慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金及SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料的显微组织和力学性能研究

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本文采用超声辅助半固态搅拌铸造工艺制备出Mg-4Zn-0.5Ca合金和体积分数为2vol.%的SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料,并对其进行慢速挤压变形。系统研究了挤压温度和挤压速率对慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金和SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料显微组织、织构和力学性能的影响规律,并阐明了合金和复合材料在慢速挤压过程中的组织演变规律。研究结果表明,SiCp的引入可细化Mg-4Zn-0.5Ca合金晶粒尺寸,同时还能改善晶界上呈连续网状的Ca2Mg6Zn3相的分布,使得铸态SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料的室温拉伸力学性能显著提高。经慢速挤压变形后,合金和复合材料晶粒尺寸显著细化,DRX晶粒尺寸及其体积分数均随挤压温度和挤压速率的升高而增大。挤压态合金和复合材料中存在大量动态析出相MgZn2相,且随着挤压温度和挤压速率的升高,合金中MgZn2相的平均尺寸增大但其体积分数逐渐降低,而复合材料中MgZn2相的平均尺寸及其体积分数均不断增大。与合金相比,慢速挤压变形SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料的DRX晶粒尺寸进一步细化,DRX体积分数大幅提高,且MgZn2相的平均尺寸明显增大,表明添加少量SiCp可有效细化基体合金DRX晶粒,显著提高其DRX率,同时还能促进MgZn2相的析出与长大。Mg-4Zn-0.5Ca合金和SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料的慢速挤压变形过程是DRX和MgZn2相动态析出不断进行的过程。沿孪晶界和原始晶粒晶界“弓出”形核是慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金的主要DRX机制。与合金不同,复合材料中DRX首先发生在SiCp周围和原始晶粒晶界,沿孪晶界“弓出”形核也是其重要的DRX机制之一。新生成的DRX晶粒可以促进MgZn2动态析出相的形核和长大,导致MgZn2相尺寸和体积分数增大,同时弥散分布的MgZn2动态析出相能钉扎DRX晶界,阻碍DRX晶粒的长大,导致晶粒尺寸的细化。慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金表现出强烈的基面织构,且织构强度随挤压温度和挤压速率的升高而降低。MgZn2动态析出相并不是影响慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金织构强度的主要因素,DRX晶粒尺寸及其体积分数是慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金织构强度的决定性因素。慢速挤压变形Mg-4Zn-0.5Ca合金和SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料的室温拉伸力学性能受挤压温度和挤压速率的显著影响。随着挤压温度和挤压速率的降低,合金和复合材料的屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)提高,合金的延伸率(EL)不断降低,而复合材料EL则表现出随挤压温度的降低而升高、随挤压速率的降低先降低后升高的趋势。当挤压温度为280oC挤压速率为0.01mm/s时,合金和复合材料综合力学性能最好。同时慢速挤压变形SiCp/Mg-4Zn-0.5Ca复合材料的力学性能显著优于合金,其中YS为322.7MPa,UTS为409.1MPa,EL为10.1%,表明通过动态析出MgZn2纳米相和外加微米SiCp相结合的方法可实现镁基体合金强度和塑性的同步提高。
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