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碳纳米管/AZ31镁基复合材料的制备及ECAP变形

徐强  
【摘要】: 采用机械搅拌法及钟罩浸块铸造法(制取预制块后压块浸渗的两步方法)分别制备了CNTs/AZ31镁基复合材料,对其铸态组织及力学性能分别进行了观察及测试,且对采用钟罩浸块法制备的复合材料进行了固溶处理,并对其组织及力学性能分别进行了观察及测试,并对各种状态下的材料的断口形貌及CNTs与基体的界面结合问题进行了SEM(扫描电镜)和AFM(原子力显微镜)观察。在钟罩浸块法制备复合材料过程中,还对CNTs在预制块及基体中的分散性进行了SEM观察。此外,本文还对机械搅拌法和钟罩浸块法制备的CNTs/AZ31镁基复合材料分别进行了未预挤压态及预挤压态的ECAP(等通道转角挤压)变形,研究ECAP变形对复合材料组织及力学性能的影响。 研究结果表明:采用钟罩浸块法制备CNTs/AZ31镁基复合材料,CNTs在预制块及AZ31基体中具有较好的分散程度。对于机械搅拌法及钟罩浸块法制备的CNTs/AZ31镁基复合材料,随着CNTs加入量的增加,晶粒都明显细化,力学性能都明显提高。抗拉强度、显微硬度和延伸率都在CNTs加入量为1wt%时达到最大值。机械搅拌法制备的分别为190.3Mpa、88.6HV和7.82%,相比AZ31合金分别提高了27.9%、75.1%和119.66%;弹性模量在CNTs加入量为1.5%wt时达到最大值90.86Gpa,相比基体提高了70.99%。钟罩浸块法制备的CNTs/AZ31镁基复合材料,相比机械搅拌法,由于CNTs在复合材料中的良好分散性,导致力学性能较之提高。抗拉强度、显微硬度、延伸率的最大值分别为210.3Mpa、96.6HV和8.56%,弹性模量在CNTs加入量为1.5wt%时达到最大值98.88Gpa;相比机械搅拌法制备的相同CNTs含量材料,分别提高了10.5%、9.0%、9.5%和8.8%;且经过固溶处理后,抗拉强度和延伸率都明显提高,在CNTs加入量为1wt%时分别达到最大值230.2Mpa和11.32%,相比铸态时,分别提高了9.5%和32.24%;显微硬度和弹性模量相对铸态都有所降低,在CNTs加入量为1wt%和1.5wt%时分别达到最大值90.2和90.22,相比铸态时,分别降低了6.6%和8.76%。 未预挤压态的机械搅拌法制备的1%wtCNTs/AZ31镁基复合材料ECAP变形一道次后,试样开裂明显,复合材料最小晶粒尺寸达到约5μm。晶粒发生转动,原有的晶粒取向被改变,由于CNTs的加入,有织构软化的倾向。显微维氏硬度显著提高;经ECAP变形一道次后,纵截面和横截面显微硬度值为110.6和122.6HV,分别提高了46.5%和62.4%。 预挤压态的钟罩浸块法制备的1%wtCNTs/AZ31镁基复合材料ECAP变形后,试样的铸造缺陷大大减小,晶粒得到明显细化;经过ECAP变形四道次后,晶粒尺寸细化显著,平均约为2μm,抗拉强度和延伸率显著提高,最大值分别为1道次后的306.3Mpa及四道次后的23.33%。ECAP变形四道次后,抗拉强度与晶粒的尺寸出现反Hall-Petch现象,主要是因为晶界滑动、织构弱化以及晶界结构综合作用的结果;影响ECAP后复合材料的延伸率变化的主要因素为CNTs的分散程度以及复合材料的晶粒尺寸,两者综合作用。 铸态及固溶处理后的CNTs/AZ31镁基复合材料的断裂形式主要都为准解理断裂,由韧窝和撕裂棱所组成。ECAP变形后,复合材料以基体延性撕裂为主体,撕裂棱具有一定取向性,存在韧性断裂带,CNTs密集区域多数为CNTs/基体界面脱粘并伴随穿晶断裂的形式。CNTs与AZ31基体间在铸造复合过程中无明显的界面反应,且与基体界面结合紧密。


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