累积叠轧超细晶mgal复合板的界面及力学性能研究
摘 要摘 要本文采用累积叠轧工艺（ARB）制备Mg/Al多层复合板材，研究Mg/Al多层复合板材的微观组织、Mg/Al界面、力学性能和退火后的组织与性能。采用光学显微镜、扫描电镜、XRD分析Mg层宏观形貌，微观组织演变，Mg/Al界面结构；采用拉伸测试、界面剪切测试及硬度测试研究Mg/Al复合板材的力学性能；采用退火工艺研究退火温度对不同道次Mg/Al复合板材的微观组织、力学性能的影响。室温条件下，采用累积叠轧工艺制备1060纯铝和AZ31镁合金的多层复合板材，Al/Mg/Al三明治复合板材的界面相对平直，2道次后Mg层出现了局部颈缩，3、4道次后Mg层出现了断裂，3道次后Mg/Al界面发生了明显的扩散，扩散层中金属间化合物分别为Mg17Al12、Al3Mg2，随着轧制道次的增加扩散层厚度随之增加。1、2道次Mg层晶粒明显细化和均匀化，未剪切区域晶粒尺寸较大，剪切区域晶粒尺寸较小，3、4道次后晶粒细化程度不明显，晶粒分布更均匀。随着轧制道次的增加，Mg层和Al层的硬度逐渐增加，界面结合得到明显改善，而Mg/Al复合板的抗拉强度呈不规则的变化趋势，断裂后呈现典型的韧性断裂特征。Mg/Al多层复合板材采用相同的退火时间60min，不同温度250℃、300℃、350℃、400℃的退火处理，随着退火温度的升高，Mg层晶粒发生了晶粒长大现象，Mg层晶粒尺寸逐渐增大， Mg层和Al层的硬度明显下降。关键词：Mg/Al复合板材；累积叠轧工艺；界面结构；微观组织；力学性能；退火处理； 目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景及研究的目的、意义 1
1.2 常见金属复合板制备方法 1
1.2.1 爆炸复合法 2
1.2.2 扩散焊接法 2
1.2.3 轧制复合法 2
1.3 累积叠轧工艺(ARB) 3
1.3.1 累积叠轧工艺的技术原理 3
1.3.2 累积叠轧技术在Al合金中的应用 5
1.3.3 累积叠轧技术在Mg合金中的应用 5
1.3.4 累积叠轧技术在Mg/Al复合板中的应用 7
1.4本文主要研究内容 8
第二章 试验材料与方法 9
2.1 试验材料 9<
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积叠轧工艺(ARB) 3
1.3.1 累积叠轧工艺的技术原理 3
1.3.2 累积叠轧技术在Al合金中的应用 5
1.3.3 累积叠轧技术在Mg合金中的应用 5
1.3.4 累积叠轧技术在Mg/Al复合板中的应用 7
1.4本文主要研究内容 8
第二章 试验材料与方法 9
2.1 试验材料 9
2.2 累积叠轧板材的制备 9
2.2.1 轧制设备 9
2.2.2 ARB制备Mg/Al多层复合板材的流程 9
2.3 分析测试方法 10
2.3.1 光学显微组织观察 10
2.3.2 SEM显微组织观察 11
2.3.3 X射线衍射分析 11
2.3.4 硬度测试 11
2.3.5 界面结合强度 11
2.3.6 室温拉伸性能测试 12
第三章 实验结果与讨论 13
3.1 ARB变形Mg/Al复合板材显微组织 13
3.1.1 Mg/Al复合板材的低倍显微形貌 13
3.1.2 SEM显微组织观察 14
3.1.3 SEM界面线扫描分析 15
3.2 X射线衍射分析 16
3.3 Mg/Al多层复合板材的力学性能 17
3.3.1 Mg/Al复合板材的界面剪切测试 17
3.3.2 Mg/Al复合板材的室温拉伸性能 18
3.3.3 Mg/Al复合板材的硬度测试 19
3.4 ARB变形Mg/Al复合板材的拉伸断口分析 20
3.5退火处理对Mg/ Al复合板材组织和硬度影响 21
3.5.1退火对Mg/ Al复合板材组织的影响 21
3.5.2退火对Mg/ Al复合板材硬度的影响 24
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪 论
1.1课题背景及研究目的、意义
在实际工程应用的金属材料中，镁及镁合金密度最低，具有良好的比强度和比刚度，较好的尺寸稳定性，优异的电磁屏蔽性和阻尼性能以及很好的回收率[1]。基于这些突出的良好性能，近年来，世界各国高度重视镁及镁合金的研究与开发，将镁资源作为21世纪的重要战略物资，加强了镁及镁合金在汽车、计算机、通信、航空航天及国防领域的应用开发研究，镁及镁合金越来越受到关注，地位越来越重要，更被誉为21世纪的超轻量绿色金属材料[2]，具有极其广阔的应用前景和极其重要的应用价值。但镁及镁合金的低强度、低弹性模量、较差的成形性能、较差的耐蚀性等缺点限制了其的进一步发展。铝及铝合金具有较高的强度、较高的弹性模量、良好的加工成形性及耐腐蚀性，其自身也有不可忽视的缺点，如较差的耐磨性，较高的线膨胀系数。
