论文摘要
Al-Mg2Si原位内生复合材料,作为新一类颗粒增强超轻铝基复合材料,具有低密度、高比强度、耐磨、耐高温、良好的铸造性能等特点,在航空航天、汽车船舶等领域具有广阔的应用前景。然而,常规熔炼铸造的过共晶Al-Mg2Si复合材料由于初生Mg2Si颗粒尺寸粗大、分布不均以及共晶基体的脆性问题,材料强度不足、塑性较差、加工成型困难,大大限制了其工程实际应用。因此,从成分设计、加工制备工艺的合理选择上解决颗粒与基体的组织细化问题、颗粒分布的均匀性问题,是提高Al-Mg2Si原位内生复合材料强度、塑韧性的关键。本文在设计亚共晶型Al-Mg2Si内生复合材料、分析ECAP剪切变形特征和优化挤压工艺的基础上,成功制备出高强韧、低Mg2Si含量的Al-Mg2Si轻质结构复合材料。采用x射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能量分散光谱仪（EDS）和透射电子显微镜（TEM）分析了材料的微观组织,采用微机控制电子万能试验机测试了材料的室温和高温拉伸力学性能。主要结果如下：（1）微量Sb对复合材料中的共晶Mg2Si具有明显的细化作用和轻微的变质作用,材料的力学性能得到显著提高。Sb与Mg结合形成Mg3Sb2,对共晶Mg2Si起异质形核作用,Sb变质材料中共晶Mg2Si数量显著增加,共晶团尺寸明显减小,α-Al晶粒尺寸也明显降低。Sb添加使共晶Mg2Si层片发生弯曲和分枝化,层片间距明显降低。经Sb变质细化后,材料屈服强度由153MPa提高到184MPa,抗拉强度由167MPa提高到282MPa,伸长率由0.43%提高到3.9%。（2） ECAP显著细化了Al-Mg2Si复合材料的组织,经ECAP多道次挤压后,获得了超细晶Al-Mg2Si复合材料,材料的力学性能大幅度提高。经Bc路径ECAP四道次挤压后,Al-10Mg-4Si复合材料中α-Al粗大枝晶转变为-0.9μm的等轴晶粒,层片状共晶Mg2Si完全转变为长度为-1.0μm、直径为-0.4μm的短棒；经八道次挤压后,组织进一步细化,α-Al细化为-0.3μm等轴晶粒,共晶Mg2Si转变为-0.4μm的等轴颗粒。经ECAP四道次挤压后,Al-10Mg-4Si复合材料的抗拉强度和伸长率分别由挤压前的167 MPa和0.43%提高到308 MPa和13.7%；经ECAP八道次挤压后,提高到297 MPa和15.15%。相比之下,八道次挤压后材料的伸长率得到进一步提高,而抗拉强度比四道次挤压后的反而略有下降,其原因可能与材料经Bc路径多道次挤压后织构的形成有关。（3）Sb变质细化处理与ECAP挤压相结合,显著提高了ECAP强化韧化复合材料的作用效果。（4）Sb变质细化处理的ECAP挤压材料经170℃×3h人工时效处理,力学性能得到进一步提高。屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到246 MPa、404 MPa和14.2%,较未时效试样分别提高13%、3%、67%。（5）与常规Bc路径相比,组合路径2A+4BA+2A、4A+4BA具有较强的颗粒分散能力。经组合路径挤压后,材料中的Mg2Si颗粒均匀弥散分布,塑韧性得到显著提高。（6）利用变换矩阵及极图分析描述了ECAP挤压过程中试样的剪切应变行为,籍此分析预测了不同路径下ECAP的组织细化和颗粒分散效率,澄清了BC路径的冗余应变实质,指导设计出新型ECAP挤压路径BC-UD2和BC-UD3。（7）经8道次挤压后,Bc路径的颗粒细化效果最好,但颗粒分散效果最低；BC-UD2路径显示出最高好的颗粒分散效果,但颗粒细化程度最低；BC-UD3路径则在颗粒细化和颗粒分散方面介于Bc和BC-UD2之间。BC-UD3路径以优良的颗粒再分散能力和与Bc路径可比的颗粒细化效率,获得了最佳的综合力学性能。此外,BC-UD3路径挤压材料显示出最高的高温（150。C）强度。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 选题意义2Si原位内生复合材料概述'>1.2 Al-Mg2Si原位内生复合材料概述2Si金属间化合物性质及用途'>1.2.1 Mg2Si金属间化合物性质及用途2Si原位内生复合材料特点及用途'>1.2.2 Al-Mg2Si原位内生复合材料特点及用途1.2.3 凝固途径1.2.4 制备技术2Si原位复合材料研究进展'>1.2.5 熔体变质处理制备Al-Mg2Si原位复合材料研究进展1.2.6 颗粒增强金属基复合材料强化机制1.2.7 颗粒增强MMCs组织细化与颗粒分散意义1.3 等通道转角挤压（ECAP）1.3.1 原理及特点1.3.2 影响因素1.3.3 ECAP挤压金属基复合材料（MMCs）研究进展1.4 研究内容参考文献第二章 材料制备与试验过程2.1 试验方案2.2 材料制备2.2.1 合金熔炼2.2.2 等通道转角挤压（ECAP）2.3 组织观察与分析2.3.1 XRD分析2.3.2 OM观察2.3.3 SEM观察2.3.4 TEM观察2.4 力学性能测试2.4.1 室温拉伸2.4.2 高温拉伸2.4.3 高温蠕变2Si复合材料组织与力学性能的影响'>第三章 