SiC-Al復(fù)合材料微屈服行為與強化機理研究.pdf

1、SiC/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的微屈服強度、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)問題尚未形成明確的理論。例如，增強體尺寸對微屈服強度的強化機理問題，基體中析出相長大會降低長期服役過程中穩(wěn)定性問題等。為解決高尺寸穩(wěn)定性SiC/Al復(fù)合材料性能設(shè)計基礎(chǔ)問題，本文圍繞微屈服強度的尺寸效應(yīng)和基體合金優(yōu)化選擇這兩個問題展開研究。首先采用應(yīng)變梯度理論研究了顆粒尺寸對復(fù)合材料微屈服強度的強化機理，進而采用

2、有限元的方法建立含顆粒尺寸項的微屈服強度預(yù)報模型，為顆粒尺寸的選擇提供了依據(jù)；繼而，針對基體析出相長大的問題，提出了適用于長期使用時具有高微屈服強度的合金元素優(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度，探討了合金元素對 SiC/Al復(fù)合材料微屈服強度的強化機理，為合金元素的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的基礎(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SiC/Al復(fù)合材料微屈服強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著顆粒尺寸減小，微屈服強度提高。通過建立微觀的應(yīng)變梯度模型，證明了顆粒尺寸是通過改變顆粒間距進而改變基體中的應(yīng)變梯度，從而改變復(fù)合材料的微屈服強度的。進一步研究發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸對復(fù)合材料微屈服強度的強化效果主要是依賴于鑄造冷卻階段產(chǎn)生的幾何必需位錯。
　　依據(jù)顆粒尺寸對微屈服強度的強化機理，在對基體塑性段本構(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 SiC/Al微屈服強度作用的預(yù)報模型。對比了不同幾何模型或本構(gòu)方程對復(fù)合材料微屈服強度的影響，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)報了不同顆粒尺寸的SiCp/pureAl復(fù)合材料微屈服強度，進而以顆粒尺寸為5μm的復(fù)合材料為例進行了實驗驗證，預(yù)報結(jié)果與實測值相對偏差為11.7％，證明模型具有一定的可靠性。
　　針對 SiC/Al復(fù)合

5、材料析出相長大致使長期服役穩(wěn)定性差的問題，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形成具有強化作用的金屬間化合物；ii)最大固溶度大，室溫固溶度??；iii)低擴散系數(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SiC/Al復(fù)合材料微觀組織和微屈服強度的強化機理。
　　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度，揭示了Sc,Zr對微屈服強度的強化機理。結(jié)果表明，添加Sc-Zr后，SiC/Al復(fù)合材料基體在鑄態(tài)時形成了300nm的超細晶粒。時效過程中，析出相Al3(Sc,Zr)在晶內(nèi)形核長大，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化機制由位錯強化轉(zhuǎn)為細晶強化。峰時效時，析出相Al

7、3(Sc,Zr)是通過使位錯發(fā)生Orowan繞過機制發(fā)揮強化作用的，復(fù)合材料的微屈服強度達到166.8MPa。
　　研究了進一步添加 Mg元素對 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，從而使相同熱處理條件下基體中 Al3(Sc,Zr)相平均粒徑更加細小，析出相面密度也更高。Mg元素的添加除自身的固溶強化外，還能夠?qū)?Al3(Sc,Zr)相