镁基颗粒增强材料力学行为及其强化机制研究

摘要

随着汽车、飞机等交通工具的全面普及，能源紧缺和环境污染的问题开始突显。为降低能源消耗及污染排放量，汽车及航空工业均关注着新型轻质结构材料的开发及应用，以便减轻各交通工具整体的重量节省油耗。而镁作为最轻质且具有较高比强度的结构材料，在减轻重量方面比铝更有优势。然而，由于较低的可塑性和绝对强度，镁作为结构材料的商业应用一直受到限制。近年来，随着颗粒增强复合材料的兴起，以镁、铝为基体的颗粒增强复合材料因相对较轻的特性再次受到广泛关注；同时，科研界也更加注重研究镁、铝等轻金属复合材料的制备和强化方法，以及存在的各种问题。然而，要从本质上解决颗粒增强复合材料的问题，不仅要认识增强颗粒在金属基中的普遍效应，还需要了解增强颗粒的形成方式、形貌以及尺寸等等对特定金属基的微观结构和力学性能的影响。而本论文的研究重点就是镁基材料中的固溶合金元素、原位合成颗粒以及外部掺杂颗粒对材料微观结构及不同应变率压缩载荷下力学行为的影响。本文针对以上所述研究目的，选取了三类相应镁基材料作为研究对象：含固溶态钇原子的镁-钇二相合金、具有纳米级原位合成金属化合物颗粒的多相镁合金以及纳米碳化硅颗粒增强的镁基颗粒增强复合材料。针对以上三类镁基材料，分别研究了其微观结构、力学表现以及相应的变形机理，并且讨论了不同增强相的作用及影响。另外，针对镁合金在动态加载过程中出现的绝热剪切断裂现象，还研究并讨论了绝热剪切带形成的条件和内在机制。
　　本研究主要内容包括：⑴固溶钇原子的存在阻碍了镁基晶粒内部的位错运动，并且抑制了晶粒边界的移动与扩张。因此，导致镁钇二相合金试样经过常温大塑性变形后内部残留较大内应力，即无法实现完全动态恢复或重结晶过程；而在同样条件下，纯镁试样则呈现出经过彻底动态恢复或重结晶的晶粒结构状态。因此，在准静态及动态压缩加载下，镁钇合金表现出比纯镁更弱的压缩断裂应变。该研究结果促使人们重新认识并研究钇元素提高镁合金塑性的内在机理。⑵通过极速冷却镁合金熔融液滴的方式制备的镁合金粉末，经过热挤压过程可以析出纳米级金属化合物颗粒；此类原位合成颗粒分布均匀且与镁基体结合较强，不仅在热挤压过程中阻止镁基重结晶核的增强以细化镁合金晶粒结构，更在材料因外载何产生塑性变形过程时阻碍位错移动达到强化效果。⑶随着微米级碳化硅颗粒体积含量的增加，镁基颗粒增强复合材料的强度进一步提高；然而对于纳米碳化硅颗粒，当其含量增加到一定程度，其对镁基的强化效果开始被细化晶粒带来的反Hall-Petch关系抵消，即强度开始出现“饱和”或下降；对于纳米碳化硅颗粒，这个含量大致在10~15 vol%之间。但是，总体来说纳米级陶瓷颗粒对镁基的强化效应要高于微米级陶瓷颗粒，并且这种强化优势在动态载荷下更加显著。⑷相比较原位合成颗粒，外部掺杂颗粒具有尺寸、体积含量等可控以及增强颗粒选择更广的优势；然而受到分散不彻底、与基体结合力弱、容易在晶界聚集等因素的影响，外部掺杂颗粒增强的金属基复合材料普遍具有疲劳强度不高和可塑性低的特点。经本研究证实，高能低温球磨也许对解决颗粒分布不均与在晶界聚集现象有一定帮助；另外，对颗粒表面进行涂层处理，也许可以解决颗粒与基体结合力弱的问题。⑸多相镁合金在动态压缩加载条件下表现出了局部应变集中现象；本论文提出应变硬化率随应变的一次导数出现负值是引起镁等强应变硬化材料出现应变集中的主要原因，而材料微观变形机制的局部差异及改变引起的局部应变不均匀是最终导致宏观应变失稳的根本原因。模拟结果显示镁合金在动态高应变率加载下，其材料变形过程可认为处于无热交换状态，即绝热或隔热状态；而绝热条件维持了局部温升环境并加剧应变集中现象，最终产生绝热剪切带并在该区域形成极高的温度环境，导致断裂面呈现出浆糊状和熔化现象。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 镁合金的发展历史

1.3 镁基材料研究现状

1.4 绝热剪切破坏的研究进展

1.5 选题背景及意义

1.6 本文组织结构及研究内容

第二章 材料制备和实验方法

2.1 材料制备

2.2 力学性能实验

2.3 微观组织分析

2.4 本章小结

第三章 镁及镁-钇二相合金

3.1 等径通道挤压镁及镁-钇合金的微观组织

3.2等径通道挤压镁及镁-钇合金的力学行为

3.3断裂试样的扫描电镜表征

3.4钇对镁合金变形机制的影响

3.5 本章小结

第四章 新型镁基多相合金

4.1 AMX602的微观结构及力学性能

4.2 AZXE7111的微观结构及力学性能

4.3多相镁合金变形机制及原位颗粒的作用

4.4 本章小结

第五章 镁基陶瓷颗粒增强复合材料

5.1 SiC增强镁基复合材料的微观组织结构

5.2 SiC增强镁基复合材料的力学性能

5.3 加载试样的断裂面观察

5.4 SiC颗粒对微观组织的影响及其强化机制

5.5 本章小结

第六章 不同杂质相的影响及绝热剪切带的形成

6.1 不同杂质相在镁基材料中的作用

6.2 镁基材料中绝热剪切带的形成

6.3 本章小节

第七章 全文总结及展望

7.1 全文工作总结

7.2 本文的主要创新点

7.3 未来研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

附录 A

附录 B

声明