zro2mg复合材料搅拌摩擦加工工艺研究(附件)【字数：16120】
摘 要摘 要由于镁及镁合金材料密度低、比强度高、阻尼减振降噪能力强，对它的研究一直受到人们的广泛关注。但单一的镁材无法同时满足高阻尼性能、良好的力学性能两大要求。搅拌摩擦加工这一技术可以改善制备材料时产生的部分难题，为制备高阻尼性能和良好力学性能的镁基复合材料提供了可行性。本次实验主要研究了搅拌摩擦加工道次对ZrO2/Mg复合材料的组织、力学性能和阻尼性能的影响。通过金相分析、拉伸试验、断口分析、XRD、阻尼性能测试等实验分析后发现，搅拌摩擦加工技术制备的ZrO2/Mg复合材料，增强相ZrO2与基体镁结合程度高，混合均匀，在加工中心区得到细晶，且加工道次增加时，致密度有所提高。当加工道次为4次时，ZrO2/Mg复合材料的致密度最高，中心区域硬度分布最均匀，并且力学性能为最佳。经温度-阻尼测试后发现，随加工道次的增加，弛豫阻尼峰P1的内耗峰激活能降低；经应变-阻尼测试后发现，道次增加，低应变阻尼的提高量下降，高应变阻尼的提高量升高。ZrO2/Mg复合材料的阻尼行为遵循G-L理论。强钉扎点平均距离LN和弱钉扎点的平均距离LC均随着搅拌摩擦加工道次的增加而增大。经比较后得知，经过4道次搅拌摩擦加工的ZrO2/Mg复合材料阻尼性能更加优异。关键词搅拌摩擦加工；镁基复合材料；ZrO2；力学性能；阻尼性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引 言 1
1.2 镁基复合材料 1
1.2.1 镁基复合材料的定义 1
1.2.2 镁基复合材料的特点 1
1.2.3 镁基复合材料的制备方法 2
1.3 搅拌摩擦加工 3
1.3.1 搅拌摩擦加工原理 3
1.3.2 搅拌摩擦加工研究现状 4
1.4 镁基复合材料的阻尼性能 6
1.4.1 镁基复合材料的阻尼机制 6
1.4.2 镁基复合材料阻尼性能的研究现状 7
1.5 ZrO2增强相 9
1.6 选题的内容及意义 9
第二章 实验材料和方法 10
2.1 实验流程 10
2.2 实验材料 10
2.3 实验设备 11
2.3.1 搅拌摩擦加工设备 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1
2.3.2 动态热机械分析仪（DMA） 11
2.3.3 其他设备 12
2.4 实验方法 12
2.4.1 ZrO2/Mg复合材料制备方案 12
2.4.2 显微组织观察 13
2.4.3 显微硬度测试 13
2.4.4 拉伸性能测试 14
2.4.5 X射线衍射分析 14
2.4.6 阻尼性能测试 14
第三章 ZrO2/Mg复合材料的组织与力学性能的分析 15
3.1 ZrO2/Mg复合材料的致密度 15
3.2 ZrO2/Mg复合材料搅拌摩擦区域的形貌观察 15
3.3 ZrO2/Mg复合材料不同区域的显微形貌 17
3.4 ZrO2/Mg复合材料搅拌摩擦加工中心区域的显微形貌 18
3.5 ZrO2/Mg复合材料搅拌摩擦加工区域的显微硬度 19
3.6 ZrO2/Mg复合材料的拉伸性能 21
3.7 ZrO2/Mg复合材料拉伸断口的分析 22
第四章 ZrO2/Mg复合材料的阻尼性能 23
4.1加工道次对ZrO2/Mg复合材料的温度阻尼性能的影响 23
4.2 高温背底分析 25
4.3 不同加工道次下ZrO2/Mg复合材料的应变阻尼性能 28
4.4 应变阻尼GL分析 29
4.5 搅拌摩擦加工道次对阻尼性能的影响 31
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
第一章 绪论
1.1 引 言
现代科技发展迅速，使航空航天、军工及交通运输等领域快速发展，人们越来越希望材料在性能与功能方面能够满足更多的要求。传统的单一金属材料已经无法同时满足例如高比强度、高比模量、高耐疲劳性等要求。因此，复合材料的出现顺理成章，恰恰是材料领域不断突破和开发创造的结果。金属基复合材料（MMC）第一次出现在人们的视野之中是在40年前，由于其出色的功能特性，例如高比模量、高比强度、耐高温、耐磨损，以及尺寸稳定性好、热膨胀系数小等突出的物理性能与力学性能，各国研究者都希望在这一领域有所突破。20世纪80年代，日本丰田汽车公司成功在制造柴油发动机活塞上运用了陶瓷纤维（Al2O3）增强铝基复合材料，并实现规模化的生产，由此，复合材料在研发研制方面开启了一页迅猛的发展的新篇[1]。
