超细晶镁铝复合板的界面及强韧化机理研究

Ultra-fine grained Mg/Al multi-layer composite board will be produced by accumulative roll-bonding (ARB) technique at room or low temperature in this project. The effect of ARB technological parameters, sequential heat treatment and rolling deformation on microstructure, interface structure and mechanical properties of the composite board will be studied. Oxidation of the board surface and formation of coarse compound in the interface of the Mg/Al composite during the ARB process will be controlled. And then a structure and function material with synthesized performance of high modulus, high strength and good corrosion resistance will be abtained in this project. The effect of interface friction, rolling force on stress distribution, material migration, atomic diffusion and new phase formation will be investigated by observing the interface formation process, testing the interfacial morphology after peeled and the microstructure of the interfacial zone(composition changes, new phase formation, dislocation configuration, subgrain boundary structure, grain size and so on). The grain size, dislocation, twin, texture, the evolution of the interface structure and their effect on the mechnical properties of the composite panels, morphology characteristics of the interfacial region, the diffusion of the alloy elements in the interface region, interface phase composition, mechanical properties and bonding strength of the interface will be discussed in detail. And then the strengthening and toughening mechanism of ultrafine grained Mg / Al composite panels will be revealed. The research results will estiblish theoretical and experimental foundation for the preparation of the new composite materials, as well as for the interface structure controlling, structure optimization and performance improvement of the composite materials.

本项目采用室温及低温累积叠轧（ARB）工艺制备超细晶Mg/Al多层复合板。研究ARB工艺参数及后续热处理和轧制变形对复合板组织、界面结构及力学性能的影响，抑制变形过程中板材的表面氧化、Mg/Al界面粗大化合物的生成，获得一种兼具高模量、高强度和良好耐腐蚀性能的结构功能材料。通过界面形成过程的宏观观察、界面剥离后表面形貌的测试、界面区微观组织（成分变化、新相形成、位错组态、亚晶界结构、晶粒尺寸等）测试，探究界面摩擦力、轧制力等对应力分布、物质迁移、原子扩散及新相形成的影响规律。通过研究复合板中Mg层和Al层的晶粒度、位错、孪晶、织构和Mg/Al界面结构的演变及其对复合板力学性能的影响、界面区域的组织形貌特点、合金元素在界面区域的扩散及界面相组成，界面力学性能及结合强度，揭示超细晶Mg/Al复合板的强韧化机理。研究结果可为新型复合材料的制备、界面结构控制、组织优化及性能提高奠定理论与实验基础。

本项目采用累积叠轧工艺（ARB）制备了Mg/Al多层复合板，研究了不同轧制温度、不同厚度比的1060纯铝板和镁合金板对所制备的Mg/Al多层复合板的微观组织、Mg/Al界面、力学性能的影响，优化了Mg/Al多层复合板的制备工艺，并对复合板的微观组织、宏观织构、Mg/Al界面结构、拉伸性能、界面结合强度、硬度及阻尼性能进行了测试分析。研究了退火处理对Mg/Al复合板的微观组织、Mg/Al界面、力学性能的影响。.室温和350℃加热条件下，由不同厚度比的纯铝板和镁合金板成功制备出Mg/Al多层复合板。采用0.8mm厚纯铝板在350℃加热制备的Mg/Al多层复合板界面较为平直，形成冶金结合，产生了金属间化合物Mg17Al12和Al3Mg2，界面结合较好，ARB3道次后局部区域Mg层出现颈缩、断裂现象。Mg层晶粒在Al/Mg/Al三明治复合板出现双尺寸结构，大尺寸晶粒分布在未剪切区域，小尺寸晶粒分布在剪切区域，ARB1道次后，Mg层晶粒发生了明显的细化，晶粒开始变均匀，后续的ARB变形，晶粒没有进一步细化，只是更加均匀。随着ARB变形道次的增加，沿轧制方向的抗拉强度和延伸率呈先升高后下降趋势，断口形貌为典型的韧性断裂。三明治复合板Mg/Al界面的结合强度有限，ARB1道次后Mg/Al复合板则具有较好的界面结合强度。.Mg/Al复合板的室温阻尼应变谱表现为与应变无关和与应变相关两个部分，其中三明治复合板和ARB1道次复合板的阻尼值较高，Mg/Al多层复合板阻尼机制符合G-L模型。Mg/Al复合板的阻尼温度谱存在两个阻尼峰，弛豫峰P1峰和再结晶峰P2峰。三明治复合板和ARB1道次复合板的Mg、Al层织构为轧制织构，Al层织构表现出较好的对称性，ARB1道次后Mg层基面织构强度下降。.通过对Al/Mg/Al三明治复合板材退火动力学的研究，得出Mg/Al界面的扩散生长方式为类似抛物线状的生长。ARB1、2道次Mg/Al复合板经过退火处理后，温度在220℃以下Mg层和Al层硬度与未退火处理相比变化不大，220℃以上Mg层和Al层硬度随温度升高逐渐降低，Al层硬度下降幅度较大。260~400℃退火处理后，ARB1~3道次Mg/Al复合板Mg层和Al层硬度均剧烈下降，退火温度为400℃时不同道次的复合板材Mg层硬度基本相同，不同道次的Al层硬度相差很小。