多次循环塑性变形制备镁基复合材料组织及性能的研究

摘要

金属间化合物Mg2Si具有高熔点(1085℃)，低密度(1.99×103kgm-3)，高弹性模量(120GPa)，高压缩强度(1640MPa)，低膨胀系数(7.5×10-6K-1)，作为增强相广泛的应用于高性能镁合金的研究中。本文采用多次循环塑性变形方法制备了原位自生Mg2Si增强镁基复合材料。原位自生的Mg2Si增强相具有颗粒细小，表面洁净，与基体界面结合强度高等特点。采用金相显微镜、SEM(扫描电镜)、XRD(X射线衍射)、EDS(能谱分析)和DSC(热分析仪)等检测分析手段，对复合材料的组织和性能以及断口形貌进行了分析，并讨论了复合材料的强化机理。
　　 多次循环塑性变形技术从两方面对复合材料起到了强化作用：第一，多次循环塑性变形可有效的细化及均匀分散增强相Mg2Si，而且塑性变形次数越多，效果越好；第二，多次循环塑性变形可细化复合材料基体晶粒尺寸，随着塑性变形次数的增加，基体合金的晶粒尺寸明显减小，当塑性变形次数为200次时，晶粒最细小，其平均晶粒尺寸为1.8μm，较未经多次循环塑性变形的样品减小了81.6％，之后随着多次循环塑性变形次数的增加，晶粒有长大的趋势。通过对不同Mg2Si含量的复合材料组织的观察发现，Mg2Si含量较高时，为使其细化及均匀分散需要配合的塑性变形次数也较多。最终结果为：当塑性变形次数为200次，Mg2Si含量为8.1wt％时，力学性能最佳，抗拉强度为394MPa，屈服强度为363MPa，延伸率为5.5％复合材料的晶粒尺寸变化主要是塑性变形过程的晶粒细化、挤压时的动态再结晶相互作用的结果，塑性变形过程中晶粒细化主要是由于在变形过程中形成的位错胞转化成小角度晶界，之后，小角度晶界演变为大角度晶界，从而达到细化晶粒的作用。通过TEM及HREM对Mg2Si形貌的观察分析，发现固相原位自生的Mg2Si颗粒由几个不同位相的晶粒组成，晶界清晰可见，即得出Mg+Si=Mg2Si的反应机制为形核长大，与热力学计算结果相一致。还发现Mg2Si和Mg之间界面结合良好，没有其他的反应产物。通过HREM分析得出了界面处二维点阵投影像，通过计算及标定揭示了原位合成的Mg2Si颗粒与镁基体之间为共格的关系，其晶体学取向关系为(220)M。2Si//(1011)M。[001]M。2Si//[0111]Mg。
　　 Mg2Si/Mg-5Zn-2.5Er复合材料的强化机制主要包括以下几个方面：第一，多次循环塑性变形及热挤压引起的晶粒细化，可提高材料的强度及延伸率；第二，第二相的强化，主要表现在两个方面，首先是界面强化，其次是第二相对位错运动的阻碍作用，以及由于Mg2Si与基体之间的热膨胀系数、几何形状存在差异导致复合材料内部产生较高密度的位错区，从而提高了位错运动的摩擦阻力，使材料的强度提高。通过计算发现，多次循环塑性变形制备的复合材料中，细晶强化作用最为明显，相比较细晶强化，其他强化作用较小，说明在复合材料的制备过程中可以进一步优化工艺，可以提高其他各种强化机制的强化作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及选题意义

1.1.1 镁及镁合金的特点

1.1.2 镁合金的研究趋势

1.2 镁基复合材料的国内外研究现状

1.2.1 镁基复合材料的组成

1.2.2 镁基复合材料的制各方法

1.2.3 镁基复合材料的应用现状及存在的问题

1.3 镁合金的塑性变形

1.3.1 大应变轧制

1.3.2 累积叠轧工艺

1.3.3 等径角轧制工艺

1.3.4 C型等径角反复挤压

1.3.5 反复折皱压直法

1.3.6 反复挤压工艺

1.3.7 大塑性变形晶粒细化原理

1.4 本文研究的目的及主要研究内容

第2章 试验方法

2.1 复合材料基体合金的选择及制备

2.2 复合材料增强相的选择

2.3 试验方法

2.3.1 多次循环塑性变形技术

2.3.2 固相原位自生Mg2Si增强相

2.3.3 挤压工艺

2.3.4 萃取实验

2.4 分析方法

2.4.1 金相显微组织观察

2.4.2 X射线衍射分析

2.4.3 扫描电子显微分析与能谱分析

2.4.4 透射电子显微分析

2.4.5 复合材料力学性能测试

2.5 技术路线

2.6 本章小结

第3章 固相原位自生Mg2Si的形成规律及Mg2Si与基体的界面结构

3.1 固相原位自生Mg2Si的形成机理

3.1.1 Mg2Si增强相的形成

3.1.2 固相原位自生Mg2Si形貌

3.1.3 固相原位自生Mg2Si的形成机理

3.2 固相原位自生Mg2Si与基体的界面结构

3.2.1 Mg2Si/Mg-5Zn-2.5Er复合材料TEM分析

3.2.2 Mg2Si与Mg之间的晶体学取向关系

3.3 本章小结

第4章 Mg2Si/Mg-5Zn-2.5Er复合材料的微观组织演变规律

4.1 复合材料的微观组织与结构

4.1.1 X射线衍射分析

4.1.2 金相组织观察

4.1.3 扫描电子显微分析及能谱分析

4.1.4 透射电子显微分析

4.2 多次循环塑性变形技术对复合材料组织的影响规律

4.2.1 多次循环塑性变形对增强相的影响规律

4.2.2 多次循环塑性变形细晶机理研究

4.3 本章小结

第5章 M92Si/Mg-5Zn-2.5Er复合材料的力学性能及强化机理研究

5.1 复合材料的力学性能

5.1.1 拉伸性能

5.1.2 硬度

5.2 复合材料拉伸断口分析

5.3 复合材料的强化机理研究

5.3.1 Mg2Si相的强化机理

5.3.2 界面强化

5.3.3 细晶强化

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