（材料物理与化学专业论文）碳化硅颗粒增强铝基复合材料弹性模量与阻尼机制研究.pdf

两南人学硕十学位论文摘要 碳化硅颗粒增强铝基复合材料弹性模量与阻 尼机制研究 材料物理与化学专业硕士研究生王水兵 指导教师程南璞副教授 摘要 本文利用经不同表面处理的s i c 颗粒与6 0 6 6 a 1 粉末采用粉末冶金工艺制备了6 0 6 6 a 1 合 金和s i c p 6 0 6 6 a i 复合材料 利用s e m 金相显微镜 万能拉伸机 t e m h r t e m x r d 分 析了经不同表面处理的s i c 颗粒的表面情况及采用他们制备的复合材料的显微结构与力学性 能 在此基础上利用多功能内耗仪分析了1 2 s i c p 6 0 6 6 a 1 复合材料动态模量特征和阻尼机制 最后通过考虑界面层厚度和界面结合强度 理论结合实验结果研究分析了界面特征对 p r m m c s 弹性模量和界面阻尼的影响 主要得到如下结论 1 利用氧化酸洗并碱洗 得到表面干净 棱角钝化和比表面积大的s i c 颗粒 再经热 压烧结和热挤压过程 干净和大比表面积的s i c 颗粒与基体间原子扩散容易 界面层薄而干 净 界面结合强度高 颗粒分布均匀 同时基体晶粒也得到细化 由此制备的复合材料的综 合性能最好 2 求出了6 0 6 6 a 1 合金和s i c p 6 0 6 6 a 1 复合材料的阻尼峰的激活能和弛豫时间 分别为 1 7 8 e v 9 9 5 x 1 0 s 和1 6 8 e v 1 0 1 1 0 4 s s i c 颗粒的加入使m m c s 的阻尼峰向低温方向漂 移了约5 0 高温时的阻尼峰主要是由界面扩散和品界滑移机制引起的 中低温时的阻尼主 要归功于位错阻尼 m m c s 的动态模量比基体合金软化的慢 是由于加入的s i c 颗粒具有良 好的高温性能 二者在高温时动态模量的软化速率分别为 0 6 9 c 1 和一1 6 0 3 无论增强体中是否计入界面体积 p r m m c s 的弹性模量基本随界面层厚度减小而增 加 随界面结合强度提高而增加 而界面阻尼则与之相反 当增强体中计入界面体积时 在 弱结合时界面厚的界面阻尼高 在强结合时界面厚的界面阻尼低 当增强体中未计入界面体 积时 在弱结合时界面薄的弹性模量高 在强结合时界面厚的弹性模量低 4 兼顾弹性模量和界面阻尼两方面 实验中为提高两者性能可适当提高增加增强体的 体积分数 为提高增强体与基体的浸润性时 界面层应尽量控制得比较薄更有利 理论研究 为实际制备复合材料时控制界面提供了科学依据 关键词 sic 颗粒表面处理s i c p 6 0 6 6 a 1 复合材料弹性模量阻尼机制等效模型 r e s e a r c ho f y o u n g sm o d u l u sa n dd a m p i n g m e c h a n i s mo fs i m a j o r m a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y a d v i s o r v i c e p r o f c h e n gn a n p u a u t h o r w a n gs h u i b i n g a b s t r a c t t h es i c p 6 0 6 6 a 1c o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yd i f f e r e n ts u r f a c e t r e a t e ds i c p a r t i c i e s w e r ef a b r i c a t e db yap o w d e rm e t a l l u r g yr o u t e t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y o m s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y s e m t r a n s a c t i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y t e m x r a ya n dt e n s i l e t e s t r e s p e c t i v e l y d y n a m i cm o d u l u sa n dd a m p i n gm e c h a n i s mo f12 s i c e 6 0 6 6 a i c o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e db ym u l t i f u n c t i o n a li n t e m a lf r i c t i o nm e a s u r e m e n t d m a t h ee f f e c t so fi n t e r r a c i a lf e a t u r e s n a m e l y t h ei n t e r f a c i a lt h i c k n e s sa n d b o n d i n gs t r e n g t h o np