1.2 镁基复合材料
1.2.1 镁基复合材料的定义
金属基复合材料一般包含两部分——增强相材料和基体材料，并且常以颗粒或纤维作增强相，金属作基体。镁基复合材料，顾名思义，就是一种运用镁作为基体材料的复合材料。增强材料一般为陶瓷，按形状分为连续长纤维、短纤维、颗粒以及晶须。本文研究的ZrO2/Mg复合材料属于颗粒增强镁基复合材料。
1.2.2 镁基复合材料的特点
镁合金基体、增强相及界面，构成了镁基复合材料。经加工后，基体合金中分布有增强相颗粒，并且大量存在着界面、高密度位错缠结，这是其典型的组织特征。与基体合金不同，颗粒类增强相的用处不仅于改善复合材料的力学性能，尤其可以提高基体材料的耐磨性和硬度。它在三种机制下可产生增韧效果：（1）材料受到破坏应力，处于裂纹尖端处的颗粒发生显著物理变化（例如晶型改变、微裂纹产生等），消耗能量而提高复合材料韧性的机制，称为“相变增韧”或“微裂纹增韧”；（2）复合材料中第二相颗粒导致裂纹扩展路径改变（例如分叉、裂纹钉扎等）的增韧效果；（3）以上两种机制若同时发生，则称为“混合增韧”。由于界面和近界面区的存在，对复合材料的各项性能有重要影响，是研究热点之一。其中，界面区形貌、界面反应以及成分偏析、相组成与结构取向等是界面研究的主要方面。基体合金间同增强相之间存在热膨胀系数的差异，因此在制备复合材料的冷却过程中，在界面处会产生热错配残余应力，将引起基体的塑性流变，最终导致高密度位错的产生。这些高密度位错将会导致位错强化，从而成为提高复合材料的拉伸强度和刚度的关键，也成为了高阻尼性能（位错钉扎与脱扎）的基础[2]。
1.2.3 镁基复合材料的制备方法
由于镁的性质十分活泼，在制备复合材料时需提供一系列的保护措施，例如环境真空或惰性气体等，以防止其在空气中氧化。这与制备铝基复合材料有所区别。其中，主要的制备方法有熔体浸渗法、粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌摩擦加工法等。
（1）熔体浸渗法
这一方法的机制是在高压下将熔融的镁合金渗入陶瓷纤维，主要方法包括挤压铸造法与真空浸渗法。当采用SiC晶须、氧化铝纤维及碳纤维等纤维来制备镁基复合材料时，此方法值得推荐[3,4]。熔体浸渗法的优点突出：工艺简单，成本不高、适合大批量生产；增强相与基体材料界面结合牢固，力学性能优异，但直接制备复杂形状的零件难度较大，且增强体体积分数不能超过规定数值。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引 言 1
1.2 镁基复合材料 1
1.2.1 镁基复合材料的定义 1
1.2.2 镁基复合材料的特点 1
1.2.3 镁基复合材料的制备方法 2
1.3 搅拌摩擦加工 3
1.3.1 搅拌摩擦加工原理 3
1.3.2 搅拌摩擦加工研究现状 4
1.4 镁基复合材料的阻尼性能 6
1.4.1 镁基复合材料的阻尼机制 6
1.4.2 镁基复合材料阻尼性能的研究现状 7
1.5 ZrO2增强相 9
1.6 选题的内容及意义 9
第二章 实验材料和方法 10
2.1 实验流程 10
2.2 实验材料 10
2.3 实验设备 11
2.3.1 搅拌摩擦加工设备 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1
2.3.2 动态热机械分析仪（DMA） 11
2.3.3 其他设备 12
2.4 实验方法 12
2.4.1 ZrO2/Mg复合材料制备方案 12
2.4.2 显微组织观察 13
2.4.3 显微硬度测试 13
2.4.4 拉伸性能测试 14
2.4.5 X射线衍射分析 14
2.4.6 阻尼性能测试 14
第三章 ZrO2/Mg复合材料的组织与力学性能的分析 15
3.1 ZrO2/Mg复合材料的致密度 15
3.2 ZrO2/Mg复合材料搅拌摩擦区域的形貌观察 15
