（材料加工工程专业论文）sicpaz61镁基复合材料的阻尼及蠕变性能的研究.pdf

摘要 摘要 颗粒增强镁基复合材料由于其密度低 比强度和比刚度高 同时还具有良 好的耐高温性 耐冲击性和优良的减震性能等优点 引起了各国学者的广泛关 注 本文采用a z 6 1 镁合金作为基体 以s i c 颗粒作为增强相 通过搅熔铸造法 制备s i c p 从z 6 l 复合材料 利用金相显微镜观察了搅拌铸造法中不同工艺参数的 金相组织 分析了搅拌铸造工艺对复合材料微观组织的影响 研究了复合材料 中s i c 颗粒和a z 6 1 基体合金的复合形成机理 利用拉伸试验机测试了不同工艺 参数下s i c p a z 6 1 镁基复合材料的力学性能 在此基础上采用正交试验法对搅熔 铸造法的工艺进行优化 获得了最佳的制备方案 利用机械动态热分析仪 d m a q 8 0 0 测试了a z 6 1 基体合金及搅熔铸造法 制备s i c 矾忆6 l 镁基复合材料的阻尼性能和蠕变性能 通过研究a z 6 1 基体合金 和s i c p a z 6 1 复合材料的内耗谱 分析应变振幅 频率和温度对a z 6 1 基体合金 及s i c p a z 6 l 复合材料阻尼性能的影响 基于位错型阻尼机制和界面型阻尼机制 的理论 深入分析了s i c p a z 6 1 复合材料阻尼性能提高的原因 对室温阻尼 应 变振幅的曲线研究表明 s i c 颗粒的加入所引起的高密度的位错是室温下 s i c p a z 6 1 复合材料阻尼性能提高的主要原因 并且曲线可以采用g l 位错钉扎 模型给予很好的解释 对阻尼 温度 频率曲线的研究表明 高温情况下镁基复合 材料阻尼性能提升可以归因于复合材料中大量界面的微滑移 通过研究恒温 恒载下 a z 6 1 基体合金及搅熔铸造法制备的s i c p a z 6 1 复合材料的蠕变曲线 可以发现 s i c d a z 6 1 复合材料相对于a z 6 1 基体合金 具有较短的初始蠕变阶 段 较低的稳念蠕变速率 害 和较少的总形变量 a z 6 1 基体合金的抗蠕变性 能在加入增强相s i c 颗粒后得到提高 复合材料抗蠕变性能的提高 主要是因 为s i c 颗粒在晶界处取代了高温下容易软化的 相 m g t 7 a 1 1 2 s i c 颗粒强的 钉扎作用阻止了高温下晶界的交滑移和位错攀移的发生 关键词镁基复合材料 搅熔铸造法 阻尼 蠕变 i i a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s t h ei s s u eo fm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sh a sb e e nc a m ei n t ot h e c o n c e mf r o mt h er e s e a r c h e r sa t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d a si t sl o wd e n s i t y h i 曲 i n t e n s i t ya n dr i g i d i t y a n da sw e l la si t se x c e l l e n tp r o p e r t i t i e ss u c ha sh i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ea n dh i g hs h o c k i n gr e s i s t a n c ec a p a b i l i t y a n dg o o da b s o r b i n gq u a l i t y i nt h i s p a p e r s i c p a z 6 1c o m p o s i t ew a sm a d eb yu s i n gt h em a g n e s i u ma l l o ya sm a t r i x s i c p a r t i c u l a t ea s t h ee n h a n c e dp h a s e i na d d i t i o n t h r o u g ht h r e ed i f f e r e n ts t i rc a s t i n g t e c h n i q u e s u c ha ss t i r r i n gi naf u l l yl i q u i dc o n d i t i o n s t i r r i n gi nas e m i s o l i dc o n d i t i o n s t i r r m e l t i n gp r o c e s s m o r e o v e r u s i n gm e t a l l o g r a p h i cp h a s em i c r o s c o p et oo b s e r v e t h r e ed i f f e r e n tm e t a l l o g r a p h i cp h a s eu n i t sf r o mt h r e ed i f f e r e n tp r e p a r a t i o nt e c h n i q u e i ns