a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ee x p l o r e db yt h e o r e t i c a lm o d e l c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s s o m em a j o rc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n 丘d mt h e e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa sf o l l o w s 1 t h es i cp a r t i c l e sw i t hc l e a na n dc o a r s e n e ds u r f a c e sa n db l u n t e da n g l e sw e r e o b t a i n e db ys u r f a c et r e a t m e n tt e c h n i q u e so f o x i d a t i o n a c i dd i p p i n ga n da l k a l iw a s h i n g t h es i c a 1i n t e r f a c e sf o r m e db ya 1a t o m sd i f f u s i o ni n t os i cp a r t i c l es u r f a c e sd u f f n g t h eh o t p r e s s i n ga n dh o te x t r u s i o np r o c e s sw e r et h i na n dc l e a n t h eb o n ds t r e n g t ho f s i c a 1i n t e r f a c e sw a ss t r o n g s i cp a r t i c l e sw e r eh o m o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e di na i m a t r i x a n da 1m a t r i xw a sr e f i n e dm o r ed u r i n gm eh o te x t r u s i o np r o c e s sd u et ot h e p r e s e n c eo ft o u g hp a r t i c l e s 2 t h ea c t i v a t i o ne n e r g ya n dr e l a x a t i o nt i m eo ft h ei n t e m a lf r i c t i o np e a ki n s i c p 6 0 6 6 a 1c o m p o s i t e sa n d6 0 6 6 a 1a l l o yw e r eo b t a i n e d 1 7 8 e va n d9 9 5 x 1 0 1 5 s 如r t h ec o m p o s i t e s a n d1 6 8 e va n d1 0 1xlo 1 4 sf o rt h eu n r e i n f o r c e d a l l o y r e s p e c t i v e lv t h e i n t e r n a lf r i c t i o np e a k si nt h ec o m p o s i t e s c o m p a r e dw i t ht h a to ft h ea l l o y s h i f t st ol o w t e m p e r a t u r ea b o u t5 0 c t h ed a m p i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p o s i t e si ss u p e r i o rt oa l l o yi n i i 西南人学硕十学何论文a b s t r a c t l o wa n dm e d i u mt e m p e r a t u r er a n g ed u et ot h ed i s l o c a t i o nm o t i o n t h ed y n a m i c m o d u l u so ft h ec o m p o s i t e ss o f t e n sm o r es l o w l yt h a nt h a to ft h ea l l o y w h i c ha t t r i b u t e s t oh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so fs i cp a r t i c l e s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t e n i n gr a t i o s a le 一0 6 9 c a n d 1 6 0 c a th i g ht e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y 