碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料高溫變形微觀組織演化研究

白坤舉

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)中選用的碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料為AZ91型合金，該合金由鋁、鋅、錳、硅等元素組成，增強(qiáng)材料為T300型碳纖維，密度為1.87g/cm3，平均纖維長(zhǎng)度為4mm。制備復(fù)合材料的方式為真空壓力浸滲法，制備工藝為預(yù)熱540℃、浸滲溫度660℃、壓力7.5MPa、壓力時(shí)間20min，最終得到的材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為20%。復(fù)合材料的密度為1.67g/cm3，致密度為97.5%。

在制備時(shí)，首先將碳纖維和AZ91合金制作為8×12mm的圓柱體，并將其放入加熱裝置中以180℃加熱大約2h后在室溫中冷卻。當(dāng)材料充分冷卻后，對(duì)其表面進(jìn)行打磨，并在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，溫度為400℃，應(yīng)變速率為0.01s-1，應(yīng)變量為0.2～0.6，加熱升溫速率為30℃/s，當(dāng)溫度達(dá)到400℃后對(duì)材料保溫1min，隨后進(jìn)行淬冷。

1.2 計(jì)算模擬

(1)分析模型。在有限元分析軟件中，建立與圓柱體相關(guān)的幾何模型并劃分相應(yīng)的網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)圓柱狀的復(fù)合材料，由于要分析復(fù)合材料在高溫下形變時(shí)不同位置的形變效果，因此在模型中設(shè)置了3個(gè)具有代表性的點(diǎn)，分別位于端面中心、軸線中心和模型表面。由于模型在變形時(shí)其中的網(wǎng)格會(huì)發(fā)生畸變，因此在模型中開(kāi)啟了畸變網(wǎng)格劃分模式，邊長(zhǎng)為0.5mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模擬

(1)變形量。圖1為溫度400℃、應(yīng)變速率0.01s-1時(shí)不同變形量下復(fù)合材料的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)，從圖中可以得知，當(dāng)變形量逐漸增加時(shí)，復(fù)合材料的中心最開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程(圖1a)，隨后擴(kuò)展到外圍變形區(qū)域(圖1b和圖1c)，當(dāng)變形量穩(wěn)定在0.7，高溫壓縮試驗(yàn)已經(jīng)基本結(jié)束時(shí)，中心區(qū)和外圍變形區(qū)的再結(jié)晶基本充分，而材料中與壓縮頭基礎(chǔ)不充分的部位則未發(fā)生明顯的再結(jié)晶過(guò)程(圖1d)。

圖1 不同形變量下復(fù)合材料的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

圖2為模型中的代表性節(jié)點(diǎn)A、B、C處的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨壓縮高溫時(shí)間的變化曲線，從曲線中可以看出，A點(diǎn)基本不受溫度的影響，其再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)幾乎不發(fā)生變化，B和C則有明顯的再結(jié)晶特征，B點(diǎn)的再結(jié)晶程度要高于C點(diǎn)。造成這種現(xiàn)象的原因是A點(diǎn)位于試樣的斷面處，在進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)時(shí)，A點(diǎn)會(huì)頻繁地與壓縮頭相摩擦，因此難以發(fā)生塑性形變；而節(jié)點(diǎn)B相對(duì)于節(jié)點(diǎn)C更靠近試樣的中心區(qū)，會(huì)首先發(fā)生變形，變形的程度自然比C點(diǎn)更高。

圖2 節(jié)點(diǎn)A、B、C動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨高溫壓縮時(shí)間的變化曲線

(2)變形溫度。變形溫度的試驗(yàn)中，將應(yīng)變速率設(shè)置為0.01s-1，變形量為0.7，變形溫度則為350℃、375℃、400℃和425℃，測(cè)得的復(fù)合材料的再結(jié)晶狀態(tài)如圖3所示。

圖3 不同溫度下復(fù)合材料的再結(jié)晶狀態(tài)

從圖3中可以看出，當(dāng)溫度在350℃，材料中的晶粒并未完全細(xì)化，其中有大部分都未結(jié)晶；而當(dāng)溫度上升到375℃時(shí)，材料中的再結(jié)晶過(guò)程較為明顯，大部分區(qū)域都已完成再結(jié)晶過(guò)程，晶粒相對(duì)更為細(xì)化，而端面區(qū)依舊沒(méi)有發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

圖4 不同變形參數(shù)下復(fù)合材料的金相組織

圖4為復(fù)合材料在溫度350～425℃、應(yīng)變速率0.01s-1和溫度400℃、應(yīng)變速率在0.001～0.1s-1時(shí)的金相組織，從圖中可以看出，在應(yīng)變速率相同時(shí)，復(fù)合材料的再結(jié)晶晶粒尺寸隨溫度的升高而變大，而溫度相同時(shí)，復(fù)合材料的再結(jié)晶晶粒尺寸隨應(yīng)變速率的增大有逐漸減小的趨勢(shì)。此外，在金屬和碳纖維連接處，金屬晶粒往往比其他區(qū)域更加細(xì)小，金屬原子難以在碳纖維周圍聚集。

在實(shí)驗(yàn)實(shí)證中，實(shí)驗(yàn)值的各項(xiàng)數(shù)值均小幅高于計(jì)算機(jī)模擬值，但兩者之間的差距不大，基本可以控制在10%(計(jì)算機(jī)模擬誤差要求)之內(nèi)，這說(shuō)明本文所使用的計(jì)算機(jī)模擬方式可以研究碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在高溫下的微觀組織變形演化模式，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高溫時(shí)不同狀態(tài)下復(fù)合材料的變形狀態(tài)，具有一定的研究和實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本文對(duì)碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在高溫下的微觀變形趨勢(shì)進(jìn)行了研究，使用計(jì)算機(jī)模擬的方式，利用有限元分析軟件進(jìn)行建模，研究得出復(fù)合材料的再結(jié)晶尺寸受變形量和溫度的影響較大，當(dāng)變形量和溫度增加時(shí)，復(fù)合材料的變形首先從中心開(kāi)始，逐漸向外圍變形區(qū)擴(kuò)散，材料端面則基本不發(fā)生形變，距離中心越近的區(qū)域，受形變影響越大。采用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的方式與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的誤差可控制在10%之內(nèi)，具有研究和應(yīng)用方向的實(shí)用價(jià)值。