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Mg_2Si/Al复合材料组织与性能的研究

秦庆东

   Mg_2Si/Al复合材料具有密度低,比模量高,制备工艺简单,成本低廉等优点,适合用来制作汽车发动机缸套、制动盘等轻量化重要部件。然而,在铝基体中初生Mg_2Si增强相通常较粗大,且多呈尖角状,割裂基体、降低性能,因此,改变增强体的形态和尺寸,提高其强韧性就成为当前急需解决的首要问题。本文通过研究初生Mg_2Si增强相在Al基体(熔体)中结晶、生长特性,探讨了冷却速度对Mg_2Si晶体生长方式的影响;通过添加合金元素、采用半固态成形技术以及过热、重熔等方法有效地控制了Mg_2Si/A1复合材料的显微组织,探讨了相关过程的科学问题;研究了变质前后Mg_2Si/Al复合材料的力学特性和干滑动磨损行为。 研究结果表明,Mg_2si/Al复合材料按照如下凝固过程进行:L-L1+Mg_2sip-L2+(Al+Mg_2Si)e+Mg_2Sip-(Al+Si+Mg_2Si)e+(Al+Mg_2Si)e+Mg_2Sip,并基于傅立叶一维传热模型,确定出当冷却速度高于1.169×10_6℃/s时,Mg_2Si在铝熔体中的生长方式由典型的小平面生长转变为非小平面的生长,改变了材料的组织形态,并初步探讨了Mg_2Si晶体的生长特性。实验研究发现磷、锶、稀土以及熔体过热处理技术均能使初生Mg_2Si形貌转变为细小的多边形,变质机理分别为结晶核心、吸附毒化、改变固液界面能和消除合金的遗传结构,初步揭示了磷、锶的加入对初生Mg_2Si晶体生长方式的影响规律。 实验发现采用应变诱发法、冷斜面技术和等温热处理法能够成功地制备出初生Mg_2Si增强相与a-A1基体双重球化的半固态复合材料坯料,有效地控制了组织特征,计算表明在冷斜面技术制备半固态过程的等温保持阶段,a-Al晶粒的立方粗化速率常数为k=1.02×10~16m~3s~-1,并研究了以上过程的球化、粗化机理;对比发现,变质之后的半固态复合材料的增强相与Al基体的球状晶更加圆整与细小,同时探讨了影响机制。 经过电弧重熔后,Mg_2Si/Al复合材料能够形成显微组织呈梯度分布的材料,分析表明由于铜模散热能力的不同而形成从上至下互相平行的枝晶;采用单向重熔淬火技术能够制备出多层功能梯度材料,研究表明,由于温度的差异导致了材料的组织成为多层,讨论了制备过程的科学问题。 实验揭示出经过T6热处理后变质的复合材料的抗拉强度和延伸率比未变质的复合材料分别提高了25%和31.1%;磨损测试发现,由于变质后的初生Mg_2Si颗粒细小,致密,分布更加均匀,且不易破碎,能够抑制塑性变形的出现,抗塑性流动能力有了明显的增强,导致了变质后的复合材料耐磨性能高于未变质的复合材料。……   
[关键词]:Mg_2Si/Al复合材料;组织控制;变质;半固态;力学特性;磨损特性
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:吉林大学2008年
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