3 w h e t h e ri n c l u d i n gt h ev o l u m eo fi n t e r f a c ei nt h er e i n f o r c e m e n t so rn o t y o u n g sm o d u l u so fp a r t i c l er e i n f o r e c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s p r m m c s i n c r e a s e s w i t hr e d u c i n gt h i c k n e s so r a n de n h a n c i n gb o n ds t r e n g t ho fi n t e r f a c e w h i l ei ti so p p o s i t e f o ri n t e r f a c i a ld a m p i n g w h e nt h ei n t e r f a c ev o l u m ei sc o n t a i n e di nt h er e i n f o r c e m e n t s t h ei n t e r f a c ed a m p i n gi sh i g hf o rt h et h i c ka n dw e a k b o n d e di n t e r f a c e s w h i l ei ti sl o w f o rt h et h i c ka n ds t r o n g b o n d e di n t e r f a c e s w h e nt h ei n t e r f a c ev o l u m ei sn o tc o n t a i n e d i nt h er e i n f o r c e m e n t s t h ey o u n g sm o d u l u si sh i g hf o rt h et h i na n dw e a k b o n d e d i n t e r f a c e s w h i l ei ti sl o wf o rt h et h i c ka n ds t r o n g b o n d e di n t e r f a c e s 4 t h ev o l u m ef r a c t i o no fs i cp a r t i c l ec a nb ei n c r e a s e di no r d e rt os i m u l t a n e o u s l y i m p r o v et h ey o u n g sm o d u l u sa n di n t e r f a c i a ld a m p i n go fs i c a 1c o m p o s i t e s i t sm o r e a v a i l a b l et oi n c r e a s ei n f i l t r a t i o na m o n gr e i n f o r c e m e n ta n dm a t r i xw h e ni n t e r f a c ei s t h i n n e r t h et h e o r e t i c a ls t u d i e sc a np r o v i d es c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rp r e p a r a t i o no f p a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e si np r a c t i c e k e yw o r d s s i cp a r t i c l e s u r f a c et r e a t m e n t s i c p 6 0 6 6 a 1c o m p o s i t e s y o u n g s m o d u l u s d a m p i n gm e c h a n i s m e q u i v a l e n tm o d e l i i i 独创性声明 学位论文题目 毯丝壁题趋鲎堡堡基复佥盐粒鲍登丝搓量 一 量堕屋扭剑盈塞 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果 文中已加了 标注 学位论文作者 牛复 签字日期 卅年广月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留 使用学位论文的规 定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允 许论文被查阅和借阅 本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 本论文 口不保密 口保密期限至年月止 学位论文作者签名 王杉 导师签名 掀 签字日期 厶卅年3 月伽日签字日期 叫年厂月钞日 两南大学硕 j 学何论文第一章文献综述 第一章文献综述 本章主要介绍碳化硅颗粒增强铝基复合材料的发展 