关键词： 镁及镁合金   {10(?)2}拉伸孪生   去孪生   动态再结晶   温变形行为  

摘要： 镁及镁合金作为最轻的金属结构材料而被誉为“21世纪绿色金属结构材料”。然而,镁及镁合金密排六方晶体结构导致其变形能力较差。预置初始孪晶和提升变形温度是改善镁及镁合金变形能力的有效手段,但是,镁及镁合金温变形过程中孪生、去孪生与动态再结晶及其相互作用关系仍需进一步深入探讨。本论文以AZ31B镁合金薄板与纯镁单晶为实验材料,基于单轴拉伸、杯突和单轴压缩变形三种简单变形方式,设置了不同变形参数(温度、加载方向、变形量),通过光学显微镜(OM)观察、电子背散射衍射(EBSD)表征,研究了预孪晶镁及镁合金温变形过程去孪生与动态再结晶行为,分析了二者相互关系,阐明了其组织演化对性能影响,得到了以下主要结论:(1)单轴拉伸变形中,预孪晶AZ31B镁合金薄板去孪生行为随拉伸温度上升而启动变少、变慢,当温度达到200℃时,仅有75°和90°加载有去孪生现象;250℃下去孪生不再发生,动态再结晶主导组织演变。动态再结晶类型不受加载方向影响,200℃下动态再结晶类型为连续动态再结晶而250℃下动态再结晶以不连续动态再结晶为主。(2)单轴拉伸过程中,若加载方向有利于去孪生则连续动态再结晶参与较少、拉伸孪晶界保持长条连续状;若加载方向不利于去孪生则连续动态再结晶大量参与、拉伸孪晶界呈短小断续状。(3)杯突过程中,预孪晶AZ31B镁合金薄板去孪生行为随变形量增加而逐渐向内层发展。拉伸孪生关系在连续动态再结晶影响下出现偏差且偏差自外层向内层增加,连续动态再结晶行为在样品外层更剧烈,柱面滑移行为在样品外层更显著、协调更多应变,基面织构能否软化受平面应力状态与样品初始织构状态关系影响。(4)200℃及以下时,预孪晶AZ31B镁合金薄板成形性能因去孪生行为、动态再结晶行为、混晶组织、柱面滑移行为和弱基面织构共同作用而提升,且温度越高提升越显著;250℃时,预孪晶AZ31B镁合金薄板成形性能提高可能是混晶组织、柱面滑移行为和发散织构所致。(5)镁单晶{10(?)2}拉伸孪晶诱导动态再结晶形核机制包括完全继承机制、随机取向形核机制和片层旋转机制。其中完全继承机制一般发生于邻位{10(?)2}拉伸孪晶交互且最易发生,随机取向形核和片层旋转形核机制发生在{10(?)2}拉伸孪晶片层内。热压缩方向有利于{10(?)2}孪生行为时,动态再结晶较弱;反之则较强。含邻位{10(?)2}拉伸孪晶镁单晶热压缩动态再结晶行为比含对位{10(?)2}拉伸孪晶镁单晶更剧烈;含邻位{10(?)2}拉伸孪晶镁单晶沿[(?)2(?)0]热压缩动态再结晶行为不如{10(?)0}面上各方向热压缩剧烈。