t i rc a s t i n g a n dt h em i c r o s t r u c t u r a ls t r u c t u r eo fs i c p a z 61c o m p o s i t ea f f e c t e db y s t i r c a s t i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e d f o r t h e m o r e r e s e a r c ho nt h ef o r m a t i o na b o u tt h e t h e o r yo fs i cp a r t i c u l a t e sa n da z 6 1m a t r i xo fs i c p a z 61c o m p o s i t e s t i r r i n g m e l t c a s t i n gp r o c e s s w a sa s c e r t a i n e da saf i t t i n g p r e p a r i n gp r o c e s so fs i c p a z 6 1 c o m p o s i t e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs i c p a z 6 1 m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e w a st e s t e d t h r o u g h e l e t r o nt e n s i l e t e s t i n g m a c h i n ew i t hd i f f e r e n t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s a n di nt h i sf o u d a t i o n o p t i m i z a t i o nr e s u l tw a sm a d eb yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nt og e tt h eb e s tf a b r i c a t i n gp r o c e s ss c h e m e t h ed a m p i n gp r o p e r t ya n dc r e e pp r o p e r t yo fm a t r i xa l l o ya z 61a n ds i c p a z 61 c o m p o s i t ep r e p a r e db ym e a n so fs t i r r i n g m e l tc a s t i n gp r o c e s sw e r em e a s u r e db y d y n a m i cm e c h a n i c a lt h e r m a la n a l y s e s d m a q 8 0 0 t h ed e p e n d e n c eo ft h ed a m p i n g c a p a c i t yo fs i c p a z 6 1c o m p o s i t eo ns t r a i na m p l i t u d e f r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r eh a s b e e na n a l y z e db ys t u d y i n gt h ei n t e m a lf r i c t i o ns p e c t r u mo fm a t r i xa n dc o m p o s i t e o n t h eb a s i so ft h ei n t e r f a c ed a m p i n ga n dt h ed i s l o c a t i o nd a m p i n g t h er e a s o no f i n c r e a s i n go fd a m p i n gp r o p e r t yo ns i c p a z 61c o m p o s i t ew a sc o n s t r u e d t h er e s u l t s o fd a m p i n g s t r a i na m p l i t u d ec u r v es h o wt h a td i s l o c a t i o nb r o u g h tb ys i cp a r t i c l e s p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n c r e a s i n go fd a m p i n gp r o p e r t yo fc o m p o s i t e s w h i c h c a nb e e x p l a i n e db yg l d i s l o c a t i o np i n n i n gt h e o r y t h er e s u l t so fd a m p i n g t e m p e r a t u r e