碳纖維增強鎂基復合材料高溫變形微觀組織演化研究

白坤舉

(鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030)

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本文試驗中選用的碳纖維增強鎂基復合材料為AZ91型合金，該合金由鋁、鋅、錳、硅等元素組成，增強材料為T300型碳纖維，密度為1.87g/cm3，平均纖維長度為4mm。制備復合材料的方式為真空壓力浸滲法，制備工藝為預熱540℃、浸滲溫度660℃、壓力7.5MPa、壓力時間20min，最終得到的材料中碳纖維的體積分數為20%。復合材料的密度為1.67g/cm3，致密度為97.5%。

在制備時，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。當材料充分冷卻后，對其表面進行打磨，并在熱模擬試驗機上進行加熱實驗，溫度為400℃，應變速率為0.01s-1，應變量為0.2～0.6，加熱升溫速率為30℃/s，當溫度達到400℃后對材料保溫1min，隨后進行淬冷。

1.2 計算模擬

(1)分析模型。在有限元分析軟件中，建立與圓柱體相關的幾何模型并劃分相應的網格，對應圓柱狀的復合材料，由于要分析復合材料在高溫下形變時不同位置的形變效果，因此在模型中設置了3個具有代表性的點，分別位于端面中心、軸線中心和模型表面。由于模型在變形時其中的網格會發生畸變，因此在模型中開啟了畸變網格劃分模式，邊長為0.5mm。

2 試驗結果與分析

2.1 動態再結晶模擬

(1)變形量。圖1為溫度400℃、應變速率0.01s-1時不同變形量下復合材料的再結晶體積分數，從圖中可以得知，當變形量逐漸增加時，復合材料的中心最開始發生再結晶過程(圖1a)，隨后擴展到外圍變形區域(圖1b和圖1c)，當變形量穩定在0.7，高溫壓縮試驗已經基本結束時，中心區和外圍變形區的再結晶基本充分，而材料中與壓縮頭基礎不充分的部位則未發生明顯的再結晶過程(圖1d)。

圖1 不同形變量下復合材料的再結晶體積分數

圖2為模型中的代表性節點A、B、C處的再結晶體積分數隨壓縮高溫時間的變化曲線，從曲線中可以看出，A點基本不受溫度的影響，其再結晶體積分數幾乎不發生變化，B和C則有明顯的再結晶特征，B點的再結晶程度要高于C點。造成這種現象的原因是A點位于試樣的斷面處，在進行高溫壓縮試驗時，A點會頻繁地與壓縮頭相摩擦，因此難以發生塑性形變；而節點B相對于節點C更靠近試樣的中心區，會首先發生變形，變形的程度自然比C點更高。

圖2 節點A、B、C動態再結晶體積分數隨高溫壓縮時間的變化曲線

(2)變形溫度。變形溫度的試驗中，將應變速率設置為0.01s-1，變形量為0.7，變形溫度則為350℃、375℃、400℃和425℃，測得的復合材料的再結晶狀態如圖3所示。

圖3 不同溫度下復合材料的再結晶狀態

從圖3中可以看出，當溫度在350℃，材料中的晶粒并未完全細化，其中有大部分都未結晶；而當溫度上升到375℃時，材料中的再結晶過程較為明顯，大部分區域都已完成再結晶過程，晶粒相對更為細化，而端面區依舊沒有發生再結晶過程。

2.2 實驗結果與驗證

圖4 不同變形參數下復合材料的金相組織

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

在實驗實證中，實驗值的各項數值均小幅高于計算機模擬值，但兩者之間的差距不大，基本可以控制在10%(計算機模擬誤差要求)之內，這說明本文所使用的計算機模擬方式可以研究碳纖維增強鎂基復合材料在高溫下的微觀組織變形演化模式，可以準確預測高溫時不同狀態下復合材料的變形狀態，具有一定的研究和實用價值。

3 結論

本文對碳纖維增強鎂基復合材料在高溫下的微觀變形趨勢進行了研究，使用計算機模擬的方式，利用有限元分析軟件進行建模，研究得出復合材料的再結晶尺寸受變形量和溫度的影響較大，當變形量和溫度增加時，復合材料的變形首先從中心開始，逐漸向外圍變形區擴散，材料端面則基本不發生形變，距離中心越近的區域，受形變影響越大。采用計算機模擬實驗的方式與真實實驗的誤差可控制在10%之內，具有研究和應用方向的實用價值。