2024Al-Gr-SiCp复合材料耐热性能研究

精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 1 / 12 2024r/合材料耐热性能研究 中图分类号： 献标识码： a 颗粒强化铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、弹性模量高和热膨胀系数低等优点，已在航空航天、交通领域得到非常广泛的应用 1了进一步提高飞行器的性能，开发混合颗粒强化铝基复合材料越来越受到人们的关注 2混合颗粒强化铝基复合材料结合了不同增强相颗粒所带来的优势，使其具有多种独特的性能，例如 模量，还具有良好的耐磨性能和阻尼性能 52024金属于可热处理强化铝合金，耐热性也比较优异 9粒和片状石墨，可以进一步提高其模量和阻尼性能，这种混杂增强的 2024al/gr/合材料在航天飞行器支撑结构件上有重要的应用价值 前关于 2024al/gr/合材料耐热性能的报道很少 2024al/gr/合材料的高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能，同时对拉伸断口进行分析，探讨 粒和石墨对材料的耐热性能的影响 . 1 实验方法 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 2 / 12 实验所用的惰性气体雾化 2024金粉末、鳞片状石墨和 粒的形貌如图 1 所示 金粉末的化学成分为 0.2 粒的加入量分别为 3%和 10% 采用真空热压粉末锭坯挤压成形法制备了 202402420240复合材料板 70 ，挤压比为 22 1，板材的截面尺寸为 40 10 将挤压板材进行峰值时效处理后，分别在 150 ，200 ， 250 和 300 热暴露不同时间，测量其硬度变化规律及室温拉伸性能 载载荷为 612.9 n，保荷时间为 30 s，每个试样测试 5 个点，舍去最大值和最小值后取平均值作为测量值 .在 子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为 0.5 mm/种试样测量 3 个并取平均值作为测量值，拉伸试样断口形貌在 场发射扫描电子显微镜上进行观察 光学显微镜上进行 . 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 3 / 12 2 实验结果 观组织 图 2 为 2024al/gr/合材料分别在 150 ，200 和 300 热暴露 48 h 后的金相组织 2024金及复合材料在不同温度热暴露 48 h 后，在材料的金相组织中没有观察到明显的变化 金粉末颗粒沿挤压方向被拉长， 粒及石墨均匀分布在基体中，且与基体具有良好的界面结合 ， ， 和图 2， ， 可以发现，随着热暴露温度的升高，基体合金的晶粒尺寸逐渐增大，这是因为高温下，基体合金中 溶质原子的扩散速度加快，导致 晶粒 和第二相 尺寸 的增加 ， ， 为20240合材料的金相组织，因 粒的加入且为挤压变形组织，在进行金相组织时无法腐蚀显现出明显的晶粒，但根据上述结果可以推断其晶粒尺寸变化趋势与基体合金大致相同 合材料增强相，尤其是硬质 阻碍热暴露时晶粒的长大 . 度曲线 图 3 为 2024金及其复合材料分别在 150 ，精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 4 / 12 200 ， 250 和 300 热暴露 96 h 过程中的硬度值随时间延长的变化曲线 材料热暴露后的硬度均有所下降，且随着热暴露温度升高，材料硬度下降的幅度增大；在 200 时硬度下降的幅度最小，在 300 时硬度下降的幅度最大 质原子扩散速度越快，第二相长大或粗化速度也越快，同时晶粒长大的趋势也越明显 始阶段材料的硬度下降比较明显，随着保温时间的延长，最后的硬度变化曲线处于平稳状态，几乎不发生改变 0240合材料与 2024合材料的硬度曲线可见，加了 粒的复合材料硬度值下降幅度比未加 材料的小 合材料与基体合金的硬度变化曲线发现，随着热暴露温度升高， 2024合材料硬度下降幅度比2024金基体在相同温度下硬度的下降幅度小 粒与基体合金之间的热膨胀系数存在差异，淬火时会在基体合金中引入大量位错，对材料具有强化作用 . 