f r e q u e n c y c u r v e ss h o wt h a tt h ei m p r o v i n go fd a m p i n gp r o p e r t yo f i i i a b s t r a 乙i 一 一 c o m p o s i t ei nh i g ht e m p e r a t u r e i sd u et os om u c hm i n i m a ls l i po fi n t e r f a c ei n c o m p o s i t e t h ec r e e pc u r v e so fm a t r i xa l l o ya n ds i c p a z 6 1c o m p o s r e sp r e p a r e db y s t i r r i n g m e l tc a s t i n gp r o c e s sa ti s o t h e r m a la n dw e r e s t u d i e d i t i sf o u n dt h a tc o m p a r e dt om a t r i xa l l o ya z 61 t h es i c p a z 6 1c o m p o s i t eh a s s h o r t e ri n i t i a lc r e e pt i m e l o w e rs t a t e c r e e pv e l o c i t ya n dl i t t l e t o t a lt r a n s f o r m a t i o n t h ec r e e p i n gr e s i s t a n c eo fm a t r i xa l l o ya z 6 1w a se n h a c e dw h e nm i x e dw i t h e n h a n c e dp h a s e s i cp a r t i c l e s i ti sb e c a u s et h a tt h es i cp a r t i c l e ss u b s t i t u t e sm g t 7 a l t 2 d h a s eo ng r a i nb o u n d a r yw h i c hw i l lb ee a s l i yi n t e n e r a t e da th i g ht e m p e r a t u r e t h e p i m l i n ge f f e c to fs i cp a r t i c l e sp r e v e n td i s l o c a t i o na n ds l i p a g eo fg r a i nb o u n d a r y a t h i 出t e m p e r a t u r e k e y w o r d s m a g n e s i u m m a t r i xc o m p o s i t e s s t i r r m e l t i n gp r o c e s s d a m p i n g c r e e p i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意 学位论文作者签名 手写 胡弓虽签字日期 2 弼年多月 7 日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向 社会公众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 胡砺 导师签名 签字目期 如略年多月 7 曰 彻7 答字醐一蛑朋夕日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 金属基复合材料 m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s m m c s 是以金属及其合金为 基体 与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料 金属基复合材 料的发展始于本世纪六十年代 与传统的金属材料相比 金属基复合材料 m m c s 具有高的比强度 比刚度 耐高温 耐磨损 耐疲劳 热膨胀系数小 化学稳定性和尺寸稳定性好等优点 2 1 目前金属基复合材料己成为发达国家之间 争夺高技术优势的热点之一 并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属 材料而广泛用于航空航天 汽车工业等领域 最近二三十年 很多国家对增强 铝基复合材料在复合工艺和材料性能方面做了大量的研究 其性能和工艺已逐 步走向成熟 而镁基复合材料受到制约的主要因素在于纯镁易于燃烧 镁合金 成本较高 随着近年来技术的进步 镁合金价格的下降 且镁基复合材料的重 加工 回收性能好 具有极好的切削加工性能 较好的耐磨性 耐高温性 将 是今后现代工业产品应用增长速度最快的金属材料 3 巧 1 2 颗粒增强金属基复合材料的制备方法 金属基复合材料的增强体主要有长纤维 短纤维 颗粒和晶须等 其中颗 粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单 