SiC颗粒增强Mg-Zn-Ca-Mn镁基复合材料组织与力学性能研究

论文摘要

本文采用半固态涡流搅拌铸造法制备了SiC颗粒平均尺寸为10μm的体积分数分别为5%、10%和15%SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn镁基复合材料。为了进行对比,本文采用相同的凝固工艺制备了Mg-Zn-Ca-Mn镁合金,并且对Mg-Zn-Ca-Mn基体合金和三种不同体积分数的复合材料在不同温度下进行热挤压。采用金相显微镜,扫描电子显微镜和透射电子显微镜对材料的显微组织进行了观察,并对材料的室温和高温力学性能进行了测试。研究结果表明:铸态基体合金的晶粒尺寸粗大,第二相主要沿晶界呈网状分布,导致力学性能较差。随着SiC颗粒体积分数的增大,铸态复合材料的晶粒尺寸明显减小,15vol.% SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn复合材料的晶粒尺寸约为20μm,约为基体合金的1/5。由扫描观察可知,在SiC颗粒表面包覆着大块第二相,该第二相弱化了基体与颗粒之间的界面结合,并且随着颗粒体积分数的增大,第二相含量减少,SiC颗粒抑制了第二相析出。由透射观察可知,SiC颗粒与基体之间的界面处没有产生明显的反应产物,但在SiC颗粒表面有尺寸细小的第二相析出,经过衍射斑点标定可确定该第二相为脆性的Ca2Mg6Zn3相。铸态复合材料的屈服强度,抗拉强度和弹性模量随着颗粒体积分数的增大均有大幅度提高,而延伸率与基体合金相比明显降低。热挤压可以显著细化Mg-Zn-Ca-Mn镁合金的晶粒尺寸,显著提高了Mg-Zn-Ca-Mn镁合金的室温力学性能。随着热挤压温度的升高,合金的再结晶逐渐完全,再结晶晶粒尺寸逐渐增大,导致挤压态合金的屈服强度和抗拉强度逐渐降低,但是延伸率逐渐增大。经热挤压后,合金中的第二相沿挤压方向呈带状分布。经热挤压后,复合材料中SiC颗粒分布得到改善,并且随着挤压温度的升高改善效果越明显。复合材料的晶粒尺寸随着挤压温度的升高逐渐增大。随着颗粒体积分数增大,复合材料中第二相含量逐渐减少。热挤压显著提高了复合材料的力学性能,但是挤压温度对不同体积分数复合材料的影响规律并不相同。这主要是由于复合材料中颗粒的分布状态,晶粒尺寸,挤压诱发颗粒断裂,第二相含量和分布状态以及织构等因素综合作用对其力学性能产生重要影响。5vol.%复合材料在300℃挤压后第二相分布均匀、弥散,弥散强化效果显著,导致力学性能最好;10vol.%复合材料在250℃挤压后存在少量的未再结晶晶粒,晶粒内含有高密度位错,强度最高;晶粒尺寸和挤压诱发颗粒断裂对15vol.%复合材料的力学性能影响较大,在250℃挤压后颗粒断裂明显导致性能较差,而在300℃挤压后晶粒尺寸较小,力学性能最好。同一挤压温度下,随着SiC颗粒体积分数的增大,复合材料的力学性能有所降低,这可能是由于第二相含量减少,第二相强化减弱,颗粒分布均匀性变差。随着拉伸温度的升高,复合材料的抗拉强度逐渐减小,而延伸率逐渐增大。在150℃之后,抗拉强度剧烈下降,但150℃之前抗拉强度仍能保持在250MPa以上,故该复合材料适用于低于150℃的环境中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的及意义
• 1.2 耐热镁合金研究进展
• 1.3 国内外镁基复合材料的高温性能研究现状
• 1.4 非连续增强镁基复合材料的搅拌铸造工艺
• 1.4.1 增强体颗粒分布
• 1.4.2 增强体与基体合金之间的润湿性
• 1.4.3 气孔
• 1.5 非连续增强金属基复合材料的热变形
• 1.5.1 锻造
• 1.5.2 轧制
• 1.5.3 热挤压
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验方案
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 基体合金
• 2.2.2 增强体
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 相图计算
• 2.3.2 搅拌铸造工艺
• 2.3.3 热挤压试验
• 2.3.4 显微组织观察
• 2.3.5 室温拉伸试验
• 2.3.6 高温拉伸试验
• 第3章 搅拌铸造SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn 复合材料组织与力学性能
• 3.1 引言
• 3.2 SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn 复合材料的搅拌铸造工艺
• 3.2.1 搅拌铸造工艺参数的设计
• 3.2.2 SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn 复合材料的制备
• 3.3 铸态SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn 复合材料的组织与力学性能
• 3.3.1 铸态合金及复合材料的显微组织
• 3.3.2 铸态合金及复合材料的力学性能
• 3.3.3 铸态合金及复合材料的室温拉伸断口分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 热挤压对复合材料组织与力学性能影响
• 4.1 引言
• 4.2 热挤压对SiCp/Mg-Zn-Ca-Mn 复合材料组织的影响
• 4.2.1 挤压温度对Mg-Zn-Ca-Mn 镁合金显微组织的影响
• 4.2.2 挤压温度对5vol.%复合材料显微组织的影响
• 4.2.3 挤压温度对10vol.%复合材料显微组织的影响
• 4.2.4 挤压温度对15vol.%复合材料显微组织的影响
• 4.2.5 体积分数对挤压态复合材料显微组织的影响
• 4.3 热挤压对复合材料室温力学性能的影响
• 4.3.1 挤压温度对Mg-Zn-Ca-Mn 合金室温力学性能的影响
• 4.3.2 挤压温度对5vol.%复合材料室温力学性能的影响
• 4.3.3 挤压温度对10vol.%复合材料室温力学性能的影响
• 4.3.4 挤压温度对15vol.%复合材料室温力学性能的影响
• 4.3.5 体积分数对挤压态复合材料室温力学性能的影响
• 4.4 热挤压对复合材料高温力学性能的影响
• 4.4.1 挤压温度对挤压态复合材料高温力学性能的影响
• 4.4.2 体积分数对挤压态复合材料高温力学性能的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