3.3 ZrO2/Mg复合材料不同区域的显微形貌 17
3.4 ZrO2/Mg复合材料搅拌摩擦加工中心区域的显微形貌 18
3.5 ZrO2/Mg复合材料搅拌摩擦加工区域的显微硬度 19
3.6 ZrO2/Mg复合材料的拉伸性能 21
3.7 ZrO2/Mg复合材料拉伸断口的分析 22
第四章 ZrO2/Mg复合材料的阻尼性能 23
4.1加工道次对ZrO2/Mg复合材料的温度阻尼性能的影响 23
4.2 高温背底分析 25
4.3 不同加工道次下ZrO2/Mg复合材料的应变阻尼性能 28
4.4 应变阻尼GL分析 29
4.5 搅拌摩擦加工道次对阻尼性能的影响 31
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
第一章 绪论
1.1 引 言
现代科技发展迅速，使航空航天、军工及交通运输等领域快速发展，人们越来越希望材料在性能与功能方面能够满足更多的要求。传统的单一金属材料已经无法同时满足例如高比强度、高比模量、高耐疲劳性等要求。因此，复合材料的出现顺理成章，恰恰是材料领域不断突破和开发创造的结果。金属基复合材料（MMC）第一次出现在人们的视野之中是在40年前，由于其出色的功能特性，例如高比模量、高比强度、耐高温、耐磨损，以及尺寸稳定性好、热膨胀系数小等突出的物理性能与力学性能，各国研究者都希望在这一领域有所突破。20世纪80年代，日本丰田汽车公司成功在制造柴油发动机活塞上运用了陶瓷纤维（Al2O3）增强铝基复合材料，并实现规模化的生产，由此，复合材料在研发研制方面开启了一页迅猛的发展的新篇[1]。
1.2 镁基复合材料
1.2.1 镁基复合材料的定义
金属基复合材料一般包含两部分——增强相材料和基体材料，并且常以颗粒或纤维作增强相，金属作基体。镁基复合材料，顾名思义，就是一种运用镁作为基体材料的复合材料。增强材料一般为陶瓷，按形状分为连续长纤维、短纤维、颗粒以及晶须。本文研究的ZrO2/Mg复合材料属于颗粒增强镁基复合材料。
1.2.2 镁基复合材料的特点
镁合金基体、增强相及界面，构成了镁基复合材料。经加工后，基体合金中分布有增强相颗粒，并且大量存在着界面、高密度位错缠结，这是其典型的组织特征。与基体合金不同，颗粒类增强相的用处不仅于改善复合材料的力学性能，尤其可以提高基体材料的耐磨性和硬度。它在三种机制下可产生增韧效果：（1）材料受到破坏应力，处于裂纹尖端处的颗粒发生显著物理变化（例如晶型改变、微裂纹产生等），消耗能量而提高复合材料韧性的机制，称为“相变增韧”或“微裂纹增韧”；（2）复合材料中第二相颗粒导致裂纹扩展路径改变（例如分叉、裂纹钉扎等）的增韧效果；（3）以上两种机制若同时发生，则称为“混合增韧”。由于界面和近界面区的存在，对复合材料的各项性能有重要影响，是研究热点之一。其中，界面区形貌、界面反应以及成分偏析、相组成与结构取向等是界面研究的主要方面。基体合金间同增强相之间存在热膨胀系数的差异，因此在制备复合材料的冷却过程中，在界面处会产生热错配残余应力，将引起基体的塑性流变，最终导致高密度位错的产生。这些高密度位错将会导致位错强化，从而成为提高复合材料的拉伸强度和刚度的关键，也成为了高阻尼性能（位错钉扎与脱扎）的基础[2]。
1.2.3 镁基复合材料的制备方法
由于镁的性质十分活泼，在制备复合材料时需提供一系列的保护措施，例如环境真空或惰性气体等，以防止其在空气中氧化。这与制备铝基复合材料有所区别。其中，主要的制备方法有熔体浸渗法、粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌摩擦加工法等。
（1）熔体浸渗法
这一方法的机制是在高压下将熔融的镁合金渗入陶瓷纤维，主要方法包括挤压铸造法与真空浸渗法。当采用SiC晶须、氧化铝纤维及碳纤维等纤维来制备镁基复合材料时，此方法值得推荐[3,4]。熔体浸渗法的优点突出：工艺简单，成本不高、适合大批量生产；增强相与基体材料界面结合牢固，力学性能优异，但直接制备复杂形状的零件难度较大，且增强体体积分数不能超过规定数值。
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