成本较低 微观组织均匀 材料性 能各向异性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点 已经成为金 属基复合材料领域最重要的研究方向 正在向工业规模化生产和应用发展 颗粒增强金属基复合材料 6 7 1 的主要基体有铝 镁 钛铜和铁等 铝基复合 材料在当代已经进行了相当的研究 镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一 具有竞争力的轻金属基复合材料 其主要特点是密度低 比强度和比刚度高 同时还具有良好的耐磨性 耐高温性 耐冲击性 优良的减震性能及良好的尺 寸稳定性和铸造性能等 此外还具有电磁屏蔽和储氢特性等 是一类优秀的结 构和功能材料 也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一 颗粒增强金属基复合材料的性能 特点 应用和制造成本等在很大的程度 上取决于其制备工艺和方法 目前关于颗粒增强金属基复合材料的研究主要集 第1 章绪论 中在材料的制备及性能方面 1 2 1 搅拌铸造法 搅拌铸造 s t i rc a s t i n g 是s r a y 在1 9 6 8 年开发的一种制造金属基复合材料的 技术 其工艺是通过机械搅拌将a 1 2 0 3 颗粒引入到铝熔体中 引 搅拌铸造的原理 是通过机械或电磁搅拌等方法 使增强体充分弥散分布到金属基体中 最终浇 注或挤压成型的一种工艺方法 其工艺流程如图1 1 所示 根据铸造时金属形态 不同可分为全液态搅拌铸造 即在液态金属中加入增强体 搅拌一定时间后冷 却 半固态搅拌铸造 在半固态金属熔体中加入增强体搅拌一定时间后冷却 和搅熔铸造 在半固态金属中加入增强体 搅拌一定时间后升温至基体合金液 相线温度以上 并搅拌一定时间后冷却 三种 研究者发现搅熔铸造法制备的 复合材料在颗粒分布和气孔率方面优于全液态铸造和半固态铸造方法 1 2 2 挤压铸造法 挤压铸造法汐j 的流程如图1 2 所示 该工艺分为预制块制备和压力浸渗两个 阶段 使镁合金液在压力下渗入预制块中凝固后形成复合材料 预制块制备的 过程是首先将增强体分散均匀 然后模压成型 最后经烘干或烧结处理使之具 有一定的耐压强度 大部分晶须或短纤维增强体的预制块中需要添加粘结剂 以承受预制块压制过程中的较大应力而不开裂 粘结剂的含量为3 5 多为含 s i 0 2 的硅胶粘结剂 或硅胶粘结剂 有机胶混合粘结剂 压力浸渗前模具和预制 块需预热到约5 0 0 m g 合金液浇铸前也需过热到一定温度 约8 0 0 c 基体 合金浇铸到模具中的预制块上时 需施加一定压力并保压一段时间以便合金液 充分浸渗到预制块中 为避免预制块在加压过程中受损开裂产生铸造缺陷以及 减少增强体纤维在压力下的损伤 有研究者探讨了两步加压挤压铸造工艺 该 法的加压过程是在浸渗阶段压力较低 为0 4 0 5 m p a 保压1 2 一 1 5 s 在凝固过 程的压力较大 为1 0 0 m p a 保压6 0 s 2 第1 章绪论 图1 1 搅拌铸造的工艺流程 f i g 1 1t h ef l o wc h a r to fs t i rc a s t i n g v 竺e z e 7 c a s t i n g c e r a m i cp r e f o r mf a b r i c a t i o n p r e h e a t i n gp r e f o r r l l m e l t i n gm a g n e s i u m j 均u e e z c a s t i n g 图1 2 挤压铸造的工艺流程 f i g 1 2t h ef l o wc h a r to fe x t r u s i o n c a s t i n g 3 第1 章绪论 1 2 3 粉末冶金法 粉术冶金法 如图1 3 是指将基体金属合金与增强体粉末混合均匀后在模 中冷压 除气后在真空中加热至固液两相区进行热压 最后烧结制得金属基复 合材料的方法 l0 1 粉末冶金法特点 l l 可以制备出增强相非常高体积分数的金 属基复合材料 并且不受基体合金种类与增强体类型的限制 通过粉末混合工 艺可以使增强相在金属基体中达到分布均匀 但此工艺设备复杂 成本偏高 不易制备形状复杂的零件 而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险 不 易进行大规模工业化生产 特别是对于制备体积偏大的金属基复合材料粉末冶 金法不是一种理想的制备方法 因此粉末冶金法主要应用于实验室研究 没有 得到推广 z t r o j a n o v a 等 1 2 采用粉末冶金方法制备了纳米颗粒增强的镁基复合 材料 较大地提高其力学性能 材料经3 3 0 热挤压后宏观组织清晰 材料的蠕 变性能也得到相应提高 郗雨林 l3 研究认为采用合适的烘粉处理后 m g 粉的新 旧程度对复合材料的性能无明显影响 热压工序可以使镁基复合材料的性能更 趋稳定 并且采用粉末冶金法制备了s i c 颗粒及晶须增强m b l 5 镁基复合材料 的试样 l 训 结果表明 s i c 颗粒和晶须能显著提高m b l 5 镁合金的室温强度和弹 性模量 且s i c 晶须的作用比s i c 颗粒更明显 l 正楠厂一 一均匀混合 一回一圈 图1 3 粉末冶金法流程图 f i g 1 3 t