硼酸镁晶须增强AZ91D镁基复合材料中残余应力的拉曼光谱表征

论文摘要

镁合金以其低密度、良好的机械性能和铸造性能等优点而广泛的应用于汽车、交通、航空等领域。但镁合金抗蚀性和高温性能差,在一定程度上限制了它的应用,镁基复合材料在很大程度上解决了这些问题。应用于高温环境下的镁基复合材料,由于增强体与基体之间热膨胀系数的错配而产生热残余应力,引起材料内部局部应力集中,产生局部裂缝或界面脱结合等缺陷,严重影响复合材料的宏观性能。因此,研究复合材料中局部残余内应力的分布规律,有利于了解复合材料的变形及断裂机制,为复合材料的设计提供参考依据。传统的宏观实验力学测量方法,难以直接测量微尺度区域的残余应力。目前,对微区残余应力的实验测量应用较多的是X射线衍射法和中子衍射法,但这两种方法测量的往往是材料内所测量区的平均应力。拉曼光谱法在微尺度测量方面具有无损、无接触、空间分辨率高、定点测量等优点。分子中原子振动的拉曼峰会因外加应力或应变而改变,当材料受压应力作用时,谱带向高频方向移动。当固体受张应力作用时,谱带向低频方向移动。因此,可根据材料中的拉曼光谱来研究材料的应力状况以及周围的环境变化。本文对Mg2B2O5w/AZ91D镁基复合材料中硼酸镁晶须和界面的残余应力进行了拉曼光谱表征,研究了复合材料的残余内应力,掌握了界面微区残余应力的分布规律,从微观力学的角度了解复合材料的变形及断裂机制,分析了热残余应力对镁基复合材料性能的影响,为镁基复合材料的设计和制备提供指导。Mg2B2O5w/AZ91D镁基复合材料中硼酸镁晶须的全扫描拉曼光谱分析表明,硼酸镁的拉曼峰主要分布在200 cm-1 1500 cm-1波数范围内。复合材料中同一晶须同一位置重复3次的拉曼光谱进行比较,发现3次得到的拉曼光谱大致相同,拉曼光谱的可重复性好。对同一晶须中3个不同位置的残余应力进行了拉曼光谱表征,3个位置所得到的拉曼光谱区别不大,晶须的化学成分分布均匀。用拉曼光谱研究了不同温度下拉伸断裂后Mg2B2O5w/AZ91D镁基复合材料中断口附近晶须中的残余应力。硼酸镁晶须的对称伸缩振动拉曼峰从室温拉伸试样的843.64 cm-1转变成160℃拉伸试样的844.69 cm-1,250℃拉伸试样达到846.949 cm-1,与室温拉伸相比,160℃和250℃的拉曼峰向高波数移动,且250℃拉伸断裂后晶须中的残余应力比160℃的大。Mg2B2O5w/AZ91D镁基复合材料的界面残余应力进行了拉曼光谱分析得出,相对于室温时的846.949 cm-1,160℃拉伸断裂后界面的拉曼峰频率为844.69 cm-1复合材料的界面承受拉应力。250℃拉伸试样中硼酸镁晶须对称伸缩振动拉曼峰波数与室温相同,可能是基体合金进行了重复和再结晶或者界面有新的反应产物形成也有可能是基体材料和增强体的界面产生了脱粘,导致了载荷无法进行传递。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 镁及镁合金的性能
• 1.1.2 镁基复合材料概述
• 1.1.2.1 基体的选择
• 1.1.2.2 增强体的选择
• 1.1.2.3 镁基复合材料的发展和应用
• 1.2 残余应力
• 1.2.1 残余应力的产生及分类
• 1.2.2 残余应力对材料性能的影响
• 1.2.2.1 残余内应力对材料力学性能的影响
• 1.2.2.2 残余内应力对材料组织和结构的影响
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 研究内容
• 第2章 材料中残余应力的研究方法
• 2.1 残余应力的理论分析方法
• 2.2 残余应力的实验研究方法
• 2.2.1 X 射线衍射法
• 2.2.2 中子衍射法
• 2.2.3 拉曼光谱术
• 2.2.3.1 拉曼散射原理及拉曼光谱
• 2.2.3.2 拉曼光谱技术的优点
• 2.2.3.3 拉曼光谱在复合材料研究中的应用现状及发展趋势
• 第3章 实验部分
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 基体材料
• 3.1.2 增强相材料
• 2B₂O₅w/AZ91D 镁基复合材料的制备及拉伸性能'>3.1.3 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 镁基复合材料的制备及拉伸性能
• 3.2 实验试剂和仪器
• 3.3 实验方法
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料的显微组织观察'>3.3.1 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料的显微组织观察
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料的显微硬度测试'>3.3.2 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料的显微硬度测试
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料残余应力的拉曼光谱分析'>3.3.3 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料残余应力的拉曼光谱分析
• 第4章 实验结果与讨论
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料显微组织的影响研究'>4.1 热拉伸对Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料显微组织的影响研究
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料显微硬度的影响'>4.2 拉伸温度对Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料显微硬度的影响
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料中晶须残余内应力的拉曼光谱表征与讨论'>4.3 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料中晶须残余内应力的拉曼光谱表征与讨论
• 4.3.1 硼酸镁的振动模式
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料中硼酸镁晶须的拉曼光谱'>4.3.2 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料中硼酸镁晶须的拉曼光谱
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料中晶须残余应力影响的拉曼光谱分析'>4.3.3 拉伸温度对Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料中晶须残余应力影响的拉曼光谱分析
• 2B₂O₅w/AZ91D 复合材料中界面残余内应力的拉曼光谱表征与讨论'>4.4 Mg₂B₂O₅w/AZ91D 复合材料中界面残余内应力的拉曼光谱表征与讨论
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果