(SiCp/Al)/Al复合材料柔性强化机理研究

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传统的颗粒增强铝基复合材料均采用SiC、B4C等陶瓷颗粒作为增强体,其模量及强度较基体合金相差近10倍,导致复合材料在受载过程中增强体难以发生协调变形,导致复合材料不能完全发挥应有的增强效率。本研究团队提出了“柔性”强化的概念,试图寻找一种在复合材料变性过程中可发生协调变形的“柔性”增强体来强化铝合金。本文利用45vol.%SiCp/2024Al车削屑,通过球磨的方式制成300μm900μm的复合材料团簇(本文定义为CP——Composite Particle),并以此作为增强体来强化不同Al合金基体,以探索金属基复合材料柔性强化机制的基础理论问题,其工程价值在于为颗粒增强金属基复合材料的回收利用探索新的技术途径。本文采用压力浸渗法制备了7A60、2024以及1050三种Al合金基体的(SiCp/Al)/Al复合材料(SiC颗粒体积分数为30%)和相同SiC颗粒体积分数的SiCp/2024Al复合材料,利用热压缩模拟实验评价了复合材料的热变形性能并参考实验结果对复合材料进行了热挤压,用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对复合材料的增强体分布、界面结合以及合金元素扩散等进行了微观组织表征。对材料进行了拉伸测试和原位拉伸扫描观察,并结合激光共聚焦显微镜(LSCM)和SEM对复合材料的断口进行了分析,最后结合有限元分析(FEA)对柔性增强复合材料的断裂行为以及增强形式进行了机理性分析。热压缩模拟实验结果表明,与相同SiC颗粒体积分数的SiCp/2024Al复合材料相比,(SiCp/Al)/Al复合材料的真应力应变曲线趋势不同,不存在明显的加工硬化特征,基体合金为7A60Al、2024 Al以及1050 Al的(SiCp/Al)/Al复合材料的形变激活能分别为412、411和316kJ/mol,较SiCp/2024Al复合材料更低(614kJ/mol)。(SiCp/Al)/Al复合材料的形变激活能受基体合金元素的浓度影响,但与合金元素的种类无关。此外,(SiCp/Al)/Al复合材料的最佳热变形工艺温度(420450℃)较SiCp/2024Al复合材料(490530℃)更低,还具有多个最佳变形区域。因此(SiCp/Al)/Al复合材料具有更好的热变形能力。拉伸结果表明,(SiCp/Al)/Al复合材料与相同SiC颗粒体积分数的SiCp/2024Al复合材料均呈脆性断裂特征;CP从900降到300μm时,(SiCp/2024Al)/2024Al复合材料的强度从178MPa提升到了407MPa;团簇为300μm时,基体合金为7A60Al和1050Al的(SiCp/Al)/Al复合材料的强度(T6态)分别达到403MPa和242MPa,(SiCp/Al)/Al复合材料的强度低于SiCp/2024Al复合材料(450MPa),O态呈相同规律。热挤压后,复合材料的强塑性均得到了显著提升,基体合金为7A60Al、2024Al以及1050Al的(SiCp/Al)/Al复合材料的强度(T6态)达到了568,554和215Mpa,(SiCp/2024Al)/2024Al与SiCp/2024Al复合材料基本一致(560MPa),在维持强度的同时塑性提升了近一倍。断口观察、原位拉伸扫描及FEA结果表明,CP表面形成的微裂纹扩展导致了复合材料CP的拔出,微裂纹尺寸与CP尺寸正相关,因此随着CP尺寸的增加复合材料强度降低;(SiCp/Al)/Al复合材料的应变分布及断裂形式受到基体屈服强度的影响。结合现有预测复合材料屈服强度的理论模型,根据有限元分析得出柔性增强复合材料的屈服强度存在σcy=[A·lnσpyσmy·Vp+1]·σmy的关系,式中A与弹性模量、组织强化等因素相关,该关系与实验结果吻合良好。对于铸态(SiCp/Al)/Al复合材料,A约为1.68,当σpymy=1.5时为最佳屈服强度配比,此时屈服强度增强率可达52.5%;对于挤压态的(SiCp/Al)/Al复合材料,A约为1.45,当σpymy=1.4时为最佳屈服强度配比,此时屈服强度增强率可达45.8%。
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