h ef l o wc h a r to fp o w d e rm e t a l l u r g y 1 2 4 薄膜冶金工艺 薄膜冶金工艺 f o i lm e t a l l u r g yp r o c e s s i n g 也称薄箔冶金扩散焊接工 艺 目前只在m g l i 基复合材料中使用 有人采用此法制备y b 4 c p 增强m g l i 基 复合材料 l 引 首先将铸造m g l i 合金切成薄片 然后进行多道次冷轧和退火处理 获得厚约0 2 m m 的合金箔 再将b 4 c d 置于酒精溶液中制成糊状 涂在合金箔的一 侧 室温下干燥后粘在一起 在2 0 0 下热压扩散结合 得到性能良好的超轻 b 4 c p m g l i 复合材料 由于合金的比表面积小 与粉末冶金法相比 该法可减 少表面污染 但工艺稍复杂 4 第1 章绪论 1 2 5 喷射沉积法 喷射沉积技术 图1 4 是英国斯旺西大学a s i n g e r 教授于1 9 6 8 年首先提出的 其目的是在于从熔融金属直接制得固态成品或半成品 l6 l 并于1 9 7 0 年首次公开 报道 而作为一种工程技术则是从1 9 7 4 年英国o s p r a y 公司取得专利权开始的 其 工艺的实质是 将液体金属在高压惰性气体喷射作用下雾化成微细颗粒 然后 喷射沉积在一定形状的收集基板上 得到快速凝固因而获得致密的金属半成品 喷射沉积法特点 得到细小 致密 成分均匀的组织 具有快速凝固工艺的特 点 生产工序简单 生产成本较低 适用于生产各种形状的预成形金属制品 k f h o 等人 1 7 采用喷射沉积技术制备了3 5 9 铜金属颗粒 平均粒度8 p m 1 1 m 增强a z 9 1 c u 复合材料 室温下性能测试表明 相仁k a z 9 1 1 0 体积分 数 s i c 该材料的屈服强度 抗拉强度分别提高了约1 2 1 1 5 l 左右 图1 4 喷射沉积制备方法示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ed i s i n t e g r a t e dm e l td e p o s i t i o np r o c e s s 1 2 6 原位生成法 原位生成法 1 8 峙旨增强材料在复合材料制造过程中 并在基体中自己生成和 生长的方法 增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出 也可与加入的相应元 素发生反应 或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生 成 前者得到定向凝固共晶复合材料 后者得到反应自生成复合材料 原位生 成复合材料的特点 增强体是从金属基体中原位形核 长大的热力学稳定相 因此 增强体表面无污染 界面结合强度高 而且 原位反应产生的增强相颗 5 第l 章绪论 粒尺寸细小 分布均匀 基体与增强材料间相容性好 界面润湿性好 不生成 有害的反应物 不须对增强体进行合成 预处理和加入等工序 因此 采用该 技术制备的复合材料的综合性能比较高 生产工艺简单 成本较低 从液态金 属基体中原位形成增强体的工艺 可用铸造方法制各形状复杂 尺寸较大的净 近成形零件 牛玉超 1 9 等研究认为采用石墨坩埚 电磁搅拌和铝熔体中加入镁 的工艺流程 可实现a 1 2 0 3 颗粒和铝熔体的有效复合 进而制备出a 1 2 0 3 p z a 3 5 锌基复合材料 与基体合金z a 3 5 相比 复合材料的耐磨性能有了明显的提高 崔峰等人 2 0 以a l 熔液为载体 采用原位反应生成形状规则 尺寸细小的t i b 2 颗粒相 再将t i b 2 颗粒传递到z a 2 7 合金中 形成t i b 2 颗粒增强的z a 2 7 复合 材料 t i b 2 颗粒在z a 2 7 复合材料中 分布均匀 平均直径在3 9 m 以下 并随 着t i b 2 颗粒含量增加 复合材料的抗拉强度 硬度明显提高 黄赞军 2 l 等研究 了原位反应中反应物配比中随着稀释剂铝量的增多 熔体内的自蔓燃反应启动 得越慢 剧烈程度降低 但是反应产物分布朝不均匀方向变化 熔体温度越高 反应启动得越快 而且剧烈 稀释剂镁粉的添加可以极大地缩短反应诱导时间 随着添加量的增加缩短更多 1 3 镁合金及镁基复合材料阻尼性能研究 1 3 1 阻尼性能的描述及表征1 2 2 1 阻尼 d a m p i n g 又称内耗 i n t e r n a lf r i c t i o n 是材料的一个由时间决定 的弹性相关的物理性能 22 根据弹性理论中的虎克定律 材料在弹性变形过程 中应力与应变满足如下关系 盯 m 6 1 1 其中m 代表弹性模量e 或剪切模量g 上述公式的成立应满足三个条件 2 3 1 即 应变对应力的响应是线性的 应 力和应变相位相同 应变是应力的单值函数 但实际加载过程中 应力与应变 之间往往不能同时满足上述三个条件 即非理想弹性 此时将产生阻尼 非弹 性常表现为滞弹性和粘弹性 滞弹性根据应力应变之间是否满足线性关系分为 线性和非线性滞弹性 因此阻尼也可分为线性和非线性滞弹性阻尼及粘弹性阻 尼 2 4 6 第1 章绪论 f 1 芴 疋 钐 e j1 低 o 蚴矗 叫0 卜一 a b 图1 5 损失角示意图 f i g 1 5t h ei m a g eo fl