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

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本文选用Mg-6Zn-0.5Ca(ZX60)合金作为基体,微米级金属Tip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Tip/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Tip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Ca2Mg6Zn3相,其沿晶界呈现半连续网状分布。添加20μm 5 vol.%Tip后,晶粒显著细化;Ca2Mg6Zn3相优先依附于Tip表面形核,并且其形貌转变为絮状。随着Tip含量的增加,Tip/ZX60复合材料的晶粒尺寸逐渐减小;大量Ca2Mg6Zn3相包裹在Tip周围形核,晶界处的Ca2Mg6Zn3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,Tip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,Tip/ZX60复合材料的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)逐渐增加。20μm 10 vol.%Tip/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.%Tip/ZX60复合材料经热挤压后,Tip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 Zn2相。随着挤压温度的升高,Tip长径比减小;DRX体积分数和晶粒尺寸均增大;Mg Zn2析出相的尺寸增大,但体积分数减小。与铸态Tip/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Tip/ZX60复合材料的DRX晶粒尺寸减小,且DRX体积分数增加;Mg Zn2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 Zn2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Tip后,Tip/ZX60复合材料的YS、UTS均得到不同程度的提升。20μm 10 vol.%Tip/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%。Tip/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.%Tip/ZX60和60μm 10 vol.%Tip/ZX60复合材料的应变硬化行为和软化行为。结果表明可变形Tip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Tip/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Tip/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~3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.%Tip/ZX60复合材料的激活体积最小,为25~35 b~3。Tip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Tip/ZX60复合材料具有小的晶粒尺寸,促进了位错的回复;并且,Tip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。
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