2024al-gr-sicp复合材料耐热性能研究

精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创1/122024AL/GR/SICP复合材料耐热性能研究中图分类号TG14621文献标识码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随着近年来航空航天工业的迅猛发展对材料提出了更高的要求，为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24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SIC颗粒与石墨混合强化铝基复合材料不仅具有高弹性模量，还具有良好的耐磨性能和阻尼性能582024AL合金属于可热处理强化铝合金，耐热性也比较优异9通过在合金中复合添加SIC颗粒和片状石墨，可以进一步提高其模量和阻尼性能，这种混杂增强的2024AL/GR/SICP复合材料在航天飞行器支撑结构件上有重要的应用价值然而，目前关于2024AL/GR/SICP复合材料耐热性能的报道很少本文研究2024AL/GR/SICP复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SIC颗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全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创2/12实验所用的惰性气体雾化2024AL合金粉末、鳞片状石墨和SIC颗粒的形貌如图1所示2024AL合金粉末的化学成分为353CU，128MG，02嗔课猘L石墨和SIC颗粒的加入量分别为3和10采用真空热压粉末锭坯挤压成形法制备了2024AL，2024AL/3GR，2024AL/3GR/10SICP3种复合材料板采用的挤压温度为470，挤压比为221，板材的截面尺寸为40MM10MM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采用HBRVU1875型布洛维光学硬度计进行布氏硬度测试，加载载荷为6129N，保荷时间为30S，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INSTRON3369电子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为05MM/MIN，每种试样测量3个并取平均值作为测量值，拉伸试样断口形貌在HITACHIS4800型场发射扫描电子显微镜上进行观察金相组织观察在CARLZEISSAXIOLABA1型光学显微镜上进行精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创3/122实验结果21微观组织图2为2024AL/GR/SICP复合材料分别在150，200和300热暴露48H后的金相组织从图中可以看出，2024AL合金及复合材料在不同温度热暴露48H后，在材料的金相组织中没有观察到明显的变化2024AL合金粉末颗粒沿挤压方向被拉长，SIC颗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比较图2，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图2，为2024AL/3GR/10SIC复合材料的金相组织，因SIC颗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此外，复合材料增强相，尤其是硬质SIC颗粒的加入，会阻碍热暴露时晶粒的长大22硬度曲线图3为2024AL合金及其复合材料分别在150，200精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创4/12，250和300热暴露96H过程中的硬度值随时间延长的变化曲线从图中可以看出，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这是因为热暴露温度越高，溶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在相同温度下，开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，几乎不发生改变比较2024AL/3GR/10SIC复合材料与2024AL/3GR复合材料的硬度曲线可见，加了SIC颗粒的复合材料硬度值下降幅度比未加SIC的材料的小比较2024AL/3GR复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，2024AL/3GR复合材料硬度下降幅度比2024AL合金基体在相同温度下硬度的下降幅度小这是因为片状石墨和SIC颗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/SICP复合材料的硬度性能曲线比较平稳含SIC颗粒的复合材料耐热性能最好，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在300热暴露时，精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创5/122024AL/GR/SICP复合材料的硬度性能曲线下降趋势明显加快高温下，基体合金中位错攀移、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，硬度越低通常ALCUMG系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9而本文研究制备的2024AL/GR/SICP复合材料具有较好的耐热性能，主要是因为加入的SIC颗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23拉伸性能图4为在不同温度下热暴露12H后材料的室温抗拉强度变化规律及拉伸曲线由图可见，材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在200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对比2024AL合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2024AL合金在150时抗拉强度为480MPA，200时抗拉强度为394MPA，下降了约90MPA；而2024AL/3GR/10SICP复合材料在150时抗拉强度为424MPA，200时抗拉强度为404MPA，下降幅度仅为20MPA在300保温12H后，材料的抗拉强度下降幅度较大这与硬度曲线变化规律分析得到的结论相吻合，在200及以下温度，2024AL合金及精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创6/12其复合材料的力学性能下降幅度较小，在300时力学性能快速下降在200及以下温度，由于SIC颗粒及石墨的加入，