o s sa n g l e 材料的阻尼性能常被定义为材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消 耗的现象1 2 5 1 这种损耗来源于材料内部的结构特点和结构缺陷 材料的阻尼性 能可灵敏地反映材料内部的特点 当材料受循环载荷作用时 应力应变之间的 实际关系如下 o r o oe x p i c o t 1 2 s 7 0e x p i c o t 一矽 1 3 其中 y 0 和 o 为应力和应变的振幅 t 为时间 t 0 为振动的角频率 q 为应变滞后 应力的损失角如图1 5 所示 e 里 鱼 c o s 矽 f s i n 矽 巨 退 1 4 占 s o 其中e l 争c o s 矽称为储能模量或动态模量 而巨 鱼s m 矽则称为损失模量 0 e 0 常用于表征材料阻尼性能的参数及它们之间的关系如下 1 损耗系数卟损耗正切t a n 矽和损失角矽 损耗系数为损失摸量与存储摸量之比与损耗正切和损失角的关系j t g f 叮 专 t a n 1 5 乜l 2 比阻尼 s d c 或 i 2 6 材料受循环载荷 应变落后于应力 在应力与应变曲线上形成一个滞后圈 比阻尼即振动循环一周中 损失能量和存储的最大能量之比 形 扣沈 f s i n w t d s i n w f 一矽 砜氏s i n 矽 1 6 1 形 岛 1 7 7 第l 章绪论 沙 等 2 7 r s i 吣2 r t a n 2 却 其中a w 和w 为振动一周过程中的损失能量和最大存储能量 3 对数衰减率6 此量描述试样自由振动过程中 振幅的衰减变化 从而反映阻尼性能 万 i n 生 彳肿1 进一步推导可知 1 8 1 9 肚l n 铲1 呱 华 等 1 1 0 其中a n 和a n 1 分别为试样周期循环振动中第1 1 次循环和第n 1 次循环 的振幅 4 品质因子倒数q q f f 1 11 其中f l f 2 和e 为受迫振动试样频率谱中的半高宽频率和共振频率 对衰减 较小的场合 t a n o 1 通常用t a n q 或t 1 来表征材料的阻尼性能 它们 之间存在如下关系 2 7 矽 t a n c p r q 8 z t 2 r c 1 1 2 对衰减能较大的场合 如s d c 4 0 通常用s d c 来表征材料的阻尼性能 此时存在 s d c 1 e x p 2 8 1 1 3 1 3 2 镁及镁合金阻尼性能研究现状 金属型阻尼材料按照其减展机理分为复合型 a 1 z n f e c s i 等 共晶型 或界面型 m n c u ti n i 等 位错型 m g mg z r mg s i 等 铁磁型 f e n i f e c r 等 4 类 镁合金是位错型阻尼材料 对镁合金阻尼性能的研究主要应用材 料学的各种方法 研究外界各种因素对镁合金阻尼性能的影响 镁合金的阻尼 大小与合金中位错和杂质原子的密度与形态有密切关系 而合金成分 温度 振幅 热处理以及人工时效等对位错和杂质原子的密度 形态与活动能力都有 影响 因此均能影响镁合金阻尼的大小 w r i e h e m a n n 等人 2 8 的实验中 连续测 量了纯镁在最大振幅连续增大到一定值 随后又连续减小到初始应变振幅过程 的阻尼变化情况 得到纯镁的内耗谱 发现纯镁的阻尼性能随应变最大振幅的 增大而增加 刘子娟 刘楚明等 2 9 1 对a z 6 1 镁合金进行热处理 研究了退火态和 第1 章绪论 热循环态等不同状态下的a z 6 1 镁合金的阻尼性能 发现经过热处理之后的镁合 金的阻尼性能要优于未经过热处理的合金 g o k e nj 等 3 0 对固溶后的a z 9 1 进行固 溶热处理 t 4 即在一定的温度下保温2 0 m i n 后在水中淬火 发现温度在4 1 3 以下的热处理对a z 9 1 的阻尼性能没有太大的影响 但在热处理温度高于4 1 3 时 由于在淬火过程中产生微裂纹 阻尼性能随热处理温度的增大而快速增大 1 3 3 镁基复合材料阻尼性能研究现状 和镁合金比较 对镁基复合材料的阻尼性能的研究相对较多 复合材料在 大多数情况下具有比基体合金材料稍好的阻尼性能 这可归因于第二相的加入 增加了基体中的位错密度等晶体缺陷 第二相本身有更好的阻尼性能 以及两 相结合界面吸收振动能等因素 3 l 3 2 l 现今对镁基阻尼复合材料所进行的研究中 一般选择本身阻尼性能较好的纯m g m g z r 和m g a 1 作为基体 把它们与常用的 增强体 如碳化硅颗粒 硅酸铝短纤维 短切碳纤维 碳化硅晶须 硼酸铝晶 须 a 1 2 0 3 颗粒碳 石墨纤维等 通过不同的制备工艺复合制成复合材料 镁基 复合材料由于所使用的基体 增强相以及制备方法的不同 其阻尼性能相差较 大 但总体阻尼性能要好于镁合金 并且可以获得机械性能与阻尼性能的优良 综合效果 新加坡的n a r a s i m a l us r i k a n t h 等 3 3 尝试以纯镁为基体 以2 0 t x m 的碳化 硅颗粒为增强体 采用分离沉积法 d i s i n t e g r a t e dd e p o s i t i o nm e t h o d 制备复合材 料 发现纯镁基复合材料的阻尼性能大大提高 捷克的z t r o j a n o v a 等以纯镁为基 体 以直径为3 t x m 长度为8 7 i t m 的6 a 1 2 0 