金属层状复合材料是由几层不同性能的金属材料，通过复合工艺使其牢固稳定的结合在一起形成的一种新材料，与单组元合金相比，经过合理设计组合后的材料可以获得相对较高的强度、耐蚀、导电、导热、导磁等优秀的综合性能，并应用于特殊要求的工作环境。金属层状复合材料的特点在于能够充分发挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学性能，大大节约稀贵金属以降低成本。通过对金属的合理选择以及适当的加工工艺，可以获得不同需要的层状金属复合材料。
近年来, 采用剧烈塑性变形(SPD, Severe Plastic Deformation) 的方法来获得晶粒尺寸小于1um块体超细晶材料引起人们的广泛关注。超细晶结构的金属材料相对于传统金属材料在室温下具有高强度和高韧性, 在高温下具有高变形速率、超塑性和一定的物理特性[35] , 从而改善材料的综合性能。目前制备块体超细晶材料的剧烈塑性变形方法主要有以下几种：高压扭转法(High pressure and torsion，HPT)、等径角挤压变形法 (Equal channel angular pressing，ECAP)、反复折皱压直(Repetitive corrugation and straightening，RCS)、累积叠轧 (Accumulative Roll Bonding ，ARB)等技术。
1.2 常见金属复合板材的制备方法
金属层状复合材料是由两层或两层以上不同性能的金属复合而成的一种新型材料，其主要工艺分别有爆炸复合法，扩散焊接法，轧制复合法等等，其中，轧制复合法由于生产效率高，设备简单，是生产复合板材的主要方法[6]。
1.2.1 爆炸复合法
爆炸复合法是利用炸药爆炸所产生的能量作为能源，使覆板碰向基板，在双金属间产生瞬间高温和高压，在被焊接的金属间形成牢固结合的一种焊接方法。爆炸焊接的界面具有金属的塑性变形、熔化、扩散等特征[7]。其最大特点是对金属材料的组合有广泛的适应性，通过爆炸能在瞬间将强度相差悬殊、膨胀系数不同、性能互不相熔的金属，迅速强固地焊接复合成一体，都能在固态下形成连续的冶金结合，而在本质上却不改变原材料的化学成分、结构及性能，结合强度也将优于其它固态结合方法所得到的产品。但爆炸复合法具有噪声大，污染严重，机械程度低，劳动条件差，不适于连续化生产及薄板生产等缺点[8]。
1.2.2 扩散焊接法
扩散焊接是压焊的一种,它是指在相互接触的表面,在高温压力的作用下,被连接表面相互靠近,局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接的过程[9]。扩散焊接的参数主要有:温度、压力、时间、气体介质、表面状态和中间层的选择等。其中最主要的是温度、压力、时间，取决于层叠复合所
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景及研究的目的、意义 1
1.2 常见金属复合板制备方法 1
1.2.1 爆炸复合法 2
1.2.2 扩散焊接法 2
1.2.3 轧制复合法 2
1.3 累积叠轧工艺(ARB) 3
1.3.1 累积叠轧工艺的技术原理 3
1.3.2 累积叠轧技术在Al合金中的应用 5
1.3.3 累积叠轧技术在Mg合金中的应用 5
1.3.4 累积叠轧技术在Mg/Al复合板中的应用 7
1.4本文主要研究内容 8
第二章 试验材料与方法 9
2.1 试验材料 9<
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积叠轧工艺(ARB) 3
1.3.1 累积叠轧工艺的技术原理 3
1.3.2 累积叠轧技术在Al合金中的应用 5
1.3.3 累积叠轧技术在Mg合金中的应用 5
1.3.4 累积叠轧技术在Mg/Al复合板中的应用 7
1.4本文主要研究内容 8
第二章 试验材料与方法 9
2.1 试验材料 9
2.2 累积叠轧板材的制备 9
2.2.1 轧制设备 9
2.2.2 ARB制备Mg/Al多层复合板材的流程 9
2.3 分析测试方法 10
2.3.1 光学显微组织观察 10
2.3.2 SEM显微组织观察 11
2.3.3 X射线衍射分析 11
2.3.4 硬度测试 11
2.3.5 界面结合强度 11
2.3.6 室温拉伸性能测试 12
第三章 实验结果与讨论 13