特点 应用前景 制备 工艺 热处理工艺 弹性模量 阻尼及界面结构研究现状 并提出本文的主要研 究内容和技术路线 1 1 金属基复合材料的发展与应用概述 2 0 世纪8 0 年代以来 随着高新技术的迅猛发展 对材料性能的要求不断提高 在许多应用场合 使用单一传统材料己难以满足对材料综合性能指标的挑战 在 材料科学与工程领域中 一个标志性的发展是材料的复合化 材料从合成材料的 时代进入复合材料时代 1 l 金属基复合材料 m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s m m c s 是 复合材料中应用较为量大面广的一类复合材料 m m c s 是指以金属或合金为基体 通过一定的制备工艺技术加入第二相物质或称增强体复合形成的一类新材料 这 类新材料具有通常单一材料所不具备的一系列优异的综合特性 如 高比强度 高 比模量 低密度 热膨胀系数小 抗疲劳性好 耐烧蚀 耐磨 耐冲刷 耐温 导热 导电 抗辐射 吸波 换能 高阻尼性能等优点因而m m c s 被称为二十一世 纪的高新材料 目前m m c s 的基体选择一般主要集中在a i m g t i c u 等金属或合金系 其 中a l 合金基体的m m c s 是最为广泛 常见的铝合金基体有2 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 系 由 于6 0 0 0 系铝合金有合适的强度 良好的变形能力和可热处理强化等优点而备受青 睐 常见的增强体有长纤维 短纤维 晶须和颗粒 但由于制备工艺和成本等原因 以及从广泛适用性的考虑出发 当前大量研究和应用的大多是颗粒增强m m c s 主 要有s i c t i c a 1 2 0 3 b 4 c a 1 3 n 4 和石墨 q 等颗粒增强的复合材料 其中碳 化硅颗粒增强体增强的铝基复合材料研究的最多 5 8 s i c 颗粒和a l 合金基体的部分 物理性能如表卜l 所示 表卜1s i c 颗粒与a l 的物理性能 4 9 s i c p a l 复合材料作为金属基复合材料的一种 虽然只有3 0 多年的历史 但是 由于其具有高的比强度和比模量 低热膨胀系数 以及好的耐磨性和尺寸稳定性 并且可以采用传统的技术和设备进行制造和二次加工 制备加工成本低等优点 近年来在国内外研究得十分活跃并且得到了迅速发展 s i c p 从1 复合材料在许多方 两南大学硕 学何论文第一章文献综述 面都有潜在的应用前景 见表卜2 表1 2s i c p a i 复合材料的部分潜在应用 o l l 领域应用举例 宇宙飞船与卫星仪表固定结构件 天线支架 直升匕机的转换结构 起落 航空航天 架 各种框架 筋扳等 武器装备导弹上的结构件及壳体等 汽车内燃机活塞 连杆 活塞销 刹车片 离合器片 隔板等 机电 电机刷 轴承 电子器件基库等 运动器械高尔大球棒 网球拍 自行车车架 钓竿 雪橇滑雪板 摩托车车架等 其他医用x 射线台 车椅 手术台 纺织机机械零部件等 1 2 金属基复合材料常见制备技术概述 制备非连续增强金属基复合材料的制备方法主要有 4 1 1 1 2 预制件浸渗法 搅 拌法 半固态铸造法 中间合金法 粉末冶金法和喷射共沉积法等 根据基体合 金所处的状态又可将这些方法分为 液相法 固相法 粉末冶金法 和固液两相 法 喷射共沉积法 1 2 1 液相法 液相法是制备金属基复合材料的方法中较早的一种 该方法把增强物即颗粒 晶须或短纤维加入并均匀地分散在熔化的金属液体中 然后浇注成形 通常非金 属增强物与基体合金性质差别很大 往往互不润湿 倾向于排斥和分离 再是比 重差使增强体出现上浮或下沉现象 同时增强体和基体界面还可能发生界面反应 为了解决这些问题 研究者们 1 3 1 5 1 研究了不少工艺和措施 主要有预制件浸渗法 搅拌法 半固态铸造法 中间合金法 预制件浸渗法是首先使增强物悬浮于含有粘结剂的液体介质中 经过滤 加压 干燥后加热制成预制块 置入铸型 浇注前抽真空 浇注金属液体后立即加压 使金属液渗到预制件的间隙 凝固后就得到所要求的产品 加压或抽真空能够加 快液体凝固 从而缩短了液体金属与增强体的接触时间 减少界面反应发生的可 能性 压力浸渗法则将预制件放入模具预热后立即倾入金属熔液 同时压下压头 使其在压力下浸渗 凝固后即可脱模 相对来说 这种方法工艺简单 但预制件 中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松 而且预制件也易发生变形和偏移 在此基础上又发展了真空 压力浸渗法 即先抽真空 再用气压把金属熔体由 通道压入模具内 这种方法虽然需要专用设备 但是制件质量好 预制件浸渗可 2 两南人孑 硕十学何论文第一章文献综述 使增强体达到很高的体积分数 高于搅拌法中的体积分数 搅拌法是向高速搅拌的金属溶液中逐渐加入颗粒等增强相 待增强体得到润 湿分散均匀后浇入模具成形或浇入金属型后用挤压铸造等方法加压成形 而半固 态复合铸造法就是将金属温度控制在液相线和固相线之间进行搅拌 这时溶液中 含有一定组分的固相粒子 增强体加入 即使润湿不好 由于固相粒子的阻挡和 滞留 增强体结集和偏聚的倾向减少 这些方法工艺和所需设备都很简单 容易 实现大量生产 但是 由于在搅拌过程中不可避免有气体和夹杂物卷入 偏聚和 结团现象又难以避免 