3 为增强相 挤压铸造出纤维体积含量 为2 4 5 的镁基复合材料 并对它进行室温至不同高温下的热处理 发现其阻尼 性能增大 阻尼的临界转变应力6 c 随热处理温度的升高而降低 得出基体与增强 纤维之间热膨胀系数的不同产生的位错是内耗随热处理温度升高而增大的主要 原因 3 4 j 上海交大的张小农 张荻等以纯镁为基体 以碳化硅颗粒和硅酸铝短 纤维为增强相 两者体积比为1 1 采用液态压力浸渍方法 制备出混杂增强 镁基复合材料 再将复合材料分别进行退火处理和热循环处理 发现其阻尼性 能与其状态关系密切 相对于纯镁都得到了不同程度的提高 3 5 1 9 第1 章绪论 1 4 镁合金及镁基复合材料高温蠕变性能研究 1 4 1 蠕变性能的表述 材料的蠕变性能是材料高温力学性能的一个重要的表征 所谓蠕变就是材 料在长时间的恒定载荷 恒定温度作用下缓慢地产生塑性变形的现象1 2 引 在给 定的应力下 随着温度的升高 通常将蠕变分为3 种类型 1 当温度t 0 3 t m t m 为绝对温度表示的材料熔点 时发生的蠕变称之为对数蠕变 又称低温蠕 变 2 当0 3t m t 0 9t m 时 蠕变称为高温扩散蠕变 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述 对于金 属材料和陶瓷材料 典型的蠕变曲线如图1 6 所示 o a 段是施加载荷后 试样产 生的瞬时应变 o 不属于蠕变 从a 点开始随时问的延长而产生的应变属于蠕变 图中a b c d 曲线即为蠕变曲线 曲线上任意一点斜率 表示该点的蠕变速率 按照蠕变速率的变化特点 可以将蠕变过程分为3 个阶段 第1 阶段 初始蠕变阶段 a b 合金在高温加载的瞬间 由于应力超过了产 生应变的门槛应力产生瞬间应变 此时合金中位错迅速增殖 宏观上表现为蠕 变曲线的初始应变 随后出现的蠕变速率减小 对应于合金中因大量位错塞 积而发生的应变硬化 纷长窭 夕 0 哼 专 专时 t 箫 第二阶段籀 i 阶段除段 图1 6 金属蠕变三个典型阶段 f i g 1 6 t h r e er e p r e s e n t a t i v ec r e e ps t a g e so fm e t a l 1 0 第1 章绪论 第 阶段 稳态蠕变阶段 b c 高温蠕变过程中 一方面在外力作用下 由 于位错的塞积和增殖产生应变硬化 另一方面热激活促使位错进行滑移或攀移 减缓了局部位置的应力集中 使回复发生 因此 当应变硬化与回复软化处于 平衡状态时 蠕变进入稳态阶段 稳态蠕变获得的蠕变速率即为稳态蠕变速率 第 i 阶段 加速蠕变阶段 c d 随着蠕变过程的进行 蠕变速率急剧增高进 入加速蠕变阶段 直至断裂 所以蠕变同时间的关系可以表示为 2 3 占 s 厂o d o 矽 1 1 4 1 4 2 镁合金高温蠕变性能研究现状 目前汽车上的镁合金零部件大多是压铸件 其中a z 和a m 两个系列的 m g a 1 系合金占了压铸镁合金用量的9 0 以上 但它们的长期工作温度不能超 过1 2 0o c 3 6 j 无法应用于高温条件下使用的汽车零部件 目前 改善m g a 1 系 合金的抗高温蠕变性能的方法主要有3 种 即细晶强化 固溶强化和晶界强化 晶粒大小对金属材料高温性能影响很大 当使用温度低于等强温度时 细晶粒 组织有较高的强度 当使用温度高于等强温度时 粗晶粒组织有较高的蠕变抗 力 固溶处理可以明显增强镁合金压铸件的抗蠕变性能 在高温蠕变过程中 固溶强化的作用主要表现在对回复过程的影响 溶质原子能降低位错的滑移速 率 延缓回复过程 从而降低镁合金的蠕变速率 向镁合金中添加固溶度较高 的合金元素 提高其时效硬化能力 可以明显提高其抗蠕变能力 在a z 9 1 合金 晶界上的b 相 m 9 1 7 a 1 1 2 熔点较低 导致高温条件下的晶界滑移 是镁合金高 温蠕变性能差的主要原因 通过向镁合金中添加合金元素 在晶界处形成适当 的金属问化合物 取代原有的b 相 可提高其抗蠕变能力 东南大学的白晶 孙扬善等人 3 在a m 4 0 镁合金中加入c a s r 元素 研 究镁合金的蠕变性能的变化情况 发现当c a s r 加入后a m 4 0 镁合金的合金显 微组织中形成了热稳定性很高的中间相m 9 2 c a a 1 2 c a 和m 9 2 a 1 2 s r 相 因而大 幅度的提高了合金的抗蠕变性能 柳延辉等人 38 制备了一种a 1 2 t i 2 c 中间合金 发现其可以有效地细化镁合金的晶粒 细化后的a z 6 1 合金的抗腐蚀性能大大提 高 他们通过分析为 a h t i 2 c 中间合金中起晶粒细化作用的是a 1 4 c 3 和t i c 的 复合相 加入a 1 2 t i 2 c 后 a z 6 1 合金的晶粒细化非常明显 未加a 1 2 t i 2 c 的a z 6 1 的晶粒为粗大的树枝晶 平均尺寸约为1 5 r a m 加入a 1 2 t i 2 c 以后 晶粒变得细 小 晶粒平均尺寸约为3 0 0 1 a m 袁广银等人 3 9 把0 5 0 旷2 o 的b i 加入a z 9 1 合 第1 章绪论 金中 实验结果表明 b i 的加入延长了合金的时效进程 有效地抑制了时效组 织中非连续析出相的形成 促进了连续沉淀相的析出 他们采用电子束微区分 析 e d a x 和透射电镜 t e m 的研究表明 b i 的加入使a z 9 