从 整 体 来 看 ， 在 200 及 以 下 热 暴 露 时 ，2024al/gr/合材料的硬度性能曲线比较平稳 .含 石墨的复合材料耐热性能次之，基体合金的耐热性能最差 00 热暴露时 ， 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 5 / 12 2024al/gr/合材料的硬度性能曲线下降趋势明显加快 体合金中位错攀移、晶粒长大及第二相粗化导致材料的硬度下降的作用比复合增强相的强化作用更明显，所以温度越高，硬度越低 合金的正常服役温度一般在 150 以下，超过该温度后，材料的力学性能会下降 92024al/gr/合材料具有较好的耐热性能，主要是因为加入的 粒和石墨颗粒能够阻碍热暴露过程中的晶粒长大及阻碍位错的运动 . 伸性能 图 4 为在不同温度下热暴露 12 h 后材料的室温抗拉强度变化规律及拉伸曲线 料的强度随着热暴露温度的升高逐渐降低，但整体仍具有较高的强度 00 及以下，材料的整体抗拉强度下降幅度不大，具有良好的耐热性能 024金基体与复合材料的抗拉强度变化，可以发现基体合金的抗拉强度下降幅度更大 金在150 时抗拉强度为 480 200 时抗拉强度为 394 降了约 90 20240合材料在 150 时抗拉强度为 424 200 时抗拉强度为 404 降幅度仅为 20 00 保温 12 h 后，材料的抗拉强度下降幅度较大 200 及以下温度， 2024金及其复合材料的精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 6 / 12 力学性能下降幅度较小，在 300 时力学性能快速下降 及以下温度，由于 粒及石墨的加入，能钉扎位错和晶界，阻碍位错运动和晶粒长大，有效地提高材料的耐热性能 00 时，位错和晶界运动驱动力增大，晶粒及第二相长大趋势明显，材料的强度下降 . 比较 2024al/gr/50 保温 12 h 后的抗拉强度，可以发现，经 150 热暴露 12 h 后， 2024部分学者10在研究 魏修宇等 12在研究 2197金的高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能时发现，在低于 150 的温度下热暴露 100 h 后， 2197金的强度提高了 15 右，将其原因归结为：合金经过 160 /16 h 时效处理后，仍残留有部分的过剩溶质原子，当合金在 150 及以下长时间暴露时，会二次析 出细小弥散的强化相 量较高，基体中除了存在 s 相，多余的 子会形成相 作为相的过渡相，其在 150 热暴露时在基体中析出的可能性很大 相的二次析出可能是 2024金基体及其复合材料在 150 热暴露后，强度有所提高的主要原因 . 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 7 / 12 图 5 为 2024金及其复合材料在 200 下分别热暴露 12 h， 24 h 和 48 h 后的室温抗拉强度变化趋势及相应的拉伸曲线 着保温时间的延长， 2024金及其复合材料的抗拉强度均有小幅度的下降；相比于基体 合金，复合材料的下降幅度更小 金在 200 下保温48 h 后抗拉强度为 340 未经保温处理的强度下降了140 20240合材料在 200 下保温 48 66 未经过保温处理的强度仅下降了 21 粒和石墨的加入，减小了材料强度下降的幅度，提高了基体合金的耐热性能 着时间的延长，材料的伸长率一般都有小幅度的提高，基体合金伸长率的变化幅度在 5%左右，复合材料的伸长率变化幅度 在 1%左右 . 随着热暴露时间的延长，溶质原子扩散得更加充分，晶粒尺寸和第二相尺寸长大、位错攀移运动程度加剧，导致材料的抗拉强度下降、伸长率上升 . 图 6 为 2024金及其复合材料在不同温度下热拉伸变形时的强度及相应的拉伸曲线 着拉伸温度的升高， 2024金及其复合材料的抗拉强度均逐渐下降 00 及以下温度，抗拉强度下降的幅度较小，在 250 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 8 / 12 及以上的温度下拉伸时，抗拉强度下降幅度较大 00 时， 2024金、 2024 20240合材料仍具有较高的力学性能，抗拉强度分别为 383 377 024其复合材料的抗拉强度可知，复合材料的抗拉强度下降幅度比基体合金的小 . 