关键词： PLA/HA/Mg复合支架   3D打印   力学性能   生物相容性   降解性能  

摘要： 目前,由于疾病和意外导致的骨缺损及其相关疾病患者日益增加,组织工程研究为这个问题提供了解决方案,将骨组织工程支架植入骨缺损部位,代替缺损部位的骨组织,成骨细胞在支架表面和内部不断增殖、分化,同时支架在体内降解,人工多孔支架作为最佳骨缺损植入物受到越来越多的关注。理想的骨组织工程支架应具备合适的孔隙结构以实现细胞附着、营养物质传输和代谢产物排出,与人体骨骼相近的力学性能以及良好的生物相容性和可降解性。本研究以聚乳酸(PLA)、羟基磷灰石(HA)和镁(Mg)为原材料,利用3D打印技术,制备出正四面体自锁多孔支架和空间网格结构支架,并对支架的理化性能、生物相容性能、降解性能进行研究。首先是骨组织工程支架的制备和表征。我们制备了不同质量分数HA和Mg的PLA/HA/Mg复合材料,采用熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制备了纯PLA正四面体自锁结构支架和PLA/HA/Mg复合材料空间网格结构支架,然后对支架的表面形貌、孔隙率、亲水性和力学性能进行了表征和评价。结果表明,采用FDM 3D打印制得的支架外形规整,边界清晰,孔洞贯通且规则,重现性较好,孔隙率和尺寸都符合骨组织工程的要求,说明采用FDM 3D打印技术制备多孔组织支架的方法是可行的;HA和Mg可以增强支架的亲水性,有利于细胞在支架表面粘附、铺展和增殖分化,同时可以帮助营养物质的运输和代谢废物的排出;多孔支架具有良好的承重耐性和减震吸能效果,并且层状结构可防止整体性破坏,PLA正四面体自锁支架的力学性能与孔隙率呈负相关,压缩强度在1.24～6.27 MPa之间,压缩模量在11.99～33.25 MPa之间;PLA/HA/Mg复合支架的压缩强度和压缩模量均低于纯PLA支架,在加入10wt%的HA时,其压缩模量下降明显,加入2wt%的Mg时,其力学性能有所提高,但随着Mg含量的增加,Mg的团聚明显,支架的力学性能开始下降,压缩强度在4.48～9.48 MPa之间,压缩模量在88.75～168.75 MPa之间。10wt%HA、2wt%Mg的PLA/HA/Mg复合支架的压缩强度为9.48 MPa,其力学性能最优,且与松质骨力学性能相匹配,将其用于后续试验。然后,将纯PLA支架和PLA/HA/Mg复合支架分别与小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)进行体外共同培养,探究支架的生物亲和性和诱导成骨分化能力。结果表明,随着培养时间的推移,所有支架上的活细胞数量逐渐增多,死细胞数量极少,细胞活力旺盛,分布均匀,细胞膜的铺展面积变大且均匀,PLA/HA/Mg复合支架上的活细胞数量明显高于纯PLA支架,细胞活性更好,细胞数量和铺展状态更优,细胞形态良好,HA和Mg的引入不会对细胞产生明显的毒副作用,并且有效改善了PLA支架的生物相容性,有利于细胞在支架上的增殖、粘附和铺展;PLA支架和PLA/HA/Mg复合支架都能够有效促进细胞碱性磷酸酶(ALP)的表达,并且PLA/HA/Mg复合支架上细胞的ALP活性明显高于PLA支架,两组支架上都出现了大量的矿化面积,而PLA/HA/Mg复合支架上的钙结节更多、钙盐定量更高,HA和Mg的存在显著地提高了支架对细胞的诱导成骨分化能力。最后,将PLA/HA/Mg复合支架浸没于磷酸盐缓冲溶液(PBS)中,进行体外降解性能研究。结果表明,随着浸泡时间的推移,支架表面腐蚀程度愈加显著,表面变得粗糙,伴随有孔洞、裂纹以及腐蚀产物等产生;PLA/HA/Mg复合支架的质量先小幅增加,后逐渐减小;PBS缓冲溶液整体并未出现酸性环境,p H值总体上呈现上升趋势,一段时间后趋于稳定;PLA/HA/Mg复合支架的力学性能下降,压缩强度和压缩模量逐渐降低,维持在骨组织工程要求范围内。