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当在300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/SICP复合材料室温及在150保温12H后的抗拉强度，可以发现，经150热暴露12H后，2024AL合金及复合材料的抗拉强度均有小幅的升高部分学者1012在研究ALCUMG系铝合金的耐热性能时也发现过类似现象魏修宇等12在研究2197AL合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100H后，2197AL合金的强度提高了15MPA左右，将其原因归结为合金经过160/16H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本实验的基体合金中CU含量较高，基体中除了存在S相，多余的CU原子会形成相相作为相的过渡相，其在150热暴露时在基体中析出的可能性很大因此，相的二次析出可能是2024AL合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全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创7/12图5为2024AL合金及其复合材料在200下分别热暴露12H，24H和48H后的室温抗拉强度变化趋势及相应的拉伸曲线由图可见，随着保温时间的延长，2024AL合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2024AL合金在200下保温48H后抗拉强度为340MPA，比未经保温处理的强度下降了140MPA；2024AL/3GR/10SICP复合材料在200下保温48H后抗拉强度仍有366MPA，比未经过保温处理的强度仅下降了21MPA可见SIC颗粒和石墨的加入，减小了材料强度下降的幅度，提高了基体合金的耐热性能热暴露保温时间对材料伸长率的影响不大，随着时间的延长，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2024AL合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由图可见，随着拉伸温度的升高，2024AL合金及其复合材料的抗拉强度均逐渐下降精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创8/12在200及以下温度，抗拉强度下降的幅度较小，在250及以上的温度下拉伸时，抗拉强度下降幅度较大在200时，2024AL合金、2024AL/3GR和2024AL/3GR/10SICP复合材料仍具有较高的力学性能，抗拉强度分别为383MPA，377MPA及372MPA比较2024AL及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24断口形貌图7为2024AL合金及其复合材料分别在150，200和300下热暴露12H的断口形貌由图7可以看出，2024AL合金的断口处出现了大量的韧窝，说明在拉伸过程中基体发生了塑性变形随着热暴露温度的升高，合金中的韧窝尺寸变大造成这种现象的原因与韧窝形成机理有密切联系一般认为，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，最后连接形成断裂因此，韧窝的形成与材料中的第二相粒子的特征有关，SHAKERI等13认为微孔在第二相颗精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创9/12粒附近形核，而且只有当颗粒尺寸在50500NM之间才对韧窝的形成有影响所以当热暴露温度升高时，第二相颗粒的长大或粗化造成断裂韧窝尺寸增大一般情况下，韧窝尺寸越大，材料的塑性变形能力越好，伸长率也越高这也解释了拉伸结果中，随着热暴露温度升高，合金的伸长率有一定程度升高的原因图7和分别为2024AL/3GR和2024AL/GR/10SICP的断口形貌由图可见，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观察发现，随着热暴露温度的升高，韧窝尺寸没有明显的变化在2024AL/GR/10SICP复合材料的断口形貌中发现了坑洞，这是由于拉伸过程中SIC被拔出基体后留下的2024AL/3GR与2024AL/3GR/10SICP复合材料的断口中韧窝尺寸变化不大，主要是受到SIC颗粒和石墨的影响SIC颗粒和石墨的加入能阻碍基体合金在热暴露时晶粒尺寸根据前面分析可知，颗粒尺寸对韧窝的形貌具有一定程度的影响在一定范围内，第二相颗粒尺寸越小，韧窝尺寸也越小图8为2024AL合金及其复合材料分别在150，200，250及300下拉伸的断口形貌由图可见，2024AL合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随着温度的上升，韧窝边精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创10/12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高这也解释了图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2024AL/3GR复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，2024AL/3GR/10SICP复合材料的断口处也存在断裂的石墨，但没有观察到SIC颗粒，说明在高温拉伸时SIC颗粒主要被拔出基体，基体合金呈韧性断裂在高温下复合材料的基体合金中的韧窝呈现两种形式小而深的韧窝，大而浅的韧窝靠近增强相附近的韧窝小而深，距离增强相较远处的韧窝大而浅这是因为颗粒附近的基体合金协调变形受到约束，导致韧窝小而深；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因此提高材料的耐热性能的主要途径有阻碍晶粒长大、选择高温稳定的第二相及添加陶瓷颗粒等基体合金中析出的第二相的热稳定性与其组成元素的扩散速率有关，同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增强颗粒自身性能稳定，精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创11/12在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，提高材料的热稳定性能142024AL/GR/SICP复合材料中主要的析出相为S相和相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在200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AG、稀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1516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