SiC-Al復(fù)合材料微屈服行為與強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、SiC/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的微屈服強(qiáng)度、比剛度和適中的熱膨脹系數(shù)，已經(jīng)成功應(yīng)用于精密儀表零件之中。然而目前為止，還有一些基礎(chǔ)問(wèn)題尚未形成明確的理論。例如，增強(qiáng)體尺寸對(duì)微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理問(wèn)題，基體中析出相長(zhǎng)大會(huì)降低長(zhǎng)期服役過(guò)程中穩(wěn)定性問(wèn)題等。為解決高尺寸穩(wěn)定性SiC/Al復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)問(wèn)題，本文圍繞微屈服強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)和基體合金優(yōu)化選擇這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。首先采用應(yīng)變梯度理論研究了顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理，進(jìn)而采用

2、有限元的方法建立含顆粒尺寸項(xiàng)的微屈服強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型，為顆粒尺寸的選擇提供了依據(jù)；繼而，針對(duì)基體析出相長(zhǎng)大的問(wèn)題，提出了適用于長(zhǎng)期使用時(shí)具有高微屈服強(qiáng)度的合金元素優(yōu)選方法，優(yōu)選出合金元素 Sc,Zr,Mg，并采用壓力浸滲技術(shù)制備了相應(yīng)的復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了添加優(yōu)選合金元素的SiC/Al復(fù)合材料微觀組織和微屈服強(qiáng)度，探討了合金元素對(duì) SiC/Al復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理，為合金元素的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的基礎(chǔ)。
　　采用壓力浸滲法制備

3、了4種 SiC顆粒尺寸的SiC/Al復(fù)合材料，研究了SiC顆粒尺寸對(duì)SiC/Al復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著顆粒尺寸減小，微屈服強(qiáng)度提高。通過(guò)建立微觀的應(yīng)變梯度模型，證明了顆粒尺寸是通過(guò)改變顆粒間距進(jìn)而改變基體中的應(yīng)變梯度，從而改變復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化效果主要是依賴(lài)于鑄造冷卻階段產(chǎn)生的幾何必需位錯(cuò)。
　　依據(jù)顆粒尺寸對(duì)微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理，在對(duì)基體塑性段本構(gòu)關(guān)系

4、修正的基礎(chǔ)上，采用有限元的方法建立了描述顆粒尺寸對(duì) SiC/Al微屈服強(qiáng)度作用的預(yù)報(bào)模型。對(duì)比了不同幾何模型或本構(gòu)方程對(duì)復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度的影響，證明多顆粒模型和“CTE+EM”的本構(gòu)關(guān)系更適用于SiC/Al復(fù)合材料。采用此模型預(yù)報(bào)了不同顆粒尺寸的SiCp/pureAl復(fù)合材料微屈服強(qiáng)度，進(jìn)而以顆粒尺寸為5μm的復(fù)合材料為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差為11.7％，證明模型具有一定的可靠性。
　　針對(duì) SiC/Al復(fù)合

5、材料析出相長(zhǎng)大致使長(zhǎng)期服役穩(wěn)定性差的問(wèn)題，結(jié)合Ostwald粗化理論，獲得了在鋁合金中添加的合金元素選擇方法：i)能與 Al形成具有強(qiáng)化作用的金屬間化合物；ii)最大固溶度大，室溫固溶度小；iii)低擴(kuò)散系數(shù)；iv)沉淀相與 Al基體共格；v)傳統(tǒng)鑄造技術(shù)可制備。并據(jù)此原則，優(yōu)選了基體合金元素 Sc,Zr,Mg，研究了合金元素對(duì)SiC/Al復(fù)合材料微觀組織和微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理。
　　研究了添加 Sc,Zr后 SiC/Al-Sc-

6、Zr復(fù)合材料的微觀組織、在不同熱處理工藝下的微屈服強(qiáng)度，揭示了Sc,Zr對(duì)微屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理。結(jié)果表明，添加Sc-Zr后，SiC/Al復(fù)合材料基體在鑄態(tài)時(shí)形成了300nm的超細(xì)晶粒。時(shí)效過(guò)程中，析出相Al3(Sc,Zr)在晶內(nèi)形核長(zhǎng)大，析出相與基體由共格關(guān)系變?yōu)榘牍哺耜P(guān)系。析出相密度則在350℃存在峰值16.7×1013m-2。添加Sc-Zr元素后，鑄態(tài)SiC/Al復(fù)合材料基體的主要強(qiáng)化機(jī)制由位錯(cuò)強(qiáng)化轉(zhuǎn)為細(xì)晶強(qiáng)化。峰時(shí)效時(shí)，析出相Al

7、3(Sc,Zr)是通過(guò)使位錯(cuò)發(fā)生Orowan繞過(guò)機(jī)制發(fā)揮強(qiáng)化作用的，復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度達(dá)到166.8MPa。
　　研究了進(jìn)一步添加 Mg元素對(duì) SiC/Al-Sc-Zr-(Mg)復(fù)合材料微觀組織及不同熱處理工藝下微屈服強(qiáng)度的影響。Mg的添加提高了Al3(Sc,Zr)相形核率，從而使相同熱處理?xiàng)l件下基體中 Al3(Sc,Zr)相平均粒徑更加細(xì)小，析出相面密度也更高。Mg元素的添加除自身的固溶強(qiáng)化外，還能夠?qū)?Al3(Sc,Zr)相