-1+M-9复合材料高温变形过程中流变应力与应变速率之间的关系，本研究分别采用三种本构方程（幂、指数以及双曲正弦本构方程）计算复合材料在不同变形条件下的流变应力并与试验测量值对比以确定具有最小误差的本构方程。结果表明，幂本构方程在较宽应力范围内可精确描述细晶双尺寸SiCp/AZ91复合材料在高温变形过程中流变应力与应变速率之间的关系，指数本构方程和双曲正弦本构方程分别在低应力水平和高应力水平范围出现显著误差。对变形激活能的计算表明，细晶双尺寸SiCp/AZ91复合材料的变形激活能随变形温度和应变速率的增大而增大。根据对变形激活能以及应力指数分析可知，在应变速率为0.001s-1时，复合材料的变形机制为晶界扩散控制的位错攀移机制;在应变速率为0.01-1s-1时，复合材料的变形机制为位错攀移机制。通过对比细晶AZ91合金、S-1、M-10及S-1+M-9复合材料发现，单一尺寸SiCp的加入可降低变形激活能，而双尺寸SiCp的加入则可在提高变形激活能的同时导致变形机制由位错滑移转变为位错攀移。
　　通过绘制加工图并结合对变形组织及试样宏观形貌的观察可得出细晶双尺寸SiCp/AZ91复合材料最佳变形参数为（270-320℃/0.001-0.1s-1），在该区域内变形时动态再结晶会发生以改善变形组织、稳定流变应力从而提高可加工性。流变失稳区主要集中于低温高速区域(270-395℃/＞0.1s-1)和高温低速区域（407-420℃/0.001-0.01s-1）;主要的失稳机制为局部流变和宏观裂纹。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 颗粒增强镁基复合材料的研究现状

1．3 颗粒增强镁基复合材料的制备方法

1．3．1 熔体浸渗法

1．3．2 粉末冶金法

1．3．3 原位反应自生增强法

1．3．4 摩擦搅拌法

1．3．5 搅拌铸造法

1．4 颗粒增强镁基复合材料的高温变形工艺

1．4．1 锻造

1．4．2 挤压

1．4．3 轧制

1．5 细晶镁合金高温组织稳定性研究现状

1．6 颗粒增强镁基复合材料的再结晶行为

1．6．1 镁合金的再结晶机制

1．6．2 再结晶的影响因素

1．7 本文研究内容

第二章 试验材料与研究方法

2．1 试验材料

2．1．1 基体合金

2．1．2 增强相

2．2 复合材料制备及热变形

2．3 细晶复合材料组织稳定性测试

2．4 细晶复合材料高温压缩

2．5 研究方法

2．5．1 光学显微组织观察

2．5．2 扫描电镜组织观察

2．5．3 显微硬度测试

第三章 细晶SiCp／AZ91复合材料的组织稳定性

3．1 引言

3．2 细晶SiCp／AZ91复合材料的原始组织

3．3 细晶单尺寸SiCp／AZ91复合材料热处理后显微组织

3．4 细晶双尺寸SiCp／AZ91复合材料热处理后显微组织

3．4．1 热处理温度对双尺寸SiCp／AZ91复合材料显微组织的影响

3．4．2 热处理时间对双尺寸SiCp／AZ91复合材料显微组织的影响

3．5 细晶双尺寸SiCp／AZ91复合材料晶界扩展激活能的分析计算

3．5．1 晶界扩展激活能的计算

3．5．2 晶界迁移机制的分析

3．6 SiCp对细晶镁合金基体高温组织稳定性的影响机理

3．6．1 SiCp对热处理后显微组织的的影响

3．6．2 SiCp对复合材料热处理后力学性能的影响

3．6．3 SiCp对晶界扩展激活能的影响

3．7 本章小结

第四章 细晶SiCp／AZ91镁基复合材料的高温变形行为

4．1 引言

4．2 细晶双尺寸SiCp／AZ91复合材料变形组织

4．2．1 变形温度对SiCp／AZ91复合材料变形组织的影响

4．2．2 应变速率对SiCp／AZ91复合材料变形组织的影响

4．3 细晶双尺寸SiCp／AZ91复合材料的高温压缩应力-应变曲线

4．3．1 变形温度对SiCp／AZ91复合材料高温压缩曲线的影响

4．3．2 应变速率对SiCp／AZ91复合材料高温压缩曲线的影响

4．4 高温压缩变形激活能及变形机制

4．4．1 本构关系的确立

4．4．2 高温变形激活能的计算

4．4．3 复合材料的高温变形机制分析

4．5 SiCp对细晶镁合金基体变形行为影响机理探讨

4．5．1 SiCp对SiCp／AZ91复合材料变形组织的影响

4．5．2 SiCp对SiCp／AZ91复合材料高温压缩曲线的影响

4．5．3 SiCp对SiCp／AZ91复合材料高温变形机制的影响

4．6 本章小结

第五章 细晶SiCp／AZ91复合材料的可加工性表征

5．1 引言

5．2 加工图理论及其应用

5．3 细晶双尺寸SiCp／AZ91复合材料的加工图

5．3．1 稳定区域

5．3．2 失稳区域

5．3．3 适于变形加工区域

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果