初步研究ECAP变形过程中碳纳米管增强镁基复合材料的晶粒细化

本章主要对碳纳米管增强镁基复合材料进行了ECAP变形实验，初步研究了ECAP变形过程中碳纳米管增强镁基复合材料的晶粒细化及变形机理；不同的ECAP变形模角、变形温度、变形道次对碳纳米管增强镁基复合材料显微组织和室温力学性能的影响；分析了ECAP变形工艺对碳纳米管增强镁基复合材料中碳纳米管的分散作用；并对经ECAP变形后的碳纳米管增强镁基复合材料的拉伸断口形貌进行了分析。主要得出如下结论：

1）通过等径角挤压（ECAP）变形工艺可明显细化碳纳米管增强镁基复合材料的基体晶粒组织。挤压变形温度越低，晶粒细化效果越好。室温下经ECAP变形1道次后1.0wt％MWCNTs增强镁基复合材料的平均晶粒直径约为8μm，但复合材料试样发生严重的断裂现象；在230℃挤压变形时可以得到表面光滑的完整试样，有利于实现多道次的ECAP变形，同时晶粒也得到了较好的细化效果，平均晶粒直径尺寸约为12μm。在这一温度范围内没有因为挤压变形温度的提高而出现晶粒的明显长大，这是由于在ECAP变形过程中，碳纳米管在纯剪切应力的作用下分散得更均匀，均匀分散在复合材料中的碳纳米管在较高温度的ECAP变形过程中可以起到一个钉扎晶界、阻碍晶粒长大的作用。

2）在ECAP变形过程中，经过1道次的变形后复合材料晶粒细化非常明显，随着挤压变形道次的增加，复合材料晶粒尺寸不再明显减小，但晶粒组织更加均匀。经过4道次挤压变形后复合材料晶粒大小变得更加均匀、细小，平均晶粒尺寸达到约2μm。

3）经ECAP变形后的1.0wt％ MWCNTs增强镁基复合材料显微硬度值得到显著提高。经ECAP变形1道次后的显微硬度值为115.2HV，比ECAP变形前提高了27.86％。在第一道的ECAP变形时，由于复合材料晶粒尺寸较大，ECAP变形的主要机制是晶内的位错运动，材料内部位错不断增殖，位错密度、空位密度明显升高，形成大量的胞状结构以及亚晶界、孪晶界等，使得材料继续塑性变形的抗力增加，出现加工硬化，复合材料硬度显著提高。但随着ECAP变形道次的增加，变形的机制逐渐从晶内位错运动转变为细小的晶界滑移，这必然导致位错密度增加变慢，其结果必然是晶粒细化变慢，硬度上升平缓。(https://www.xing528.com)

4）1.0wt％ MWCNTs增强镁基复合材料经ECAP变形1道次后，抗拉强度明显得到提高达到最大值（306.3MPa），而延伸率有所下降。随着挤压变形道次的增加，抗拉强度逐渐降低而延伸率不断得到提高。经ECAP变形后1.0wt％MWCNTs增强镁基复合材料的延伸率得到较大的提高，这不仅与晶粒的细化有关，还应该与除基面｛0001｝外多个滑移系的激活有关。

5）经ECAP挤压变形4道次后的AZ31-1.0wt％ MWCNTs复合材料室温拉伸断裂表现出明显的韧性断裂特征。碳纳米管在大的剪切应力作用下被剪断，在基体中的分布也更加均匀。