任德亮等 1 4 对搅拌铸造法制备s i c p a 1 复合材料的工艺参数 进行了优化 对常见问题如颗粒团聚现象 颗粒 基体间的浸润性 界面反应等在 工艺上提出了相应的解决办法 通过对s i c p 进行简单 短时的特殊加热来改善 s i c p a 1 间的浸润性 为了克h 艮s i c p 的团聚现象 作者通过一个特制的漏斗 在a r 气流的作用下将s i c p 均匀地加入到基体熔液中 同时搅拌 对于界面反应则通过 在基体合金中适当调整s i 元素的含量来抑制其发生 采用优化后的搅拌铸造工艺制 备的s i c p a 1 复合材料的性能较以前有了较大的提高 能使加入的s i c p 体积含量达 到2 0 s i c p 分布均匀 界面干净 没有观察到脆性的界面反应产物 a 1 4 c 3 性能良好 中间合金法是把颗粒增强物和基体金属粉末按比例混合 压制成中间合金块 投入基体合金熔液 中间块随着金属粉末熔化而散开分布于熔液中 如果加以搅 拌 增强物将均匀分散 浇铸凝固即得所需形状的复合材料铸件 液相法的优点是简单 但是液相法生产m m c s 的最大难题就是增强体与基体 溶液的润湿性差 如果润湿性有所改善 增强体就更容易分散均匀 与基体界面 结合力也能够得到保证 除了从工艺上采取上述措施外 研究者还从改善增强体 表面状态方面想了不少办法 研究表明 1 6 1 7 将s i c 颗粒在1 1 0 0 c 1 3 0 0 c 力h 热3 5 h 使其表面形成一薄层氧化膜 可以改善其与铝合金的润湿性 还有一种方法 是在s i c 颗粒表面覆盖一层能够增加其浸润性的合金元素如c u m g s i 等 1 8 液相法通常与压力铸造相结合 以增加m m c s 的致密度 减少孔隙等缺陷 生产 直接成型的产品如活塞等 1 2 2 固相法 固相法也即平常所说的粉末冶金法 p o w d e rm e t a l l u r g y p m 具体工艺是把 增强物颗粒 晶须或短纤维与合金粉末用机械方法混合均匀后压实 然后加热脱 气 在液相线和固相线之间的温度下于真空环境中热压烧结 最后把制得的坯料 用热挤压或等热压力轧制加工成所需形状得构件 一些常见的粉末冶金法工艺流 程酬1 9 如图1 1 所示 两南大学硕 学何论文第一章文献综述 a b c d 图1 1 粉末冶金具体工艺流程图 如果金属粉末容易变形 还可以采用图卜l 中四种工艺的简化工艺 混料一 粉末装筒一冷压一热挤压一圆棒 比如铝粉 就可以在冷压之后 直接进行热挤 压 在挤压过程中 铝粉表面的氧化铝薄膜被撕破 粉末之间发生原子间的接触 这样只要挤压变形足够大 既使在室温下进行挤压 也能将铝粉和增强颗粒或晶 须紧紧地挤压在一起 这种方法虽然减少了中间的一些繁琐工艺 然而还能获得 较高的性能 对性能要求不是很高的材料可以采用此种方法 孙旭炜掣2 0 采用高能球磨法混料和低温快速热挤压相结合的粉末冶金工艺制 备了s i c p 6 0 6 6 a l 复合材料 研究了制备工艺对增强体颗粒分布均匀性的影响 研 究认为高能球磨法混料是显著改善增强体颗粒形貌 细化增强体颗粒粒度 在基 体更小的微区域中实现增强体颗粒数量分布均匀性的最有效混料方法 低温快速 热挤压利用基体的较低塑性和强大物理变形量使增强体颗粒进一步细化 得到的 细小等轴颗粒更易随着基体的塑性流动而呈弥散均匀分布 进一步改善或消除微 区域内增强体颗粒的偏聚或尽可能降低偏聚的程度 两种方法相结合是实现增强 体颗粒微观分布均匀性的最有效方法 关春龙等 2 i 对热压烧结工艺制备s i c p a 1 复 合材料过程中的烧结温度 高温压力和保压时间等参数进行了正交优化设计 研 究认为烧结温度和高温压力对s i c p a 1 复合材料致密度影响显著 高温保压时间影 响较小 同时提出热压烧结制备s i c p a l 复合材料的最佳工艺参数是烧结温度6 0 0 高温压力7 0 m p a 保压7 m i n 粉末冶金法的优点是过程温度比熔铸法低 界面反应少 颗粒或晶须与基体 的混合比较均匀 偏聚或结团现象不太严重 另外还可以按照复合材料的性能要 4 两南大学硕f 学何论文第一章文献综述 求任意调整增强物的加入比例 甚至在同一构件内在不同的位簧加入不同数量或 品种的增强物 这些优点组合在一起使粉末冶金法合成的复合材料机械性能较高 主要的问题是工艺比较复杂 设备投资和生产成本都较高 1 2 3 固液两相法 喷射共沉积法 喷射成形 s p r a yf o r m i n g 又称为喷射铸造 s p r a yc a s t i n g 或喷射沉积 s p r a y d e p o s i t i o n 该概念和原理最早是由英国s w a n s e a 大学的a r e s i n g e r 教授于1 9 6 8 年提出 该设想的核心是金属的雾化分散 以实现快冷 和收集凝结 以形成大 体积坯料 连贯的一次完成 4 2 2 1 但直到上世纪七十年代后期至八十年代间才由英 国的o s p r e y 金属有限公司将s i n g e r 的设想应用到锻造毛坯的生产中 逐步形成了 o s p r e y 工艺 o s p r e y 设备简图如图1 2 所示 图卜2 喷射沉积制坯工艺原理图 卜坩埚2 一沉积室3 s i c p 加入管道4 一沉积室壳体 5 一熔融合金喷嘴6 s i c