颗粒增强铝基复合材料的制备及组织与性能研究

论文摘要

现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高,使得单一材料难以满足实际中的要求,这促进了金属基复合材料的迅猛发展。特别是颗粒增强的铝基复合材料兼有铝合金基体优点和增强颗粒的优点,且成本低廉、制备简单,又可采用热挤压等传统金属加工工艺进行加工,因而倍受关注。本文采用挤压铸造法分别制备了4μm的43%Al2O3/2024、1μm的30%Al2O3/2024、4μm的40%SiCp/2024、4μm的40%AlN/6061、0.4μm的20% Al2O3/6061 5种复合材料,并进行了退火处理和固溶时效处理。利用分析天平、显微硬度计、热膨胀测试仪、万能拉伸机和扫描电镜等多种手段测试了复合材料的力学性能和热物理性能并进行了微观组织观察,随后分析了相关的影响因素。结果表明,挤压铸造法制备出的复合材料组织致密,颗粒分布均匀。相对基体合金,复合材料的硬度明显上升。在室温下进行复合材料拉伸实验发现,固溶时效态与退火态相比,由于时效强化效应,强度上升但塑性降低。SEM断口观察表明,拉伸后复合材料中颗粒存在破碎和剥离现象,基体中有少量的韧窝和撕裂棱;大的颗粒发生脆性断裂,小的颗粒发生剥落,材料的断裂方式整体表现为脆断,因此几种复合材料在室温下塑性都较低。5种铝基复合材料的平均热膨胀系数(CTE)明显低于基体合金,并随着温度上升而增加,基本呈线性变化的规律;复合材料固溶时效后的热膨胀系数与退火态相比明显降低。通过与混合定律(ROM)、Turner模型、Kerner模型以及Shapery模型的预测值对比分析得出,退火后5种复合材料的实测值主要在Shapery模型的下限值与Kerner模型之间波动,与Kerner模型预测值相符得较好;固溶时效后复合材料的实测值在四个模型之间波动,每种复合材料因其增强体种类的不同而具有各自的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合材料的分类及应用现状
• 1.2.1 连续纤维增强复合材料
• 1.2.2 短纤维增强复合材料
• 1.2.3 颗粒增强复合材料
• 1.3 颗粒增强铝基复合材料的制备
• 1.3.1 液态法
• 1.3.2 固态法
• 1.4 颗粒增强铝基复合材料的研究现状及进展
• 1.4.1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能
• 1.4.2 颗粒增强铝基复合材料的强化机制
• 1.4.3 颗粒增强铝基复合材料的热膨胀性能
• 1.5 本文的研究内容
• 2 复合材料的制备和实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• 2.3 颗粒铝基增强复合材料的制备
• 2.4 热处理工艺
• 2.5 试验方法
• 2.5.1 密度和致密度测定
• 2.5.2 金相观察
• 2.5.3 显微硬度测试
• 2.5.4 拉伸实验
• 2.5.5 断口观察
• 2.5.6 热膨胀系数的测试
• 3 颗粒增强铝基复合材料的性能
• 3.1 引言
• 3.2 密度及致密度
• 3.3 颗粒增强2024 铝合金基复合材料的力学性能
• 3.3.1 硬度
• 3.3.2 室温拉伸试验结果及分析
• 3.3.3 抗拉强度
• 3.3.4 屈服强度
• 3.3.5 延伸率
• 3.4 颗粒增强6061 铝合金的力学性能
• 3.4.1 硬度
• 3.4.2 室温拉伸试验结果及分析
• 3.4.3 抗拉强度
• 3.4.4 屈服强度
• 3.4.5 延伸率
• 3.5 不同颗粒对铝基复合材料的力学性能的影响
• 3.5.1 强度
• 3.5.2 延伸率
• 3.6 体积分数对铝基复合材料的力学性能的影响
• 3.6.1 硬度
• 3.6.2 强度
• 3.6.3 延伸率
• 3.7 本章小结
• 4 颗粒增强铝基复合材料微观组织
• 4.1 引言
• 4.2 铝基复合材料的微观组织的研究
• 4.2.1 金相观察
• 4.2.2 SEM 观察
• 4.3 不同热处理条件下复合材料的SEM 断口分析
• 4.3.1 退火态的断口分析
• 4.3.2 固溶时效态的断口分析
• 4.3.3 结果分析及讨论
• 4.4 本章小结
• 5 颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数的研究
• 5.1 引言
• 5.2 热膨胀系数
• 5.2.1 温度对热膨胀系数影响
• 5.2.2 颗粒尺寸和体积分数对热膨胀系数影响
• 5.2.3 热处理对热膨胀系数影响
• 5.2.4 颗粒强化铝基复合材料热膨胀系数模型预测
• 5.2.5 退火态的复合材料实测值与模型计算预测值的比较
• 5.2.6 固溶时效态的复合材料实测值与模型计算预测值的比较
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录