Sb变质对铸态亚共晶Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响3.1 引言2Si复合材料的组织与性能'>3.2 铸态Al-Mg2Si复合材料的组织与性能3.2.1 相组成3.2.2 微观组织3.2.3 凝固途径与组织形成3.2.4 力学性能2Si复合材料的组织与性能'>3.3 Sb变质Al-Mg2Si复合材料的组织与性能3.3.1 微观组织3.3.2 Sb细化变质机制3.3.3 力学性能3.3.4 断口特征及断裂机制3.4 本章小结参考文献2Si复合材料组织与力学性能的影响'>第四章 ECAP挤压对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响4.1 引言4.2 ECAP挤压Al-5Mg-2Si复合材料的组织与力学性能4.2.1 试验方法4.2.2 结果与讨论4.3 ECAP挤压Al-10Mg-4Si复合材料的组织与力学性能4.3.1 试验过程4.3.2 结果与讨论4.4 本章小结参考文献2Si复合材料组织与力学性能影响'>第五章 Sb变质结合ECAP挤压及时效对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能影响5.1 引言2Si复合材料组织与力学性能的影响'>5.2 Sb变质结合ECAP挤压对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响5.2.1 试验过程2Si的组织转变'>5.2.2 ECAP挤压过程中共晶Mg2Si的组织转变5.2.3 力学性能5.2.4 断口特征及断裂机制5.2.5 Sb变质细化与ECAP挤压材料力学性能对比5.2.6 Sb细化+ECAP挤压材料强韧化机理分析2Si复合材料组织与力学性能的影响'>5.3 时效对ECAP挤压Sb变质Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响5.3.1 试验过程5.3.2 微观组织5.3.3 力学性能5.3.4 ECAP挤压后时效（ECAP-post aging）强韧化机制分析5.3.5 断口分析5.4 本章小结参考文献2Si复合材料组织与力学性能的影响'>第六章 ECAP基本路径组合对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响6.1 引言A+2A路径组合对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响'>6.2 2A+4BA+2A路径组合对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响6.2.1 试验过程6.2.2 铸态组织A+2A路径对复合材料组织演变的影响'>6.2.3 2A+4BA+2A路径对复合材料组织演变的影响A+2A路径对复合材料力学性能的影响'>6.2.4 2A+4BA+2A路径对复合材料力学性能的影响A路径组合对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响'>6.3 4A+4BA路径组合对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响6.3.1 试验过程6.3.2 结果与讨论A+2A、4A+4BA组合路径与BC路径力学性能对比及断裂机制分析'>6.4 2A+4BA+2A、4A+4BA组合路径与BC路径力学性能对比及断裂机制分析6.5 本章小结参考文献第七章 ECAP挤压过程中剪切特性的变换矩阵分析及新型ECAP路径的预测及设计7.1 引言7.2 变换矩阵的建立及ECAP加工过程中取向变换的描述7.3 ECAP新路径的分析7.4 试验评价7.5 本章小结参考文献2Si复合材料试验研究'>第八章 ECAP新路径挤压Al-Mg2Si复合材料试验研究8.1 引言C-UD2路径对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响'>8.2 BC-UD2路径对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响8.2.1 试验过程8.2.2 结果与讨论C-UD3路径对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响'>8.3 BC-UD3路径对Al-Mg2Si复合材料组织与力学性能的影响8.3.1 试验过程8.3.2 结果与讨论8.4 ECAP新路径挤压效果对比8.4.1 试验过程8.4.2 结果与讨论8.5 本章小结参考文献第九章 结论致谢攻读博士学位期间发表论文及成果
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ECAP挤压亚共晶Al-Mg2Si原位复合材料强韧化研究
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