晶须与纳米颗粒混杂增强铝基复合材料的高温变形行为

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本文采用挤压铸造法制备了(SiCw+SiCp)/2024Al复合材料,其中SiC晶须的体积分数为17%~20%,纳米SiC颗粒体积分数可控范围为2%~9%。为了研究纳米颗粒的作用,还制备了SiC晶须体积分数为20%和27%的SiCw/2024Al复合材料。在进行高温变形试验时,首先采用了与实际生产密切相联系的热挤压和热轧制变形方式,得到有益于指导实际生产的结果;然后采用高温压缩变形和高温拉伸变形方式,以得到高温变形力学性能数据,结合显微组织观察,进行理论分析探讨。通过硬度测试和差热分析(DSC)对混杂复合材料的时效析出行为进行了研究,并对热变形前后复合材料的室温力学性能进行了测定。采用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)观察了材料热变形前后组织变化。 通过用超声波分散纳米SiC颗粒,用湿成型法制备预制块并选择适当的压铸工艺参数可以制备出复合状况良好的混杂增强铝基复合材料。对热变形前后混杂复合材料微观组织观察表明:铸态复合材料中增强体分布均匀,并与基体有良好的界面结合;热变形后,纳米颗粒分布的均匀性和分散性得到改善,SiC晶须产生了沿挤压方向的定向排列,但是晶须发生折断,长径比减小。高温压缩后,晶须发生转动和折断。 SiC晶须和纳米SiC颗粒的加入加速了基体合金的时效动力学。在190℃时效温度下,时效5小时为复合材料最佳时效时间。对于混杂增强复合材料,时效初期位错线吸附溶质原子,GP区的形成受到抑制;基体中位错发生回复使得复合材料在时效初期硬度值下降。 纳米颗粒比晶须更有效地提高复合材料的室温抗拉强度,挤压后复合材料的抗拉强度进一步提高,延伸率也略有提高。在晶须体积分数一定时,混杂复合材料的抗拉强度随SiC颗粒体积含量变化呈抛物线变化,存在极大值。当纳米颗粒含量为7%时,挤压态混杂复合材料的抗拉强度达到754MPa。但是纳米颗粒含量不宜超过7%,否则由于纳米颗粒偏聚团的增加反而会引起强化效果降低。考虑到晶须取向、长径比以及纳米颗粒偏聚团的影响,可以采用修正的混合定律对晶须定向分布混杂增强复合材料拉伸强度进行预测。 混杂复合材料的高温压缩流变应力主要是由Orowan强化机制和晶须强化来决定的。在300℃以下变形时,混杂复合材料流变应力较高的原因是由于Orowan强化机制起主导作用;在300~480℃变形时,Orowan强化逐渐减弱,由晶须强化决定流变应力的变化;在固相线温度以上压缩变形时,由于纳米颗粒阻止晶须的转动,所以晶须的折断是混杂复合材料具有较高流变应力的原因。混杂复合材料高温变形回复机制是动态回复和部分动态再结晶。混杂复合材料高温压缩变形机制是晶界滑移机制,位错滑移和扩散是其变形协调机制。计算混杂复合材料的表观激活能需要考虑门槛应力的作用,其表观激活能的数值与铝合金的自扩散激活能相近。 对复合材料高温拉伸结果表明SiCw/Al复合材料的高温拉伸强度要高于混杂增强复合材料;纳米颗粒严重分割基体,限制了高温下基体合金的塑性变形,从而导致(SiCw+SiCp)/Al复合材料过早地发生断裂,高温变形延伸率比SiCw/Al低;在520℃变形时,即有微量液相出现的时候,复合材料都获得相对较高的断裂延伸率。固相线以下温度变形时,(SiCw+SiCp)/Al和SiCw/Al复合材料都由晶须承载;在固相线以上温度拉伸时,则由基体承载,除了晶界滑移,界面滑移也是提高其塑性变形能力的主要原因。
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