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搅拌摩擦加工制备Al_2O_3、Ti颗粒增强AZ31镁基复合材料及其力学性能

作　者: 王开东
导　师: 王轶农
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料表面工程
关键词: 镁合金复合材料搅拌摩擦加工显微硬度显微组织
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

颗粒增强金属基复合材料（MMC）中是一种应用广泛的新型材料。由于其优异的高温强度,高耐磨性,高比刚度等力学性能和良好的可加工性等优点,已在航空航天、汽车和其它制造业作为结构材料得到了广泛应用。与铝基复合材料相比,镁基复合材料具有更低的密度,在航空航天、汽车等工业领域具有更广阔的应用前景。但是由于颗粒增强镁基复合材料的制备问题尚未得到良好的解决,从而制约了它的应用和发展。英国焊接研究所（TWI）提出了搅拌摩擦焊接（FSW）的专利技术,这是一种新型的固相连接技术,与传统的焊接方法相比具有许多优点,已经被应用于许多材料的连接。近年来,在FSW基础上发展起来的搅拌摩擦加工工艺（FSP）,在Al、Mg等材料表面局域改性方面取得了较好的研究成果,是当前研究的热点之一。本文利用搅拌摩擦加工工艺（FSP）制备了钛颗粒与Al₂O₃颗粒增强AZ31镁基复合材料。搅拌摩擦加工工艺为:采用GT35硬质合金钢制作搅拌头的前端搅拌针,使用45号钢做成基座。搅拌摩擦加工工艺所用转速为800r/min,前进速度为45mm/min,搅拌头倾角为1.5°。对利用FSP方法制备的Al₂O₃和Ti颗粒增强的AZ31镁基复合材料进行显微组织分析与力学性能测试,并对复合层的晶粒细化机制及相应的强化机制进行分析讨论。实验结果表明,加入Al₂O₃颗粒与加入40vol%Ti颗粒的复合层,其抗拉强度较基体有较大提高,加入强化相Al₂O₃颗粒平均尺寸为15nm加入量为5vol%的复合层,其室温抗拉强度可提高至220MPa,延伸率为13%。四组样品的屈服强度随温度的升高呈下降趋势。利用SEM观察复合层显微组织,在搅拌摩擦加工与动态再结晶的双重作用下晶粒尺寸细化至3～5μm,强化相Al₂O₃颗粒与Ti颗粒在搅拌头的作用下分别发生不同程度的团聚与碎化,Al₂O₃颗粒团聚尺寸为120nm～500nm;碎化后Ti颗粒尺寸为200nm。X射线衍射结果表明含有Al₂O₃颗粒的复合层在搅拌摩擦加工过程中与基体发生界面反应生成尖晶石型化合物MgAl₂O₄,对复合材料进行拉伸断口分析,利用单轴压缩等应变模型与单轴压缩等应力模型对复合层进行显微硬度计算,计算结果与试验结果相一致。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 选题意义  9-10
  1.2 颗粒增强镁基复合材料的研究现状  10
  1.3 外加颗粒增强镁基复合材料  10-21
    1.3.1 搅拌铸造法  10-13
    1.3.2 挤压铸造法  13-14
    1.3.3 粉末冶金法  14-15
    1.3.4 熔体浸渗法  15-17
    1.3.5 喷雾沉积法  17-18
    1.3.6 薄膜冶金法  18-19
    1.3.7 搅拌摩擦加工法  19-21
  1.4 本课题提出意义  21-23
2 实验材料及方法  23-32
  2.1 实验材料  23-24
  2.2 搅拌摩擦加工试验过程  24-27
  2.3 搅拌头的选择  27-29
  2.4 复合层拉伸性能测试试验  29-30
    2.4.1 拉伸时注意事项  30
    2.4.2 试样磨光时的注意事项  30
  2.5 复合层显微硬度测试试验  30-31
    2.5.1 实验装置  31
    2.5.2 实验方法  31
  2.6 复合层X射线衍射实验  31
  2.7 复合层显微组织观察实验  31
  2.8 复合层断口形貌观察实验  31-32
3 实验结果与分析  32-51
  3.1 复合层宏观组织观察与分析  32-33
  3.2 复合层冠状区域显微组织金相观察分析  33-34
  3.3 复合层显微组织金相观察  34-39
    3.3.1 AZ31/Al_2O_3颗粒复合层金相  35-37
    3.3.2 AZ31/Ti颗粒复合层金相  37-39
  3.5 复合层强化相颗粒分布状态SEM观察与分析  39-42
    3.5.1 AZ31/Al_2O_3颗粒增强复合层SEM  39-40
    3.5.2 AZ31/Ti颗粒增强复合层SEM  40-42
  3.6 复合层X射线衍射分析  42-43
  3.7 复合层接头横截面区域显微硬度测定  43-44
  3.8 复合层抗拉强度测定  44-46
  3.9 基体与复合层拉伸断口形貌分析  46-50
    3.9.1 AZ31基体拉伸断口形貌  46-47
    3.9.2 AZ31/Al_2O_3复合层拉伸断口形貌  47-49
    3.9.3 AZ31/Ti复合层拉伸断口形貌  49-50
  3.10 本章小结  50-51
4 讨论  51-58
  4.1 颗粒增强镁基复合材料的增强机理  51
  4.2 搅拌摩擦加工处理晶粒细化机制  51-52
  4.3 位错增殖机制  52
  4.4 位错与增强颗粒的交互作用  52-54
    4.4.1 位错绕过不易变形颗粒(Al_2O_3颗粒)  53
    4.4.2 位错切过易变形颗粒(Ti颗粒)  53-54
  4.5 实验温度对镁基复合材料拉伸性能的影响  54
  4.6 复合层显微硬度计算  54-57
  4.7 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-64
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  64-65
致谢  65-66

搅拌摩擦加工制备Al_2O_3、Ti颗粒增强AZ31镁基复合材料及其力学性能

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