ECAP变形模角对复合材料力学性能的影响研究

为了研究ECAP变形模角对碳纳米管增强镁基复合材料室温力学性能的影响。在230℃时分别利用了内切角Φ₁=90°、外切角Ψ₁=30°和内切角Φ₂=120°、外切角Ψ₂=60°的两种不同模角的ECAP变形模具按照B_C挤压变形路径对1.0 wt％MWCNTs复合材料进了1～4道次的ECAP变形加工。图5.13所示为分别采用90°和120°两种模角的模具在230℃对1.0 wt％MWCNTs复合材料各进行了1-4道次ECAP变形后的试样抗拉强度变化曲线。

图5.13 不同模角对1.0wt％ MWCNTs复合材料抗拉强度的影响

由图5.13可知，采用两种不同模角的模具经过ECAP变形1道次后，复合材料的抗拉强度都同时达到峰值。随着ECAP变形道次的增加，1.0wt％ MWC-NTs复合材料的抗拉强度又逐渐下降。采用模角为90°的模具ECAP变形1道次后，复合材料的抗拉强度可达306.3MPa，高于采用模角为120°的模具ECAP变形1道次后复合材料的抗拉强度（289.3MPa）。这是由于内切角Φ₁=90°、外切角Ψ₁=30°的模具比内切角Φ₂=120°、外切角Ψ₂=60°的模具在ECAP变形过程中所产生的应变当量要大，对复合材料的晶粒细化效果更好。此外，经过ECAP变形后，复合材料中基面织构减弱，导致了基面滑移的Schmid因子的提高，所以经过4道次的ECAP变形后，复合材料的抗拉强度都有所下降。同时，由于模角为120°的模具对材料的变形量小，对基面织构的弱化没有模角为90°的模具强，因此，如图5.13所示，其抗拉强度的降低没有比使用模角为90°的模具时快。

图5.14所示为分别采用90°和120°两种模角的模具在230℃对1.0wt％ MWC-NTs复合材料各进行了1～4道次ECAP变形后的试样伸长率变化曲线。

图5.14 不同模角对1.0wt％ MWCNTs复合材料伸长率的影响(www.xing528.com)

无论是采用模角为90°的模具还是模角为120°的模具，ECAP变形1道次后，1.0wt％MWCNTs复合材料的伸长率与挤压态相比都有所下降，随着ECAP变形道次的增加，复合材料的伸长率都得到明显的提高。经过ECAP变形4道次后伸长率分别达到23.33％和21.23％。与挤压态17.14％相比，分别提高了36.11％和23.86％。由此可见，采用模角为90°的模具对碳纳米管增强镁基复合材料进行ECAP变形能使材料获得更好的综合力学性能。

经过ECAP变形后，碳纳米管增强镁基复合材料晶粒组织得到明显的细化。理论上，多晶体材料的强度将随其晶粒组织细化而提高。多晶体材料的屈服强度σ_0.2与晶粒尺寸d之间的关系可用霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式表示

式中，σ₀反映晶内对变形的阻力；k反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。

由于经过ECAP变形后，碳纳米管增强镁基复合材料的晶粒组织细化明显，晶界增多，使位错运动受到的阻力增大，从而提高了复合材料的强度。另外，晶粒组织的细化也使复合材料的伸长率提高，这是由于在外力作用下金属材料塑性变形是位错滑移的结果，而位错滑移是在单晶中的行为，当产生位错移动时，单晶体产生塑性变形。碳纳米管增强镁基复合材料的晶体都是多晶组织，其塑性变形是组织中所有晶粒塑性变形的整体结果，因此在单晶粒位错滑移条件相同时，晶粒尺寸越小，复合材料塑性性能越高。