p 雾化堆7 一熔融合金雾化堆8 一锭托 由于喷射沉积制备锭坯的过程中温度低 接触时间短 界面反应少 偏析大 大减小 又由于较高的金属液滴冷却速度和增强物的冷却作用 使金属基体的显 微结构得到充分细化 增强物与基体金属微粒的混合比例易于调整 效率比较高 国内外积极开展了采用喷射沉积工艺制备s i c p a 1 复合材料的工作 2 3 2 4 1 但喷射沉 积法中增强体体积分数较难控制 制备的复合材料气孔率大 致密度相对低 颗 粒在基体中分布不均匀 这些只能通过工艺控制和后续的变形工序如热挤压进行 改善 1 3 颗粒增强金属基复合材料的热处理研究 5 两南人学硕 z 何论文第一章文献综述 目前大多s i c e a 1 复合材料的基体合金 如6 0 6 1 6 0 1 3 6 0 6 6 2 0 2 4 2 1 2 4 a 3 5 6 7 0 7 5 等 是可热处理强化的 实验研究 2 5 之8 表明这些铝合金制备的s i c p a 1 复合材料经热处理后 复合材料的强度有较大的提高 塑性降低 弹性模量则不 变或变化很小 柏振海 2 9 等指出碳化硅颗粒增强可热处理强化铝合金复合材料的 固溶和时效过程与基体合金相同 但由于s i c 颗粒的存在 固溶和时效工艺参数 改变 对于可热处理强化a l m g s i 系合金 固溶淬火后时效过程中合会的组织 基体 将发生以下变化 2 5 2 8 g p 区 有序g p 区 p p 一m 9 2 s i 越一m g s i 系合金的时效过程就是m g s i 原子的扩散过程 研究发现 3 0 可热处理强化铝合金加入s i c 颗粒后 s i c p a 1 复合材料的热处 理工艺参数与未增强基体合金有较大差异 增强体颗粒的尺寸和体积分数对复合 材料的最佳固溶温度和时间 时效温度和时问都会有影响 增强体s i c 颗粒与铝 合金的热膨胀系数差别较大 因此当复合材料从制备过程中的高温或者固溶温度 冷却下来时 在金属基体中存在大量的残余应力和高密度位错 这些残余应力为 空位或者溶质原子的扩散提供了驱动力 而高密度位错又为它们提供了大量的扩 散通道 并为第二相的非均匀形核提供了有利位置 促进了第二相的沉淀过程 与未增强的a 1 合金相比 s i c p a l 复合材料的时效过程会加速 表现为峰值时效时 间缩短 龚浩然等 2 8 研究了喷射沉积制备的s i c p 6 0 6 6 a 1 复合材料的固溶参数 结果表 明该复合材料的固溶温度比相应的基体合金的固溶温度低 而且固溶时问缩短 原因是s i c 颗粒的存在 造成了大量的界面 粒子表面能高 基体合金原子通过 界面通道进行扩散容易 相应地固溶温度降低 固溶时间缩短 而在其它一些对 s i c p a l 复合材料热处理工艺的研究中重点集中在时效制度的研究上 研究f 2 孓3 0 表明 s i c p a 1 复合材料的时效序列与基体合金的一样 但时效发生 的速度却并不一致 l d u t t a t 3 l 认为s i c p a l 复合材料达到时效峰值硬度的时间随 s i c 颗粒含量的增加而线性降低 赵乃勤等 3 2 也发现s i c p l y l 2 复合材料人工时效 的峰值时效时间提前 由于s i c 颗粒的存在 它与基体合金的热错配在复合材料中 特别是近界面 处的基体中 将生成高密度位错 这些高密度位错对复合材料时效过程将产生很 大影响 s i c p a l 复合材料基体中高密度位错为某些依赖于位错等缺陷形核的非均 匀形核和析出提供了能量和场所 促进沉淀过程 3 3 1 4 固体材料阻尼性能的物理本质 度量 测试方法 机制及其研究 1 4 1 材料阻尼性能的物理本质 6 两南大学硕 学位论文第一章文献综述 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼孽i p l i i ii i 曼 在研究固体材料的力学性能时适用于一般弹性的胡克定律指出 应力所引起 应变与应力成正比 即应力与应变具有单值的线性函数关系 这表现为材料在受 力时它瞬时产生相应的应变 而且一旦应力撤去时其应变也立即回复到零 即应 变占正比于应力仃 盯钮占 1 一1 式中e 是材料的弹性模量 但实际中发现 当材料承受应力时它并不立即产 生根据胡克定律所达到的应变 而是随时间缓缓地达到这个应变 反之 当应力 撤去时所产生的应变也不立即而是缓缓地回复到零 这种现象被称作弹性后效 但由于材料最终并没有发生永久变形 属于弹性范畴 因此这种现象又被称作滞 弹性 a n e l a s t i c i t y 以与非弹性 i n e l a s t i c i t y 相区别 它反映这种特性即属于弹 性的范畴又包含在时间上表现滞后现象的特点 力学的滞弹性也称为弛豫 r e l a x a t i o n 弛豫过程会引起阻尼 阻尼也叫内耗 研究阻尼可以查知弛豫过程 并揭示弛豫的动态过程和微观机制 从而为材料的研究和应用提供理论依据 这 就是研究阻尼的意义 材料的阻尼性能是一个与由时间决定的弹性相关的物理性能 虎克定律没有 考虑时间的影响 即所加的应力和引起的应变被假定为完全同步的 此条件仅当 加载速率极其缓慢以至于变形过程可被认为是瞬间和静态时才有效 实际上 材 料对所加载荷的响应不仅有这个与时间无关的瞬时弹性应变 而且还有一个滞后 于所加载荷的由时间决定的滞弹性应变 