关键词： Mg-Zn-Ca低合金   晶界/位错偏聚   时效强化   溶质团簇   力学性能  

摘要： 镁合金的密度低、比强度高,在汽车、高铁、通讯、航空航天和国防军工等领域应用前景广泛。低合金含量镁合金生产成本低且易于加工,受到国内外研究人员的广泛关注。然而,传统低合金镁合金中难以形成高体积分数第二相抑制热机械加工过程中晶粒长大,不利于实现室温高强塑性和高温超塑性。通过新型低合金高性能化成分设计,在合金中引入晶界偏聚元素和纳米第二相,可以改善低合金镁合金的热稳定性,提高其室温强韧性及高温超塑性。然而,目前有关晶界偏聚提升合金热稳定性的研究集中于静态退火过程,关于晶界偏聚与低合金镁合金高温超塑性之间的关系仍不清楚。此外,与常规凝固相比,采用亚快速凝固技术制备合金,可以减缓宏、微观偏析,提高合金元素的基体固溶度,有利于低合金高性能镁合金板材的开发。近年来,研究人员发现通过预变形时效处理,诱导合金元素形成团簇、偏聚以及G.P.区等纳米微结构,可以明显提升低合金镁合金的强度。但是,预变形时效处理前的高温固溶处理会显著粗化合金的晶粒尺寸,严重降低合金的强度,并且难以通过形成纳米微结构进行弥补。因此,同时实现细晶强化和应变时效强化或者探索新的强韧化机制对开发室温高强韧低合金镁合金具有重要意义。综上,本文以Mg-1.0Zn-0.5Ca-0.3Sn-0.2Mn（wt.%）合金为对象,通过亚快速凝固技术和多道次轧制,制备了具有均匀细晶结构的高强塑低合金镁合金板材;同时,研究了晶界偏聚与合金热稳定性及超塑性变形之间的关系;提出了基于位错诱导溶质再分配思路,在细晶Mg-Zn-Ca-Sn-Mn低合金中实现应变时效强化;研究了Mg-Zn-Ca-Sn-Mn合金室温快速自然时效行为和动态应变时效析出行为,在合金中实现了显著的团簇强化。主要结论如下:（1）研究了凝固冷速对Mg-Zn-Ca-Sn-Mn低合金微观组织及力学性能的影响。发现与常规凝固（conventional solidification,CS,冷速20 K/s）合金相比,亚快速凝固（sub-rapid solidification,SRS,冷速200 K/s）合金中初生α-Mg和共晶相明显细化,晶粒尺寸从240μm细化至100μm。轧制退火后,SRS合金比CS合金具有更细小的晶粒尺寸（3μm vs5μm）;同时,SRS合金中残留共晶相尺寸更细小、分布更均匀,极大减缓了应力集中,降低了裂纹萌生的可能性。因此,SRS合金板材具有高的屈服强度（yield strength,YS）270 MPa和延伸率21%。（2）揭示了晶界偏聚对Mg-Zn-Ca-Sn-Mn低合金高温超塑性的作用机制。通过挤压和多道次轧制,制备出具有均匀细晶结构（4μm）的Mg-Zn-Ca-SnMn合金,该合金在573 K和10-3 s-1拉伸条件下,获得了延伸率410%的超塑性。超塑性变形由晶界滑移（grain boundary sliding,GBS）和溶质拖拽蠕变（solute drag creep,SDC）共同主导。虽然Zn、Ca元素晶界偏聚和纳米第二相会对GBS的开启施加一个阈值应力（4 MPa）,但是二者维持了合金的细晶组织（<6μm）,保证了高温拉伸过程中合金的超塑性变形能力。（3）揭示了细晶Mg-Zn-Ca-Sn-Mn合金应变时效强化机制。经过2%预拉伸变形和175 o C/30 min时效处理,均匀细晶结构（2.5μm）的Mg-Zn-Ca-SnMn低合金的YS提升30 MPa;而只进行预变形处理或者时效处理,合金的YS无明显变化。低温退火后,大量的Zn、Ca溶质原子在晶界处富集;时效过程中,预变形处理引入的基面位错作为快速“通道”,诱导偏聚于晶界处和固溶在基体中的Zn、Ca溶质原子扩散至位错核处,钉扎位错,从而在细晶低合金镁合金中实现应变时效强化。（4）发现了Mg-Zn-Ca-Sn-Mn低合金室温快速自然时效现象。在2%预拉伸变形和自然放置48 h后,合金的YS提升了25 MPa;而只进行预拉伸变形或者自然放置48 h,合金的YS无明显变化。预变形处理引入了基面位错和非平衡空位,自然时效过程中,基体中Zn、Ca溶质原子朝着位错扩散,形成位错偏聚,钉扎位错,提升合金的强度。（5）揭示了Mg-Zn-Ca-Sn-Mn低合金室温快速动态应变时效强化机制。经过室温循环加载变形处理,合金的YS大幅提升了81 MPa,而延伸率只从18%降低至16%。室温循环加载变形在基体中引入大量的非平衡空位,促进基体中的固溶原子形成高密度（5.7×1024 m-3）纳米团簇（Zn-Ca-Mn、Zn-Ca、Zn-Zn、Zn-Mn、Ca-Ca和Ca-Mn）,因而在大幅提升合金强度的同时不会严重损害合金的塑性。

