热变形Tip/Mg-6Zn-0.5Ca镁基复合材料显微组织与力学性能研究

作     者：范一丹 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓坤坤

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：镁基复合材料 钛颗粒 热挤压 力学性能 应力松弛 

摘      要：本文选用Mg-6Zn-0.5Ca(ZX60)合金作为基体,微米级金属Ti颗粒作为增强体,通过半固态搅拌铸造工艺制备了包含不同颗粒尺寸(20,60μm)和颗粒含量(0,5,10,15 vol.%)的Ti/Mg-6Zn-0.5Ca镁基复合材料,并对其进行热挤压,系统地研究了可变形Ti对铸态及挤压态ZX60基体组织及性能的影响规律。研究结果表明:铸态ZX60合金中晶粒粗大,且存在大量CaMgZn相,其沿晶界呈现半连续网状分布。添加20μm 5 vol.%Ti后,晶粒显著细化;CaMgZn相优先依附于Ti表面形核,并且其形貌转变为絮状。随着Ti含量的增加,Ti/ZX60复合材料的晶粒尺寸逐渐减小;大量CaMgZn相包裹在Ti周围形核,晶界处的CaMgZn相随之减少。当颗粒含量保持为10 vol.%,颗粒尺寸由20μm增加到60μm后,Ti提供的非均质形核位点减少,晶粒尺寸增大。随着颗粒含量的增加和颗粒尺寸的减小,Ti/ZX60复合材料的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)逐渐增加。20μm 10 vol.%Ti/ZX60复合材料的综合力学性能最优,其YS、UTS和EL分别为～122.6 MPa,～234.1MP和～3.5%。20μm 10 vol.%Ti/ZX60复合材料经热挤压后,Ti沿挤压方向发生了塑性变形,平均长径比显著增加。基体内部发生了动态再结晶(DRX),晶粒尺寸显著减小;并且在DRX区域析出了大量Mg Zn相。随着挤压温度的升高,Ti长径比减小;DRX体积分数和晶粒尺寸均增大;Mg Zn析出相的尺寸增大,但体积分数减小。与铸态Ti/ZX60复合材料相比,挤压后复合材料的室温拉伸力学性能显著改善,随着挤压温度的升高,YS和UTS减小,但EL增加。当颗粒含量由0 vol.%增加到15 vol%时,挤压态Ti/ZX60复合材料的DRX晶粒尺寸减小,且DRX体积分数增加;Mg Zn析出相的尺寸变化不大,体积分数先增加后减少。当颗粒尺寸由20μm增加至60μm后,颗粒长径比大幅增加,颗粒与基体的协调变形能力增强;DRX晶粒尺寸增大,DRX体积分数和Mg Zn析出相的体积分数均减少。与挤压态合金相比,添加不同含量和尺寸的Ti后,Ti/ZX60复合材料的YS、UTS均得到不同程度的提升。20μm 10 vol.%Ti/ZX60复合材料在240℃挤压后,强韧化效率较高,其YS、UTS和EL分别为～401.2 MPa,～437.4MPa和～7.6%。Ti/ZX60复合材料的强化机制为:细晶强化、载荷传递作用、热错配强化和Orowan强化。其中,细晶强化效果最为显著,载荷传递作用次之。基于室温拉伸试验和循环应力松弛试验,分别研究了挤压态ZX60合金,20μm 10vol.%Ti/ZX60和60μm 10 vol.%Ti/ZX60复合材料的应变硬化行为和软化行为。结果表明可变形Ti的引入提高了材料的应变硬化率和应变硬化指数,这是由于在Ti/ZX60复合材料中,细小的晶粒和析出相,以及高的位错密度,可以阻碍位错运动,促使位错增殖。当变形进入后期,由于复合材料中积累的应变储能更多,大量位错的交滑移被激活,其回复行为强于基体合金。此外,应力松弛动力学模型拟合结果显示ZX60合金及Ti/ZX60复合材料的激活体积随着应力的增加而减小,其值在30～600b范围内变化,应力松弛过程主要由位错运动主导。在应力松弛初期,20μm 10 vol.%Ti/ZX60复合材料的激活体积最小,为25～35 b。Ti降低了ZX60合金的热激活体积,促进了材料的应力松弛行为。这是由于Ti/ZX60复合材料具有小的晶粒尺寸,促进了位错的回复;并且,Ti自身的塑性变形有利于缓解应力集中,对应力松弛过程中软化行为有一定的贡献。