因此 总的应变应有弹性应变s 和滞弹 性应变占 组成 即 3 4 s e s 1 2 占 毛 1 e x p 一三 f 占 占ie x p 一三 f i 3 1 4 其中毛为时间 0 时由加载产生的初始应变 r 为材料的弛豫常数 由于弛豫产 生滞后 因此应力与应变可表示为 仃 盯oe x p i r o t 卜5 s 占oe x p i r o t f o 1 6 式中 占 分别为初始应力和初始应变 缈是振动角频率 伊是应变滞后于应力 7 两南人学硕卜学位论文第一章文献综述 的损失角 l o s s a n g l e 对于理想材料c p 0 和o e e 符合式 卜1 描述的胡克 定律 然而实际材料是滞弹性的 即矽 0 存在一个非零的复模量虚数部分 即 e 里 o o c o s 缈 i s i n 缈 e i e 1 7 s 6 0 其中e 鱼c o s 驴称为动态模量 而e 鱼s i n 缈称为损失模量 qs q 实际材料的上述特征是产生阻尼的物理本质 阻尼的产生是由于材料内部存 在着一些与材料中的短程序或长程序参量有关的内部变量 这些变量与固体的内 部结构和结构缺陷及其运动变化以及其间的相互作用的微观过程密切相关 在外 加应力的作用下 这些内部参量由一个平衡值过渡到另一个平衡值时就引起了附 加的应变 但是这个过渡需要一定的时间 即由弛豫时间来完成 并且需要越过 一定的势垒 即需要一定的激活能 这样就导致了应变滞后于应力 1 4 2 材料阻尼性能的表征和度量 表征和量度材料阻尼性能的参量较多 其中最主要的有以下几种 3 4 比阻尼率s d c 或阻尼系数杪当材料承受循环载荷时 由于应变滞后于应 力 在应力与应变曲线上形成了一个滞后的回线 如图1 3 所示 迟滞回线包含的 面积代表材料在振动一周内试样单位体积散失的能量 低应力下该迟滞回线的幅 度可以用来表征材料的阻尼性能 s d c 或杪表达为一完整循环中散失能量 a w 与最大存储能量 之比 s d c 沙 a w 1 8 其中 a w o d e 扫 s 1 9 巴坨 z e 2 1 10 wo d e z e 2 1 0 i 磊 一 勘f o 两南大学硕十学位论文第一章文献综述 矿 一一心 j 图卜3 周期性的应力 应变及其迟滞回线 这种方法测量阻尼的误差来源于应力 应变和回线面积的测量 面积越大测 量越准确 此法常用于测量低频 低应力下的阻尼性能 损耗因子矽或损耗正切t a n 缈当材料在周期性应力的作用下 将受激发而产 生周期性振动 之后如继续施加应力 材料便会进行受迫的振动 振动达到稳态 以后 便按照 l j j l 应力的频率而振动 此时应变的相位落后于应力的相位 二者 的相位之差为缈 相位差角缈越大 t a n p 也越大 表明材料的阻尼能力越高 实 验中通过对材料损失模量 存储模量或够的测量来确定材料的阻尼性能 即 f 刁 t a n 6 p 专 卜1 1 l 品质因数的倒数q 1 也称内耗该方法是利用试样作受迫振动共振时半峰高 对应的频率z 厶与共振频率厶来表示材料阻尼能力的大小 即 d l 立五 1 1 2 1q 上述几种阻尼表示方法可以相互替代 是完全等效的 而且在测得阻尼性能 的同时也测得了材料的动态模量值 1 4 3 材料阻尼性能与动态模量的测量方法 材料的阻尼本领除了取决于材料本身的性质和微观结构外 还与环境因素 如 温度等 及测量条件 如应力应变振幅和测量频率等 密切相关 对材料阻尼本领的 评估 一方面要求测量出材料在不同环境因素和不同测量条件下材料阻尼本领的 大小 另一方面对产生阻尼的机制进行研究 在可能的条件下给出材料阻尼本领 与环境因素和测量条件等参量的函数关系 常见的测量方法有扭摆法和共振法 9 荫南人学硕十 7 何论文第一章文献综述 扭摆法该法是葛庭隧教授首先建立的 又称为葛氏扭摆法 这种方法采用 丝状 直径0 5 1 5 m m 长1 0 0 m m 或片状试样 在自由振动下 通过测量各周期衰 减振幅和振动频率就可以测出它的内耗和切变模量 当阻尼很小且假定试样的尺 寸不变 则它的切变模量g 就与振动频率厂的平方成正比 图1 4 为倒扭摆装置示 意图 图卜4 倒扭摆装置示意图 共振法常见的有单 双悬臂弯曲法和三点弯曲法 单悬臂弯曲法适用于较 软的材料 弹性模量e 1 0 1 0 p a 在强迫振动下 这些方法通过测量应变与应力之间存在的相位差 运用式 1 11 测量材料的阻尼性能 并可同时给出材料试样的e e 和t a n f a 目 前推出的共振棒法测材料阻尼性能的仪器有两类 3 6 一类是美国d up o n t 仪器公司 开发的动态力学分析仪 d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y z e r d m a 类 该仪器采用悬臂 法测阻尼性能 测量的温度范围室温一2 0 0 4 5 0 频率范围0 1 1 2 0 h z 振幅 1 0 6 0 1 m m 加热速率0 15 0 c m i n 另一类是动态力学热分析仪 d y n a m i c m e c h a n i c a lt h e r m a la n a l y z e r d m t a 类 运用单 双悬臂弯曲法和三点弯曲法测 材料的阻尼性能 测量的温度范围为室温一1 5 0 5 0 0 频率1 6 1 0 6 2 0 0 h