本发明涉及一种基于plc效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，属于铝合金铸造技术领域，特别指基于plc效应，采用重熔法制备(zrb2+tib2)纳米颗粒增强alsi9cu1复合材料的方法。
背景技术：
近年来，随着能源环境问题的凸显，现代航空航天、轨道交通、节能汽车等高技术领域对材料性能要求越来越高。各个国家对汽车制造企业的要求也越来越高，要求企业降低产品能耗，各汽车公司也都在研究如何提高汽车的使用经济性能，减少燃油消耗。研究表明，世界上40％左右的原油产量用在了车辆的运行消耗，汽车尾气排放的co2占矿物燃料燃烧释放的co2的15％。而且车辆运行过程中消耗的燃料接近60％用于其自重运行，因此，车辆重量每减轻10％，便可以降低6％～8％的燃料损耗，对节能减排有重要的意义。我国也提出了“发展高性能铝合金和镁合金及其制品成形技术”的要求。目前，世界上许多汽车生产公司不断加大铝合金的使用来取代传统钢铁材料，来实现减重的目的。当前，发达国家在汽车行业的铝合金使用量较高，平均每车为140kg，并且每年以20％～30％的速度增长。同样的，在我国汽车行业中，铝合金也越来越广泛的应用到汽车上，车用铝合金零部件如缸体、缸盖、活塞等也得到了快速发展。在众多轻质材料中，铸造铝合金凭借其密度小(只有是钢的三分之一)、比强度高等优点，成为替代钢的最佳材料，从而被广泛应用于汽车发动机部件中。
然而，汽车工业的迅速发展对材料的强度和耐热耐疲劳能力要求越来越高，传统的铸造铝合金快要达到了极限，不能满足工作需求。发展具有高导热性、良好的尺寸稳定性和优异的高强韧铸造铝合金是目前相关领域的重要的研究课题。
颗粒增强铝基复合材料，凭借其诸多优点，如比强度高、比模量高、耐热性能好等优点，在汽车、航空等领域有着良好的发展前景。原位反应合成的颗粒增强铝基复合材料，增强颗粒是铝熔体中通过化学反应生成的，与铝基体界面结合好、可以生成细小颗粒等优点，避免了外加颗粒制备方式导致的复合材料中颗粒与基体界面结合差、外加颗粒尺寸大等缺点，成为目前材料领域的热点。
但是，在一定条件下，许多铝合金在应力-应变曲线上往往表现出锯齿屈服现象。对材料加工成型后表面质量的控制带来困难。由于portevin和lechatelierf在对al-cu合金拉伸力学行为的研究中，首次提出了这种连续锯齿屈服现象的概念，所以该现象也被称为portevin-lechatelier(plc)效应。通常，plc效应的出现还会导致合金力学性能的降低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于plc效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，采用重熔法改善增强颗粒在基体中的分布，获得可避免plc效应的不同组织结构的复合材料，使alsi9cu1合金金属材料的综合力学性能得以显著改善。
本发明可有效解决发动机缸体、缸盖用alsi9cu1合金强度不高和存在塑性失稳的缺点。这两点缺点严重限制了汽车轻量化用铝合金部件代替传统钢材。通过原位反应技术和重熔法，实现增强颗粒的弥散分布。基于plc效应分析设计制备得到可避免plc效应的不同组织结构的复合材料。
为达到此目的，本发明采用以下技术步骤实现：
一种基于plc效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，包括如下几个步骤：
(1)复合材料的初次制备：以al-k2tif6-k2zrf6-kbf4作为反应体系，采用原位反应技术制备不同颗粒含量的(zrb2+tib2)纳米颗粒增强alsi9cu1复合材料；
(2)复合材料的重熔：将步骤(1)制备得到的复合材料进行重熔、精炼并浇铸；
(3)基于plc效应的力学分析方法：对重熔后冷却至室温的复合材料进行拉伸检测，通过观测分析方法确定颗粒含量和应变速率对复合材料中plc效应的影响方式；
(4)通过plc效应影响方式的分析方法，确定复合材料成分及浇铸冷却方式并获得可避免plc效应的不同组织结构的复合材料，获得可避免plc效应的不同组织结构的复合材料。
步骤(1)所述的(zrb2+tib2)纳米颗粒增强alsi9cu1复合材料中不同的颗粒含量分别为基体alsi9cu1质量的1wt.％-5wt.％，基体中硅含量8.6～9.1wt.％，cu含量：0.9wt.％～1.1wt.％，fe含量：≦0.01wt.％，mg含量：≦0.0001wt.％，其余为al含量。注：这里都是指的为质量百分比。
步骤(2)中所述的重熔、浇注过程为：重熔温度730～750℃，重熔过程中施加电磁搅拌，电磁搅拌过程中，励磁电流为180a，频率为8hz；重熔时间7-12min；最后对熔体精炼0.5-1.5min，浇注到铜模中，冷却至室温。
步骤(3)中所述的对复合材料进行拉伸检测，具体为：拉伸检测温度为室温，应变速率范围为1.39×10-4s-1～1.33×10-2s-1。观测分析方法指：通过不同颗粒含量、不同应变速率的复合材料拉伸曲线中的临界应变分析、材料组织结构图中晶粒尺寸和形貌分析，综合得出颗粒含量、应变速率对plc效应的影响；
