热处理对粉末触变成形SiCp/6061Al基复合材料组织和力学性能的影响及其强韧化机理研究

摘要

本文采用一种全新的颗粒增强铝基复合材料制备技术—粉末触变成形技术（PTF），制备了SiC颗粒（SiCp）增强6061铝（PTF-SiCp/6061Al）基复合材料。首先研究了PTF-SiCp/6061Al基复合材料在制备态下的组织和力学性能间的关系，通过与PTF技术制备6061（PTF-6061）合金和金属型铸造（PMC）技术制备6061（PMC-6061）合金对比，澄清了PTF的工艺特点和复合材料的性能优势。接着，研究了热处理对该复合材料组织和力学性能的影响，发现固溶处理可以同时提高复合材料的拉伸强度和延伸率，人工时效处理可以使复合材料产生明显的时效硬化。通过建模计算，揭露了复合材料在固溶处理过程中的强化、韧化机理，以及时效强化机理。研究结果表明： 1.相比于传统的PMC技术，PTF工艺能够极大地提高材料的致密度、细化晶粒和共晶组织。PTF复合材料制备态的显微组织是由SiCp、近球状的初生α-Al相（平均尺寸为16.51μm）和晶间二次凝固组织组成；而PMC合金组织则由粗大的等轴晶（90.01μm）和晶间网状的共晶组织构成。由于SiCp对α-Al相的强化作用，复合材料的抗拉强度和屈服强度分别为230MPa和128MPa，显著高于PTF-6061合金和PMC-6061合金。 2.在560℃经过6h固溶处理后，复合材料中的共晶组织基本溶解；由于SiC/Al界面阻碍热传递以及SiCp对晶界的钉扎作用，复合材料的组织粗化速率较慢，其整体固溶进程要慢于PTF-6061合金；其抗拉强度、屈服强度和延伸率达到峰值，分别为276MPa、214MPa和7%，较制备态分别提升了20.0%、67.2%和169.2%。 3.在固溶处理过程中，固溶强化对复合材料屈服强度的贡献值最大，细晶强化、热错配强化和几何必须位错强化对复合材料屈服强度的贡献值中等且相当，Orowan强化对复合材料屈服强度的贡献值甚微，主要是SiCp微米级的尺度和其较大的颗粒间距所致；通过结合各强化机理和SiCp的失效情况而建立的修正剪切滞后模型，较好地预测了该复合材料在固溶过程中的屈服强度；复合材料在固溶过程中的韧化机理为：①SiCp的尺寸较小（平均尺寸为6.94μm且90%左右的颗粒尺寸低于10μm），有效降低了复合材料在大尺寸增强颗粒处提前断裂的概率；②SiCp的平均长径比为2.43，有效均衡了复合材料的拉伸强度和延伸率；③预氧化SiCp导致在SiCp/Al界面处形成MgAl2O4相，为复合材料提供了良好的界面结合强度；④PTF技术的运用，极大地提升了SiCp在基体中的分布均匀性，降低了因颗粒团簇而引起的应力集中。上述四种因素为随后的固溶处理奠定基础，经过560℃固溶6h后，复合材料中⑤基体延展性增加且⑥SiCp/Al界面结合强度提升，最终导致复合材料延伸率的显著改善。 4.在175℃时效处理的过程中，溶质原子固溶度和位错密度此消彼长的综合作用，导致在整个时效阶段复合材料中析出相的平均尺寸大于基体合金初生α-Al相；而在峰时效和过时效阶段，由于位错协助基体中应变的释放和界面反应消耗掉一定量的Mg元素，复合材料中沉淀相的体积分数降低；其硬度、抗拉强度和屈服强度都呈先升后降的关系，并在时效10h后达到峰值，分别为119.5HV、309MPa和240MPa，较固溶态提高83.0%、12.0%和12.1%，而延伸率持续降低；位错加速沉淀相析出导致复合材料时效进程快于基体合金，而沉淀相较大的平均尺寸和较低的体积分数使复合材料在相同的条件下表现出较低的时效硬化率。 5.在时效过程中，固溶强化对复合材料屈服强度的贡献值持续减小，沉淀强化的贡献值先增加后降低，并在峰时效阶段达到最大，而细晶强化、热错配强化和几何必须位错强化对屈服强度的贡献值基本保持不变。总体而言，前两种强化机制对复合材料屈服强度的贡献值较大，而后三种强化机制的贡献值较低且三者贡献度相当。本文中所提出的充分考虑了多种强化机制并引入SiCp失效分数修正后的剪切滞后模型，能够较为精确地预测颗粒增强铝基复合材料在时效过程中的屈服强度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 颗粒增强铝基复合材料概述

1.2 颗粒增强铝基复合材料的制备方法

1.2.1 无压渗透法

1.2.2 搅拌熔铸法

1.2.3 压力浸渗法

1.2.4 喷射沉积法

1.2.5 粉末冶金法

1.3.1 粉末触变成形技术的提出

1.3.2 粉末触变成形技术的国内外研究现状

1.4 颗粒增强铝基复合材料热处理工艺的国内外研究现状

1.5 研究内容

1.6 技术路线

第2章 SiCp/6061Al基复合材料的粉末触变成形制备及其组织与性能

2.1前言

2.2实验过程

2.3.1显微组织分析

2.3.2拉伸性能

2.3.3断裂机制分析

2.3.4复合材料强化机理浅析

2.4 本章小结

第3章 固溶处理对粉末触变成形制备SiCp/6061Al基复合材料组织和性能的影响

3.1前言

3.2实验过程

3.3实验结果与分析

3.3.1 固溶时间对PTF-6061合金组织和性能的影响

3.3.2 固溶时间对PTF-SiCp/6061Al基复合材料组织和性能的影响

3.3.3 固溶温度对PTF-6061合金组织和性能的影响

3.3.4 固溶温度对PTF-SiCp/6061Al基复合材料组织和性能的影响

3.4 本章小结

第4章 粉末触变成形制备SiCp/6061Al基复合材料在固溶过程中的强韧化机理

4.1前言

4.2实验过程

4.3实验结果与分析

4.3.1复合材料在固溶过程中的强化机理研究

4.3.2 现有强化模型对比研究

4.3.3 PTF-SiCp/6061Al基复合材料在固溶过程中的韧化机理研究

4.3.4复合材料延伸率预测模型

4.4本章小结

第5章 时效处理对粉末触变成形制备SiCp/6061Al基复合材料组织和性能的影响

5.1前言

5.2实验过程

5.3实验结果与分析

5.3.1 时效处理对PTF-6061合金组织和性能的影响

5.3.2 时效处理对PTF-SiCp/6061Al基复合材料组织和性能的影响

5.4 本章小结

第6章 粉末触变成形制备SiCp/6061Al基复合材料在时效过程中的强化机理

6.1前言

6.2实验过程

6.3实验结果与分析

6.3.1时效过程中的强化机理研究

6.4本章小结

结论

创新点

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录