口形貌 图 7为 202450 ， 200 和 300 下热暴露 12 由图 7可以看出， 2024明在拉伸过程中基体发生了塑性变形 金中的韧窝尺寸变 大 一般认为，韧 窝主要由微孔聚合型断裂形成，微孔聚合型的断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂 窝的形成与材料中的第二相粒子的特征有关， 13认为微孔在第二相颗粒附近形核，而且只有当颗粒尺寸在 50 500 间才对韧窝的精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 9 / 12 形成有影响 二相颗粒的长大或粗化造成断裂韧窝尺寸增大 窝尺寸越大，材料的塑性变形能力越好，伸长率也越高 着热暴露温度升高，合金的伸长率有一定程度升高的原因 . 图 7和分别为 20242024al/0由图可见，复合材料的断口形貌具有两个明显的共同特征：第一，断口处存在断裂的石墨；第二，基体合金断口中存在大量的韧窝 着热暴露温度的升高，韧窝尺寸没有明显的变化 2024al/0合材料的断口形貌中发现了坑洞，这是由于拉伸过程中 拔出基体后留下的 20240合材料 的断口中韧窝尺寸变化不大，主要是受到 粒和石墨的影响 粒和石墨的加入能阻碍基体合金在热暴露时晶粒尺寸 粒尺寸对韧窝的形貌具有一定程度的影响 二相颗粒尺寸越小，韧窝尺寸也越小 . 图 8 为 2024金及其复合材料分别在150 ， 200 ， 250 及 300 下拉伸的断口形貌 2024金在高温下拉伸的断口具有韧性断裂的特征，断口中撕裂棱和韧窝较多 窝边缘被拉长的程度增大，表明高温下材料的塑性变形能力有所提精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 10 / 12 高 图 6 中拉伸曲线的变化情况，即随着拉伸温度升高，材料伸长率逐渐增大 合材料的断口中 存 在 大 量 断 裂 的 石 墨 ， 基 体 合 金 呈 韧 性 断 裂 ，20240合材料的断口处也存在断裂的石墨，但没有观察到 粒，说明在高温拉伸时 粒主要被拔出基体，基体合金呈韧性断裂 而深的韧窝，大而浅的韧窝 离增强相较远处的韧窝大而浅 致韧窝小而深；而距离颗粒较远的基体 合金可以充分协调变形，因而表现为断口上的韧窝大而浅 . 3 分析讨论 材料在热暴露过程中力学性能下降的主要原因是：基体的晶粒长大、溶质原子的急剧扩散以及强化相的长大或者粗化 碍晶粒长大、选择高温稳定的第二相及添加陶瓷颗粒等 时第二相的形貌与基体的界面有关；其组成元素扩散速率越快，第二相尺寸越容易长大 高温下尺寸不发生变化，能有效阻碍位错的滑移和晶界的迁移，提精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 11 / 12 高材料的热稳定性能 14. 2024al/gr/ 其中弥散强化相相具有正方结构，为类球形，常温下具有较好的强化效果，但高温下容易长大； s 相在常温下具有良好的强化效果，且在高温下也具有一定的强化作用 左右时， s 相和相发生粗化，导致合金的性能下降，通常采用添加 土元素等以形成复杂的耐高温相来提高材料的热稳定性能 15本实验中没有添加此类元素，但材料在 200 及以下温度具有良好的耐热性能，随着保温时间的延长，材料的硬度和强度并没有出现大幅降低 强相 粒和石墨能改善材料的耐热性能， 粒和石墨高温下很稳定，尺寸几乎不发生变化，在高温下能有效地阻碍位错的运动和晶粒的长大，提高材料的强度 于增强相 粒与基体热膨胀系数差异很大，热暴露实验后，材料中形成大量的位错，大量位错与基体中的第二相相互作用，形成位错缠结或者位错网结构，能有效提高材料的强度，提高材料的耐热性能 . 4 结论 1） 2024金及其复合材料在 200 及以下热暴露精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 12 / 12 时，随着时间的延长，材料组织没有明显改变，其硬度和强度没有出现明显下降，具有较高的热稳 定性能 粒和石