z 阻 尼敏感度1 0 4 阻尼分辨率1 0 运用这些仪器可以很方便地获得阻尼与动态模量 1 n 两南人学硕十 学位论文 第一章文献综述 i i i 皇曼曼曼曼皇曼鼍曼曼皇 曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼蔓曼曼 曼曼曼曼曼曼 烹曼曼曼 曼 曼 曼曼 曼曼曼曼 的频率谱 温度谱和振幅谱 从而模拟材料的工作状态 1 4 4 金属基复合材料的主要阻尼机制 m m c s 的阻尼性能是由其内部组织结构所决定的 同时还受到测试条件的影 响 事实上 大多的m m c s 都具有比基体金属或合金材料稍高的阻尼性能 m m c s 阻尼性能的改善主要可归结于第二相加入对基体组织的改变和引入的大量的界面 以及增强体本身的本征阻尼特性对阻尼性能的贡献 多数研究结果 4 3 7 1 认为适用于 m m c s 的主要阻尼机制是增强体的本征阻尼 位错阻尼 晶界阻尼和各种形式的界 面阻尼 金属基复合材料的阻尼通常为上述一或几种阻尼共同作用的结果 位错阻尼位错阻尼是金属材料阻尼的重要来源 s i c p a l 复合材料也不例外 1 4 j 此类复合材料由于增强颗粒与基体合金之间的热膨胀系数 热错配 相差很大 在制备过程以及热处理过程中 因从高温冷却到室温时均会在增强体颗粒附近的 基体中产生很高的热残余应变 由于热残余应变 因而增强体与基体的界面附近 存在有残余热应力集中 如果残余应力造成的应变足够大 则会使基体发生屈服 由残余应力的部分弛豫引起的塑性流变必然导致靠近界面附近的基体中的位错网 络的变形 即在这些区域产生高密度位错 位错脱钉或者在局部应力条件下位错 与点缺陷一起运动耗散能量 从而产生阻尼 提高了s i c p a 1 复合材料的阻尼 位 错阻尼可以用k g l 理论 3 7 3 8 来解释 界面阻尼界面阻尼是异相结构材料阻尼的主要特征之一 3 8 第二相与金属基 体相的结构 性质不同 造成在两相间形成界面结合 界面在循环载荷作用下粘 性运动将耗散能量而产生阻尼 理想界面结合情况下 由于界面引入引起界面附 近基体中位错密度的增加 提高了复合材料的阻尼性能 而弱界面结合下则由于 界面间在循环载荷下发生相对滑动 将机械能转化为其他形式的能量如热能而耗 散能量产生阻尼 界面阻尼还有其他一些可能的机制 如界面局部耗散 界面摩 擦滑动 界面空位扩散等 通常认为扩散需要更高的温度和低的频率 而滑动则 需要高的应变振幅 但它们均是可能的能量吸收机制 尤其当界面结合强度较低 时 还可能有其他一些能量吸收方式 此时弹性波冲击弱界面发热 也就是界面 区的微塑性变形或界面热流等耗散过程 晶界阻尼晶界作为固体材料的面缺陷 其粘性滑动和与位错等其它缺陷的 交互作用均会使材料产生阻尼 s i c p a 1 复合材料中 由于硬颗粒的存在 挤压 轧制等过程中铝基体晶粒细化会产生大量的晶界 葛庭隧 3 5 曾对铝单晶和铝多晶 做了研究 证实了晶界阻尼的存在 品界滑动指相邻晶粒在剪切应力作用下沿晶 界发生滑动 实验证明晶界滑动需在高温条件时才发生 理论计算了晶界结构 结果表明金属通常在0 5 t n 为合金的熔点 时晶界才会出现局部无序化 即晶 两南火学硕十学位论文第一章文献综述 界开始滑动 增强体的本征阻尼m m c s 的阻尼性能与基体和增强相的本征阻尼由直接的 关联 与很多其他的物理性能一样 可以用混合法则 r u l eo f m i x t u r e r o m 3 9 4 0 1 来估计m m c s 的阻尼性能 在应用混合法则时还要考虑s i c 颗粒与舢基体之间的界 面 可以将界面视着一组员 但由于那一测量界面的体积分数及其性质 所以对 于增强体的本征阻尼对复合材料的贡献目前只能是简单的估计了 况且只运用单 一的混合法则计算出来的阻尼值与复合材料实测值有较大的差距 这也进一步说 明复合材料的阻尼是几种阻尼共同作用的结果 1 4 5 颗粒增强铝基复合材料的阻尼机制与弹性模量的研究 对s i c p 6 0 6 1 a l 阻尼特点的研究表明 4 1 4 6 1 低温时材料的阻尼主要是材料的本 征阻尼 基体合金中的位错阻尼和界面阻尼 而高温时晶界阻尼和界面阻尼可能 被激活产生高阻尼 但热弹性阻尼在此合金中不起主要作用 在高温制备以及淬 火过程 铝基体与s i c 颗粒的热收缩不一致产生热错配应变 约为1 在s i c 颗粒附近基体中将产生约7 0 0m p a 的应力 远大于6 0 6 1 a 1 的屈服应力 界面区的 基体将发生剧烈的塑性变形并产生大量位错 这些位错在循环载荷作用下成为高 阻尼源 其机理为弱钉扎位错在载荷作用下发生脱钉 滑移过程而消耗机械振动 能 3 8 4 7 1 w a n g 等 4 8 1 系统研究了频率和应变振幅对s i c p a 1 复合材料阻尼的影响 在低 频循环载荷下 可将位错作为由钉扎点弓出的弹性弦 位错阻尼与位错密度成正 比 同时与应变振幅和应变频率有关 在低应变振幅时 对阻尼的主要贡献是频 率相关部分 当应变振幅达到一定的临界值 位错脱钉 时 与应变振幅相关部 分才显得重要 4 9 1 尽管低温时体扩散不会发生 实际上位错线上的钉扎原子由于 热激活等原因可与位错协同运动 并随位错运动产生横向扩散或沿位错管道纵向 扩散 在高温时位错还可能吸引较远处的溶质原子 只要较低的周期应力溶质原 子就可