1 合金中形成了 组成较复杂的连续析出相m 9 1 7 a 1 b i 1 2 该析出相与基体之间具有复杂的半 共格位向关系 提高了强化相的热稳定性 从而有助于合金高温力学性能的改 善 他们还通过添加s n s b 等元素合金化 s n 对镁的强化作用不因为温度的升 高而消失 在高温下合金强度随s n 含量增加而增加 合金的屈服强度和抗拉强 度也上升 且在s n 的质量分数达3 时达到峰值 当s n 的质量分数低于3 时 s n 的加入还能使合金室温塑性得到改善 根据研究分析 4 0 在m 9 2 s n 系列合金中 s n 的质量分数超过0 4 5 时 显微组织中出现高熔点m 9 2 s n 相 大量的m 9 2 s n 颗粒分布于基体的晶界 可以有效地阻止高温拉伸时晶界的滑移 从而使合金 的耐热性能得到改善 使镁合金组织细化 在晶界处形成稳定的弥散强化相 使合金的蠕变性能有一定的提高 1 4 3 镁基复合材料蠕变性能研究现状 镁基复合材料目前研究主要集中在纤维增强 颗粒增强 晶须增强三类镁 基复合材料 4 1 1 s k l e n i c k av 等人 4 2 对挤压铸造法制备的a 1 2 0 3 f a z 9 1 复合材料 的蠕变性能和组织演化进行了研究 a 1 2 0 3 f a z 9 1 复合材料的蠕变塑性比a z 9 1 合金有所降低 分析了4 2 3 k 与4 7 3 k 下复合材料的最低蠕变速率与应力的关系 可以得到在整个应力区间内 a 1 2 0 3 龙9 1 复合材料的抗蠕变性高于a z 9 1 合金 其最低蠕变速率比相同条件下a z 9 1 合金的低3 个数量级 基体与增强相之间的 载荷传递是该复合材料抗蠕变性能提高的主要原因 s k l e n i c k av 4 3 j 等人同时研 究了挤压铸造a 1 2 0 3 t c q e 2 2 复合材料的蠕变性能 并与采用相同工艺制备的纯镁 a z 9 1 以及a 1 2 0 3 泫9 1 的蠕变性能进行了对比分析 结果表明 a z 9 1 合金的蠕 变抗力优于镁 a 1 2 0 3 p a z 9 l 复合材料的最小蠕变速率比a z 9 1 的小2 3 个数量 级 而a 1 2 0 3 f q e 2 2 复合材料的蠕变抗力则与a 1 2 0 3 f a z 9 1 的相近 刘贯军等人m 采用晶化的硅酸铝短纤维为增强体 以磷酸铝为预制体黏结 剂 通过挤压浸渗工艺制备了a z 9 1 d 镁基复合材料 通过光学显微分析 x r d 衍射分析 s e m 扫描分析等 初步观察研究了硅酸铝短纤维增强镁基复合材料 的界面反应规律和反应产物 结果表明 镁与磷酸铝黏结剂反应后在界面上生 成一定数量的m g o 颗粒和少量的m g a l 2 0 4 颗粒 致使硅酸铝增强纤维和镁合金 1 2 第1 章绪论 基体之间形成较强界面结合 另外 在硅酸铝短纤维的晶化处理过程中 由于 非晶态s i 0 2 的析出 导致m 9 2 s i 脆性相在界面附近产生 从而对该复合材料的 高温力学性能产生一定影响 李淑波等人 4 5 利用热模拟试验机对s i c w a z 9 1 复 合材料和a z 9 1 镁合金进行高温压缩变形行为研究 结果表明 晶须的转动和折 断导致复合材料的应变软化现象较合金明显 复合材料及合金的应变速率敏感 指数 m 和表观激活能 q 均随温度的升高而增大 晶须的加入细化了晶粒 使复合材料的m 值比合金高 同时晶须的加入也限制了位错交滑移和晶界的迁 移 因此复合材料的q 值比合金高 压缩变形过程中 合金和复合材料发生了 动态回复及动态再结晶 d o n gq 等人 4 6 用m g o m g a s i 颗粒增强m 9 2 l i 基复合 材料的抗蠕变性能研究表明 m g o m g z s i 颗粒显著改善了m 9 2 l i 合金的高温抗 蠕变性能 且随温度的升高和增强颗粒含量的增加 改善效果更明显 1 5 本课题的选题意义与主要研究内容 1 5 1 本课题的选题意义 随着国际性能源危机的冲击 以及环保 节能方面的压力 在许多领域 传统钢铁材料已被各种综合性能优良的新型材料所代替 近年来 随着航空航 天 交通运输 电子信息产业的发展 新型轻合金材料的研发受到各国的高度 重视 与其他金属结构材料相比 镁及镁合金具有比强度 比刚度高 减振性 电磁屏蔽和抗辐射能力强 易切削加工 易回收等一系列优点 在航空航天 交通 电子电器和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的前景 是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料 并称之为2 1 世纪的绿 色工程材料 金属基复合材料与合金基体相比 密度低 有高的比强度 比刚 度和良好的综合性能 这使得复合材料成为高新材料发展的热点方向之一 与 基体镁合金相比 镁基复合材料具有耐磨性高 高的阻尼性能 热膨胀系数小 好的耐高温蠕变能力 压延后具有较高室温和高温强度 八十年代中期 美国 用铸造法制备了陶瓷颗粒增强a z 9 1 镁基复合材料 并制造出皮带轮 链轮 油 泵盖等样件 其优异的性能引起了人们的关注 而我国在这方面还处于试验研 究阶段 因此 镁基复合材料是高技术领域中最有希望采用的金属基复合材料 之一 本文所研究的搅拌铸造法制备的s i c 颗粒增强金属基复合材料 具有