金属间化合物颗粒增强镁锂基复合材料强韧化机理研究

金属间化合物颗粒增强镁锂基复合材料作为一种新型的超轻结构材料，在航空航天领域有着广阔的应用前景。本项目拟从金属间化合物颗粒/镁锂合金基体的界面特征的试验研究入手，并建立一个基于细观尺度且能反映颗粒增强金属基复合材料强韧性指标的有限元模型，将复合材料的动态原位拉伸试验与拉伸过程有限元模拟相结合，研究形变条件下界面区域的形变特征、应力应变分布状态以及界面和金属间化合物颗粒分别在复合材料裂纹萌生和扩展过程中的作用规律，重点探讨增强体颗粒相对塑性以及界面特性等对镁锂基复合材料强化效果和塑韧性保持的影响机理，揭示金属间化合物颗粒增强镁锂基复合材料的强韧化机理和断裂机制，为金属间化合物增强金属基复合材料提供理论基础，并为拓展金属间化合物材料的应用和设计新型轻质金属基复合材料提供科学依据。

随着航天、航空和现代兵器的发展，开发具有低比重、高比强度和比模量的结构材料成为研究的热点之一。本文以设计制备性能稳定的超轻高强Mg-Li基复合材料为目标，充分利用金属间化合物所具有的高的比强度和比刚度乃至其室温脆性等特性，选择稀土金属间化合物YAl2颗粒作为增强体，设计了YAl2p/MgLiAl基复合材料。本文在气体保护条件下通过搅拌铸造法制备了稀土金属间化合物YAl2颗粒增强MgLiAl基复合材料，研究了复合材料的组织、界面特征以及复合材料界面的稳定性，探讨了YAl2颗粒增强MgLiAl基复合材料强化机制，并通过实验和模拟手段深入分析了复合材料的断裂行为。.组织观察表明，YAl2p/MgLiAl复合材料由β(Li)相和YAl2增强体相组成，YAl2颗粒在MgLiAl基体中分布较均匀，YAl2颗粒的加入细化了基体合金的晶粒。颗粒与基体界面清晰，YAl2颗粒与镁锂基体之间结合紧密，微观尺度上未发现空洞，界面开裂、界面反应、非晶层或过度层等现象，为直接结合型界面。热力学计算与试验表明，YAl2颗粒与基体合金的反应驱动力较小，在制备及随后的热处理过程中无新相物生成，YAl2-MgLiAl复合体系是稳定的。.为研究复合材料从微观变形到宏观断裂的断裂过程，从而探讨较“软”颗粒对基体合金的增强机理，通过SEM和TEM动态拉伸技术并辅助以拉伸断口形貌分析，对YAl2p/MgLiAl复合材料的断裂过程进行了原位观察。结果发现微裂纹主要萌生于基体中，而非界面处，微裂纹主要在基体中及近界面的基体中扩展。在裂纹扩展过程中，YAl2颗粒对裂纹的扩展具有一定的阻碍作用。YAl2颗粒参与变形，对基体表现为软约束。YAl2颗粒对基体的“软”约束、对裂纹的阻碍及YAl2颗粒对基体的强化等三种综合作用的结果提高了复合材料的强韧性。.针对颗粒增强复合材料单向拉伸情况，分别引入单颗粒增强轴对称单胞模型和随机分布颗粒增强单胞模型，研究了颗粒的属性及参数对于颗粒与基体上局部力、界面接合力的影响以及颗粒的塑性性能对于复合材料整体本构关系的影响。.