摘要
镁合金作为最轻的商用工程金属材料之一，被广泛应用于航空航天、汽车轻量化领域，但由于其HCP晶体结构，室温下易开动的滑移系数目较少，导致其塑性较差。镁基纳米复合材料作为一种在镁合金基体内加入纳米颗粒或纤维的复合材料，能在镁合金的基础上提升一定的强韧性且不损害其质轻的优点，是一种极具潜力的轻量化材料。镁这种HCP结构的晶体金属往往存在基面滑移、柱面滑移、锥面滑移、拉伸孪生、压缩孪生多种塑性变形机制，且镁合金内部往往存在形态各异的析出相，而镁基纳米复合材料中还存在纳米增强相，这些原因使镁基纳米复合材料的塑性变形机制十分复杂，塑性变形机制与材料的强度和韧性有着不可分割的关系，其内部机理亟待完善。 利用高能超声分散法和半固态搅拌辅助重力铸造工艺制备出SiC纳米颗粒分散均匀的n-SiCp/AZ91D镁基纳米复合材料，在经过T4固溶热处理和T6时效热处理之后力学性能有进一步提升。铸态的镁基纳米复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为116.3MPa，186.3MPa，3.5%；T4固溶处理之后的镁基纳米复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为132.3MPa，296.0MPa，17.3%，呈现良好的韧性；T6时效处理之后的镁基纳米复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为150Mpa，293MPa，6.3%，呈现较高强度。本文通过微观组织表征及晶体塑性有限元模拟（CPFEM）来解释热处理后镁基纳米复合材料的塑性变形机制及强韧化机理。 T4固溶热处理后，镁基纳米复合材料基体中的Mg17Al12析出相消失。复合材料经室温拉伸变形后基体中出现了大量的孪晶和滑移，孪生和滑移是复合材料塑性变形的主要机制。在室温拉伸过程中，α-Mg基体中SiC纳米颗粒周围形成高应变场，高应变场内形成大量位错和堆垛层错，这些位错和堆垛层错在拉伸应变的作用下演变成大量的滑移带和孪晶，这是T4固溶热处理后n-SiCp/AZ91D镁基纳米复合材料在室温下具有高韧性的微观塑性变形机理。 T6时效热处理后晶界处析出胞状的Mg17Al12相，晶内析出较细小的Mg17Al12板条。SiC纳米颗粒的存在对Mg17Al12析出相的形貌、尺寸和分布有一定的影响，使得析出相更加细小而弥散，充分发挥析出强化的效果。在塑性变形过程中，大量的位错出现在纳米颗粒和析出相附近，当析出相附近不同取向的位错遭遇时位错缠结，一些位错在剪切通过Mg/Mg17Al12界面后留下位错槽。晶粒和析出相的细化、位错的缠结、位错槽的形成是T6时效热处理后n-SiCp/AZ91D镁基纳米复合材料具有高强度和较好塑性的主要原因。 利用晶体塑性有限元方法模拟n-SiCp/AZ91D镁基纳米复合材料在拉伸塑性变形下SiC纳米颗粒周围的高应变场效应。与不含颗粒的镁合金相比，包含颗粒的镁基复合材料的强度得到一定程度的提高，并且滑移系和孪生系的激活情况更为复杂。在相同的晶粒取向下，普通单晶镁合金在单向拉伸的情况下激活的滑移系或孪生系比包含颗粒的单晶镁基复合材料少，某些在单晶镁合金中不能激活的滑移系或孪生系在单晶镁基复合材料中激活。在增强相体积一定的情况下，颗粒的尺寸越小颗粒的增强效果越好。因此，添加纳米颗粒的镁基纳米复合材料具有良好的强化效果且能更好的契合Mises准则，从而提高其强韧性。
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