3.1 ARB变形Mg/Al复合板材显微组织 13
3.1.1 Mg/Al复合板材的低倍显微形貌 13
3.1.2 SEM显微组织观察 14
3.1.3 SEM界面线扫描分析 15
3.2 X射线衍射分析 16
3.3 Mg/Al多层复合板材的力学性能 17
3.3.1 Mg/Al复合板材的界面剪切测试 17
3.3.2 Mg/Al复合板材的室温拉伸性能 18
3.3.3 Mg/Al复合板材的硬度测试 19
3.4 ARB变形Mg/Al复合板材的拉伸断口分析 20
3.5退火处理对Mg/ Al复合板材组织和硬度影响 21
3.5.1退火对Mg/ Al复合板材组织的影响 21
3.5.2退火对Mg/ Al复合板材硬度的影响 24
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪 论
1.1课题背景及研究目的、意义
在实际工程应用的金属材料中，镁及镁合金密度最低，具有良好的比强度和比刚度，较好的尺寸稳定性，优异的电磁屏蔽性和阻尼性能以及很好的回收率[1]。基于这些突出的良好性能，近年来，世界各国高度重视镁及镁合金的研究与开发，将镁资源作为21世纪的重要战略物资，加强了镁及镁合金在汽车、计算机、通信、航空航天及国防领域的应用开发研究，镁及镁合金越来越受到关注，地位越来越重要，更被誉为21世纪的超轻量绿色金属材料[2]，具有极其广阔的应用前景和极其重要的应用价值。但镁及镁合金的低强度、低弹性模量、较差的成形性能、较差的耐蚀性等缺点限制了其的进一步发展。铝及铝合金具有较高的强度、较高的弹性模量、良好的加工成形性及耐腐蚀性，其自身也有不可忽视的缺点，如较差的耐磨性，较高的线膨胀系数。
金属层状复合材料是由几层不同性能的金属材料，通过复合工艺使其牢固稳定的结合在一起形成的一种新材料，与单组元合金相比，经过合理设计组合后的材料可以获得相对较高的强度、耐蚀、导电、导热、导磁等优秀的综合性能，并应用于特殊要求的工作环境。金属层状复合材料的特点在于能够充分发挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学性能，大大节约稀贵金属以降低成本。通过对金属的合理选择以及适当的加工工艺，可以获得不同需要的层状金属复合材料。
近年来, 采用剧烈塑性变形(SPD, Severe Plastic Deformation) 的方法来获得晶粒尺寸小于1um块体超细晶材料引起人们的广泛关注。超细晶结构的金属材料相对于传统金属材料在室温下具有高强度和高韧性, 在高温下具有高变形速率、超塑性和一定的物理特性[35] , 从而改善材料的综合性能。目前制备块体超细晶材料的剧烈塑性变形方法主要有以下几种：高压扭转法(High pressure and torsion，HPT)、等径角挤压变形法 (Equal channel angular pressing，ECAP)、反复折皱压直(Repetitive corrugation and straightening，RCS)、累积叠轧 (Accumulative Roll Bonding ，ARB)等技术。
1.2 常见金属复合板材的制备方法
金属层状复合材料是由两层或两层以上不同性能的金属复合而成的一种新型材料，其主要工艺分别有爆炸复合法，扩散焊接法，轧制复合法等等，其中，轧制复合法由于生产效率高，设备简单，是生产复合板材的主要方法[6]。
1.2.1 爆炸复合法
爆炸复合法是利用炸药爆炸所产生的能量作为能源，使覆板碰向基板，在双金属间产生瞬间高温和高压，在被焊接的金属间形成牢固结合的一种焊接方法。爆炸焊接的界面具有金属的塑性变形、熔化、扩散等特征[7]。其最大特点是对金属材料的组合有广泛的适应性，通过爆炸能在瞬间将强度相差悬殊、膨胀系数不同、性能互不相熔的金属，迅速强固地焊接复合成一体，都能在固态下形成连续的冶金结合，而在本质上却不改变原材料的化学成分、结构及性能，结合强度也将优于其它固态结合方法所得到的产品。但爆炸复合法具有噪声大，污染严重，机械程度低，劳动条件差，不适于连续化生产及薄板生产等缺点[8]。
1.2.2 扩散焊接法
扩散焊接是压焊的一种,它是指在相互接触的表面,在高温压力的作用下,被连接表面相互靠近,局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接的过程[9]。扩散焊接的参数主要有:温度、压力、时间、气体介质、表面状态和中间层的选择等。其中最主要的是温度、压力、时间，取决于层叠复合所
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