关键词： AZ31B镁合金   热轧变形   再结晶   力学性能   晶体相场(PFC)  

摘要： 本课题研究对象为AZ31B商用镁合金,分别研究了400℃（4 h、12 h、24 h）和420℃（4 h、12 h、24 h）两种不同均质化工艺对镁合金组织及力学性能的影响。然后探究了铸态直接热轧及均质化后热轧两种不同轧制工艺对AZ31B镁合金板材的成型性及合金组织性能的改善。两种工艺均采用400℃轧制温度及3770mm/min的轧制速率成功制备出同等变形量分别为30%、50%和75%的镁合金板材。同时,采用光学显微镜和SEM-EBSD对不同均质化及轧制工艺后的样品的显微组织进行了表征;利用万能拉伸实验机测试不同样品的力学性能。实验中结合多种先进的显微组织和表征手段有效获取了镁合金在均质化及轧制过程中的组织演变规律。同时也从数值模拟分析的角度采用晶体相场方法（PFC）揭示在热轧过程中随变形量增加而产生的再结晶现象及晶粒细化机制。这项工作的结果不仅阐述了再结晶机制和机械性能之间的相关知识,而且为优化合金的微观结构-机械性能提供了一种有效的方法。通过研究得出了以下结论:（1）最佳的均质化温度及时间为420℃-12h。经均质化处理后合金的力学性能有明显提升,抗拉强度达到238 MPa,延伸率达到15.7%。（2）在热轧变形30%的情况下,孪生诱导的再结晶机制主要主导了轧制变形的再结晶过程。在热轧变形50%的情况下,孪生诱导的再结晶机制和应变诱发晶界迁移机制（SIBM）主要主导了轧制变形的再结晶过程。在热轧变形75%的情况下,SIBM和亚晶生长的机制主要主导了轧制变形的再结晶过程。由不同机制主导的再结晶过程有助于提高合金的机械性能。最终,热轧变形为75%的试样可以获得较高的抗拉强度（298MPa）和相当大的延展性（18.9%）。（3）在均质化热轧变形30%的情况下,由孪生诱导的再结晶和SIBM组成的不连续动态再结晶主要主导了轧制变形的再结晶过程;在均质化热轧变形50%的情况下,由孪生诱导再结晶为主要的不连续动态再结晶和渐进的晶格旋转为主要的连续动态再结晶共同主导了轧制变形的再结晶过程;在均质化热轧变形75%的情况下,连续的动态再结晶机制主要主导了轧制变形的再结晶过程。最终,均质化热轧变形为75%的试样可以获得较高的抗拉强度（327MPa）和相当大的延展性（22.2%）。（4）直接轧制工艺在低变形量阶段由不连续的动态再结晶作为主要再结晶机制,在高变形量阶段的再结晶机制是连续与非连续再结晶的混合机制。而均质化热轧实现了由不连续动态再结晶向连续动态再结晶的转换,最终得到了更优于直接热轧的力学性能。

