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Al_(18)B_4O_(33)w/Mg复合材料热压缩变形行为与微观机制

王春艳  
【摘要】: 本文采用挤压铸造法成功制备了20% Al_(18)B4_O_(33)w/ZK60镁基复合材料,并对铸态ZK60镁合金和Al_(18)B4_O_(33)w/ZK60镁基复合材料在应变量为0.6、不同变形温度(523-723K)和不同应变速率(0.001-10s-1)条件下进行了热压缩试验。研究了合金和复合材料在不同变形条件下的流变应力行为。利用动态材料模型中的计算方法,得到了合金和复合材料的加工图,并对其加以验证。根据加工图理论和显微组织观察,确定了合金和复合材料的最佳塑性变形工艺参数,并在此工艺条件下对其进行热挤压变形,对挤压后的材料进行了组织分析和拉伸性能测试。采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜研究了合金和复合材料在压缩变形过程中的显微组织演变,分析了两种材料的高温压缩变形机制。 通过对铸态ZK60合金和Al_(18)B4_O_(33)w/ZK60复合材料的高温压缩流变行为的研究,结果表明:在相同应变速率条件下,随着变形温度的升高,铸态合金和复合材料的流变应力均降低;合金与复合材料相比,复合材料的流变应力高一些。复合材料在压缩变形过程中的应变软化效果随着压缩温度升高而减弱。在相同温度条件下,随着应变速率的增大,铸态合金和复合材料的流变应力均增大,复合材料的应变软化效果随着应变速率的增加明显增强。根据加工图理论、不可逆热力学原理和动态材料模型中的计算方法得到了合金和复合材料的加工图。分别根据功率耗散效率图和流变失稳图分析了合金和复合材料在不同变形温度和应变速率条件下的功率耗散效率、稳态变形和非稳态变形。 根据合金和复合材料在不同变形温度和应变速率条件下的组织情况,验证了通过计算得到的合金和复合材料加工图的正确性和有效性。结合所绘制的加工图和显微组织,确定出合金和复合材料的最佳热加工工艺参数。合金的最佳热加工工艺参数为:温度T=648K,应变速率ε =0.001s-1,其对应的功率耗散效率η=39%;而复合材料的最佳热加工工艺参数为:温度T=673K,应变速率ε =0.1s-1,其对应的功率耗散效率η=31%。 在上述研究基础上,采用通过加工图得到的铸态合金与复合材料的最佳热加工工艺参数(变形温度和应变速率),成功地将铸态ZK60合金和Al_(18)B4_O_(33)w/ZK60复合材料挤压成了表面质量良好、性能优良的棒材,这表明加工图对于确定合金和复合材料的最佳变形工艺参数是有效的。与铸态材料相比,挤压变形使得ZK60合金(沿挤压方向)的抗拉强度、屈服强度、延伸率和弹性模量分别提高了39.5%、89.4%、25%和6.7%。Al_(18)B4_O_(33)w/ZK60复合材料(沿挤压方向)的抗拉强度、屈服强度、延伸率和弹性模量分别提高了29.3%、32.2%、16.7%和17.1%。研究结果表明,热挤压显著提高了合金和复合材料的力学性能。 合金和复合材料的显微组织随着压缩变形温度、应变速率的变化而变化。在应变速率一定的条件下,随着温度升高,孪晶数目减少,发生动态再结晶的数目增加。孪晶尺寸和再结晶晶粒尺寸也随温度升高而增大。位错密度随温度升高而降低。当变形温度一定的条件下,随着应变速率的提高,位错密度增大,孪晶和再结晶晶粒尺寸减小,再结晶晶粒数目减少。 通过对合金和复合材料的显微组织观察表明,在压缩变形过程中,合金和复合材料基体内的孪晶主要存在于应力集中的晶界附近。孪晶与孪晶以及孪晶与位错之间的相互作用促进了新晶粒的形核。动态再结晶新晶粒优先在晶界附近形核。对于复合材料在压缩变形过程中,晶须发生了转动和折断,晶须的存在促进了再结晶的发生,再结晶多发生在晶须附近的基体中,同时晶须的存在也抑制了晶粒的长大。研究认为,铸态ZK60合金和Al_(18)B4_O_(33)w/ZK60复合材料的基体内存在两种再结晶机制:一是孪晶动态再结晶(TDRX)形核机制,二是连续动态再结晶(CDRX)形核机制。孪生和位错滑移是合金和复合材料基体塑性变形的主要变形机制。


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