SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的合成机理及拉伸力学性能研究

摘要

镁基复合材料因具备轻质高强等诸多优异特性，在航空航天、汽车工业及电子产品等领域具有广阔的应用前景。然而，其在工业上的广泛应用仍然受到强度有限以及损伤耐受性低的限制。添加高体积分数的陶瓷纳米颗粒可以有效提升镁基纳米复合材料的强度，但是材料的塑性将严重降低。为了改善金属基复合材料的强韧性匹配关系，研究人员提出了一系列本征和非本征的解决方法。一种可行的途径是通过改变金属基复合材料中增强相的空间分布，以及调控金属基体晶粒尺寸的多尺度分布，人为构造出具有非均匀结构的金属基复合材料。　　本文通过高能球磨和真空热压烧结技术制备出具有较高强韧性能的SiCp/Mg非均匀纳米复合材料。分别以球磨时间、纳米增强相含量、增强相颗粒尺寸和热挤出比为变量，对制备得到的镁基非均匀纳米复合材料的微观组织、准静态压缩和拉伸力学性能进行测试分析，重点研究了材料复合过程中非均匀结构的形成以及工艺、微观结构与拉伸性能之间的关系，主要研究内容与结果如下：　　1．通过传统的粉末冶金方法制备得到致密的SiCp/Mg非均匀纳米复合材料，并通过XRD、EDS、EBSD和SEM对得到的粉体及块体材料进行表征，定性解释了SiCp/Mg非均匀纳米复合材料中非均匀结构的形成过程，确定SiCp/Mg非均匀纳米复合材料由弥散分布的软相(纯镁)和连续分布的硬相(SiC增强纯镁)组成，并且镁基体的晶粒尺寸具有多尺度分布的特征。　　2．对不同实验条件下制备得到的SiCp/Mg非均匀纳米复合材料进行了准静态压缩测试。结果表明：相比于纯镁，SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的压缩力学性能得到全面提升，并且还可以通过增加球磨时间、提高纳米SiC含量、降低SiC颗粒尺寸和增大热挤出比来进一步提升SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的压缩力学性能。　　3．对不同实验条件下制备得到的SiCp/Mg非均匀纳米复合材料进行了准静态拉伸测试。结果表明：热挤出变形加工能有效改善SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的力学性能，降低SiC纳米颗粒的尺寸能有效改善SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的强韧性。其中通过10nmSiC增强的5vol.%SiCp/Mg非均匀纳米复合材料具有最优的综合拉伸力学性能，其拉伸屈服强度、抗拉强度和失效应变分别达到了265MPa、300MPa和13.18%。由于具备特殊的非均匀结构，SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的变形模式与传统金属基复合材料存在很大的不同，“高强低韧”的硬相与“低强高韧”软相之间的协同变形使得SiCp/Mg非均匀纳米复合材料能够在提高强度的同时又具有良好的韧性。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 均匀分布镁基纳米复合材料研究进展

1.3 非均匀分布镁基纳米复合材料研究进展

1.3.1 非均匀材料研究现状

1.3.2 非均匀金属基复合材料研究现状

1.3.3 非均匀分布镁基纳米复合材料的力学性能

1.4 镁基复合材料的制备方法

1.4.1 粉末冶金法

1.4.2 搅拌铸造法

1.4.3 挤压铸造法

1.4.4 原位合成法

1.5 本文主要研究内容

第2 章实验材料和实验方法

2.1 实验原材料

2.2 非均匀纳米复合材料的制备

2.2.1 复合粉体制备

2.2.2 块体复合材料制备

2.2.3 块体复合材料的热挤出加工

2.3 非均匀镁基纳米复合材料的表征

2.3.1 X射线衍射仪(XRD)

2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)

2.3.3 电子背散射衍射(EBSD)

2.4 非均匀镁基纳米复合材料的力学性能测试

2.4.1准静态压缩力学性能测试

2.4.2 准静态拉伸力学性能测试

2.5 本章小结

第3 章非均匀结构的构筑方法

3.1 引言

3.2 SiCp/Mg复合粉体表征

3.2.1 球磨过程中复合粉体的形态演变

3.2.2 复合粉体超薄切片

3.2.3 复合粉体演化模型

3.3 SiCp/Mg非均匀纳米复合材料组织结构分析

3.3.1 物相分析

3.3.2 微观结构分析

3.3.3 热挤出加工与组织演变

3.4 本章小结

第4 章 SiCp/Mg 非均匀纳米复合材料的微观结构与力学性能

4.1 引言

4.2 SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的组织结构分析

4.2.1 球磨时间对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料组织结构的影响

4.2.2 颗粒含量对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料组织结构的影响

4.2.3 颗粒尺寸对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料组织结构的影响

4.2.4 挤出比对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料组织结构的影响

4.3 SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的压缩力学性能

4.3.1 球磨时间对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料压缩力学性能的影响

4.3.2 颗粒含量对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料压缩力学性能的影响

4.3.3 颗粒尺寸对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料压缩力学性能的影响

4.3.4 热挤出对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料压缩力学性能的影响

4.4 SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的拉伸力学性能

4.4.1 球磨时间对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料拉伸力学性能的影响

4.4.2 颗粒含量对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料拉伸力学性能的影响

4.4.3 颗粒尺寸对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料拉伸力学性能的影响

4.4.4挤出比对SiCp/Mg非均匀纳米复合材料拉伸力学性能的影响

4.4.5 断口分析

4.5 SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的拉压不对称性

4.6 SiCp/Mg非均匀纳米复合材料的强韧化机理分析

4.7 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果