关键词： 镁合金薄板   纯镁单晶   单轴拉伸   温变形过程   去孪生   动态再结晶  

摘要： 镁及镁合金作为最轻的金属结构材料而被誉为“21世纪绿色金属结构材料”。然而，镁及镁合金密排六方晶体结构导致其变形能力较差。预置初始孪晶和提升变形温度是改善镁及镁合金变形能力的有效手段，但是，镁及镁合金温变形过程中孪生、去孪生与动态再结晶及其相互作用关系仍需进一步深入探讨。本论文以 AZ31B 镁合金薄板与纯镁单晶为实验材料，基于单轴拉伸、杯突和单轴压缩变形三种简单变形方式，设置了不同变形参数(温度、加载方向、变形量)，通过光学显微镜(OM)观察、电子背散射衍射(EBSD)表征，研究了预孪晶镁及镁合金温变形过程去孪生与动态再结晶行为，分析了二者相互关系，阐明了其组织演化对性能影响，得到了以下主要结论：　　(1)单轴拉伸变形中，预孪晶AZ31B镁合金薄板去孪生行为随拉伸温度上升而启动变少、变慢，当温度达到200℃时，仅有75°和90°加载有去孪生现象;250℃下去孪生不再发生，动态再结晶主导组织演变。动态再结晶类型不受加载方向影响，200℃下动态再结晶类型为连续动态再结晶而250℃下动态再结晶以不连续动态再结晶为主。　　(2)单轴拉伸过程中，若加载方向有利于去孪生则连续动态再结晶参与较少、拉伸孪晶界保持长条连续状;若加载方向不利于去孪生则连续动态再结晶大量参与、拉伸孪晶界呈短小断续状。　　(3)杯突过程中，预孪晶AZ31B镁合金薄板去孪生行为随变形量增加而逐渐向内层发展。拉伸孪生关系在连续动态再结晶影响下出现偏差且偏差自外层向内层增加，连续动态再结晶行为在样品外层更剧烈，柱面滑移行为在样品外层更显著、协调更多应变，基面织构能否软化受平面应力状态与样品初始织构状态关系影响。　　(4)200℃及以下时，预孪晶AZ31B镁合金薄板成形性能因去孪生行为、动态再结晶行为、混晶组织、柱面滑移行为和弱基面织构共同作用而提升，且温度越高提升越显著;250℃时，预孪晶AZ31B镁合金薄板成形性能提高可能是混晶组织、柱面滑移行为和发散织构所致。　　(5)镁单晶{10(1)2}拉伸孪晶诱导动态再结晶形核机制包括完全继承机制、随机取向形核机制和片层旋转机制。其中完全继承机制一般发生于邻位{10(1)2}拉伸孪晶交互且最易发生，随机取向形核和片层旋转形核机制发生在{10(1)2}拉伸孪晶片层内。热压缩方向有利于{10(1)2}孪生行为时，动态再结晶较弱;反之则较强。含邻位{10(1)2}拉伸孪晶镁单晶热压缩动态再结晶行为比含对位{10(1)2}拉伸孪晶镁单晶更剧烈;含邻位{10(1)2}拉伸孪晶镁单晶沿[(1)2(1)0]热压缩动态再结晶行为不如{10(1)0}面上各方向热压缩剧烈。