步骤(3)中所述的确定颗粒含量和应变速率对复合材料中plc效应的影响方式，具体为确定颗粒含量和应变速率对复合材料拉伸过程中出现plc现象的临界应变的影响方式；步骤(4)中所述的获得可避免plc效应的不同组织结构的复合材料指浇铸方式为：颗粒含量5wt.％的复合材料，浇铸冷却方式为室温冷却。
本发明中al-k2tif6-k2zrf6-kbf4反应体系中发生的反应为：
3k2zrf6+3k2tif6+12kbf4+20al＝3zrb2+3tib2+18kalf4+2k3alf6
原位反应法制备的铝基复合材料，增强颗粒尺寸为纳米级别，经过重熔后，在基体中分散均匀，晶粒得到一定细化，能在一定程度上提升复合材料的强度。但是，原位反应法制备的复合材料，重熔后不能确定材料中是否会出现的plc效应。
对重熔后的复合材料进行力学性能检测，确定plc效应出现的临界应变和应变速率条件，通过材料微观组织和力学性能间唯象关系，确定特征参量，可以得到能有效避免plc效应的高强韧纳米铝基复合材料。
本发明提出的基于plc效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，在原位反应技术基础上，通过重熔法进一步改善颗粒在基体合金alsi9cu1的分布状况。通过颗粒质分数和应变速率对alsi9cu1合金及复合材料中plc效应的影响规律的研究，得到了可避免plc效应的高强韧纳米铝基复合材料，是工业alsi9cu1合金在汽车轻量化领域应用的重要技术保障。
附图说明
图1为alsi9cu1合金铸态组织的om图。
图2为重熔后3wt.％(zrb2+tib2)/alsi9cu1复合材料铸态组织的om图。
图3为具体实施案例中，应变速率为1.11×10-3s-1条件下不同颗粒质量分数的复合材料的临界应变图。
图4为具体实施案例中，基体合金中临界应变随应变速率的变化关系图。
图5为具体实施案例中，3wt.％(zrb2+tib2)/alsi9cu1复合材料中临界应变随应变速率的变化关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种基于plc效应设计高强韧铝基纳米复合材料的方法，具体实施方式为：
(1)复合材料的初次制备：以al-k2tif6-k2zrf6-kbf4作为反应体系，采用原位内生技术制备颗粒含量分别为1wt.％、2wt.％、3wt.％和5wt.％的(zrb2+tib2)纳米颗粒增强alsi9cu1复合材料，其中基体硅含量8.6～9.1wt.％，cu含量：0.9wt.％～1.1wt.％，fe含量：≦0.01wt.％，mg含量：≦0.0001wt.％，其余为al含量；
(2)复合材料的重熔：将步骤(1)制备得到的复合材料在740℃下重熔，重熔过程中施加电磁搅拌，电磁搅拌过程中，励磁电流为180a，频率为8hz；重熔时间7-12min；最后对熔体精炼0.5-1.5min。最后浇铸至尺寸为1000cm3的铜模并冷却至室温；由图2可看出相较于基体合金，复合材料的基体晶粒得到显著细化，这使得alsi9cu1合金的性能得到了一定的提升。
(3)基于plc效应的力学分析方法：对重熔后的复合材料在室温下进行拉伸检测，应变速率范围为1.39×10-4s-1～1.33×10-2s-1。附图3不同颗粒质量分数的复合材料的临界应变图；附图4为基体合金中临界应变随应变速率的变化关系图；附图5为具体实施案例中，(zrb2+tib2)/alsi9cu1复合材料中临界应变随应变速率的变化关系图。
从图3中可以看出复合材料中的临界应变整体上随着颗粒质量分数的增加而增加，当颗粒质量分数为3wt.％时，临界应变值为临界应变值为0.0734；随着颗粒质量分数增加到5wt.％，plc现象消失，图中的临界应变值为材料断裂时的应变。
从图4中可以看出，在基体合金中，从最低的应变速率1.39×10-4s-1开始，首先观察到临界应变快速下降，这表现为反常临界行为；随后，当应变速率高于3.33×10-3s-1时，临界应变随应变速率的增加开始增加，且增幅不是特别剧烈，表现为正常的临界行为。当应变速率较低时，临界应变较大，这表明材料中的plc效应被限制；应变速率较大时，临界应变增大的趋势说明，在高应变速率条件下，plc效应也受到限制。
从图5中可以看出，3wt.％(tib2+zrb2)/alsi9cu1复合材料中，临界应变随着应变速率的增加有三段变化趋势，即应变速率-临界应变曲线存在着三个分支，且两个分界点分别为
(4)获得了可避免plc效应的不同组织结构的复合材料。从步骤(3)中对颗粒含量和应变速率对复合材料中plc效应的影响规律分析表明，应变速率1.11×10-3s-1的条件下当颗粒含量达到5wt.％时浇铸冷却方式为空冷时，plc效应消失。本实施例基于plc效应成功设计出了高强韧铝基纳米复合材料，获得可避免plc效应的不同组织结构的复合材料。