关键词： AZ31镁合金   晶体塑性有限元   晶体取向   织构演变   孪晶   各向异性   力学性能  

摘要： 我国现阶段经济的增长得益于中国汽车行业和3C等行业的转型升级,镁合金以其优良的性能在制造业得到青睐,镁合金行业被市场非常看好。镁合金相对比强度、比刚度高,密度小,弹性模量大,具有良好的压铸成型性能,在加工成形过程中,表现出散热快、质量轻、刚性好、具有一定的耐腐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好,以及不断进步的镁合金回收技术,促使镁合金在医疗化工、航空航天等工业领域得到更加广泛的应用。先进材料塑性成形技术在促进国民经济发展的过程中发挥着举足轻重的作用,基于传统有限元理论和反复实验的研究方法难以满足现代加工工程的要求,随着现代计算机科学和数值计算方法的发展,晶体塑性有限元被誉为计算材料变形织构的最优方法,晶体塑性有限元是将晶体塑性力学本构关系与有限元方法相结合,由晶粒的细观响应得出材料的微观塑性变形行为。晶体塑性力学本构关系将金属的塑性变形归结为位错的滑移和晶格的旋转。与传统的各向同性本构关系相比较,晶体塑性力学本构关系更接近于金属塑性变形的物理本质。本文基于AZ31镁合金晶体塑性理论构建不同晶体取向的镁合金晶体塑性模型进行仿真研究,通过电子背散射衍射进行室温单轴压缩实验和拉伸实验与其相结合的方法,探索AZ31镁合金塑性变形过程中因不同初始晶体取向导致的各向异性和拉压不对称性,以及镁合金在塑性变形过程中织构演变规律、孪生和力学性能之间的关系,为加工和镁合金使用提供理论基础。主要研究结果如下:(1)晶体塑性变形行为在很大程度上取决于初始晶体取向,不同初始晶体取向的差异导致了AZ31镁合金塑性变形行为的各向异性,径向屈服强度和抗拉强度低,轴向屈服强度和抗拉强度高。(2)AZ31镁合金塑性变形过程中,随着应变的增加,孪晶激活体积分数也不断增多,因不同加载方向导致晶粒c轴发生转动不同,轴向塑性变形时孪生被抑制,孪生激活体积分数低,径向塑性变形时孪晶极易产生,孪生激活体积分数高。(3)孪晶的激活导致了织构演变发生显著变化,孪晶激活体积分数越高,织构的极密度偏移就越大,径向孪晶体积分数相对高,所以径向的织构的极密度偏移更大。(4)AZ31镁合金塑性变形过程中,出现明显孪晶的点与应力突变的点相吻合,当孪晶体积分数达到一定值时,应力发生突变,此时晶体取向发生变化,新的滑移系启动,反映了滑移和孪晶机制耦合对力学性能的影响。

关键词： 电致发光材料   碳量子点   深蓝发光   色纯度   生物相容性  

摘要： 碳量子点(CQDs)是一类易制备、原料来源广泛、绿色环保的新型发光材料，具备优异的光学性能、化学稳定性和良好的生物相容性。其碳量子点发光二极管(CLED)技术在新一代显示和照明等领域有着巨大的应用潜力。在电致发光材料中，蓝光材料由于其本身光学能带结构宽和电学传输性能低的本征矛盾，比绿光和红光材料的发展相对落后。发光效率低和色纯度差等问题是限制了蓝光CLED发展的关键因素，亟待开发新型蓝光CQDs材料突破其发光量子效率(PLQY)并获得更窄半峰宽(FWHM)发光特征。本论文通过合理的前躯体选择与设计，成功合成了两个系列的蓝光CQDs材料，且将其应用于高效的蓝光CLED器件，取得了如下有意义的研究成果:　　1.优化选择DL-苹果酸与邻苯二胺作为反应前驱体，通过溶剂热法合成高N掺杂的深蓝碳量子点(DB-CQD)并应用于制备CLED器件。合成的CQD的N元素掺杂浓度高(9.80％),有利提升了其发光效率(PLQY=60％)和发光色纯度(FWHM=50nm)。在CLED器件制备中，通过聚乙烯基咔唑(PVK)与DB-CQD主客体掺杂构筑发光层，抑制其荧光聚集淬灭。在最优的8％NB-CQD掺杂浓度下，CLED表现出明亮深蓝光，亮度达到了1155.0cdm·2,最大外量子效率(EQEmax)达到了1.74％,CIE坐标为(0.16,0.08)并接近HDTV标准颜色***.709(0.15,0.06)规范，为开发深蓝CLED开辟了新的途径。　　2.以2,5-二羟基对苯二甲酸和邻、间、对苯二胺为原料，成功制备了菱形CQDs(o-CQD,m-CQD,p-CQD),其中m-CQD在溶液和固体中均具有极高的PLQY(溶液97.2％,固体82％)。形貌结构表征与理论计算表明，所制备的菱形结构CQDs为含有石墨化核和烷基钝化壳的核壳结构，有利于实现高效率和高色纯度的发光。以m-CQD为发射源制备的深蓝m-CLED表现出优异的电致发光性能，最大EQE高达4.51％,超过此前报道的蓝光CLED效率。其CIE坐标(0.15,0.07)进一步接近HDTV标准颜色***.709(0.15,0.06)规范，这项工作将为开发下一代高性能深蓝CLED奠定基础。

关键词： SiCp/AZ91D   微观组织   力学性能   断裂方式   强化机制  

摘要： 随着航天事业的快速发展和进步,对结构轻量化、高性能的需求也越来越迫切。但是镁合金强度低、耐腐蚀性差等缺点,随着航空航天技术的发展,镁合金越来越不能满足航空航天领域对结构轻量化的要求。在此背景下,开发出以镁及其合金为基体,在其表面或者内部通过添加增强颗粒、中间相从而形成具有一定增强效果、力学性能和工艺性能均良好的新型镁基复合材料,颗粒增强镁基复合材料不仅在力学性能上有大幅度的提升,同时其研发成本低,制备工艺简单,因此其受到越来越多研究者的关注,应用领域也越来越广泛。对不同增强体颗粒以及同一种增强体颗粒的不同尺寸混杂加入的研究主要集中在组织和性能两个方面,因此本试验以调控镁基复合材料中增强体颗粒的尺寸和含量等因素为研究目标,改善复合材料的组织形貌、增强体的分布及其与基体界面结合状况,实现提高复合材料的力学性能等目的。在本课题试验研究中,选用铸造镁合金AZ91D作为基体合金,增强相选用10μm和10nm的SiC颗粒,采用半固态机械搅拌法将增强相SiC颗粒加入到AZ91D镁合金基体中,进而得到半固态SiCp/AZ91D镁基复合材料。利用OM光学显微镜、SEM扫描电镜、EDS能谱分析仪、X-ray衍射仪以及TEM高倍透射电镜对制备的镁基复合材料的晶粒尺寸、相的组成及分布、增强体与界面结合情况以及断口形貌进行研究分析;利用电子万能试验机、维氏硬度计等测试手段,测定镁基复合材料的力学性能。通过研究单一尺寸微米、纳米SiC颗粒的含量、双尺寸SiC颗粒的不同质量比对AZ91D镁合金显微组织结构、力学性能的影响规律,揭示单/双尺寸SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料的强化机制。现得出以下结论:(1)单一尺寸的微米SiC颗粒能够限制基体晶粒的生长,使复合材料的晶粒得到细化,当单一尺寸的微米SiC颗粒含量在2wt.%时,复合材料获得的力学性能最佳,其平均晶粒尺寸、维氏硬度、屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为23.19μm、86.91HV、153MPa、209MPa和5.1%;纳米SiC尺寸尺寸小,发挥钉扎效应,能够阻止晶界的迁移,并抑制晶粒的长大。当纳米SiC颗粒含量在2wt.%时,复合材料获得的力学性能最优,其平均晶粒尺寸、维氏硬度、屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为18.71μm、91.37HV、192MPa、219MPa和6.7%。(2)双尺寸SiC颗粒可以发挥出微米和纳米SiC颗粒各自的优势,两者的协同作用使得复合材料的力学性能提高,2wt.%双尺寸SiCp/AZ91D复合材料中微米SiC颗粒和纳米SiC颗粒质量比为2:1时,双尺寸复合材料的力学性能达到最优,其平均晶粒尺寸、维氏硬度、屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为19.37μm、89.65HV、181 MPa、213MPa和5.3%。(3)m-SiCp/AZ91D复合材料断裂形式为脆性断裂;在n-SiCp/AZ91D复合材料中,随着纳米SiC颗粒含量的增加,复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂;在双尺寸SiCp/AZ91D复合材料中,随着微米SiC颗粒含量的增加和纳米SiC颗粒含量的减少,断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂。(4)在拉伸过程中,容易在微米SiC颗粒和AZ91D基体的界面上产生微裂纹,这些微裂纹的扩展导致了m-SiCp/AZ91D复合材料的断裂。与微米SiC颗粒相比,在纳米SiC颗粒附近不容易产生应力集中,因此纳米SiC颗粒周围没有出现微裂纹。(5)各强化机制对SiCp/AZ91D复合材料的影响以位错强化为主,其次是Orowan强化和细晶强化,载荷传递强化影响最小。