SiCp/2024Al复合材料界面特性及析出相演变规律

摘要

本文采用真空热压烧结制备了体积分数为35％，颗粒尺寸为15μm的SiCp/2024Al复合材料。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射分析（XRD）、透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（ HRTEM）、拉伸试验机等设备，详细表征了复合材料中增强体SiC与基体Al之间的界面形貌、位向关系和结合机制等界面特性，探讨和定量描述了热处理过程中复合材料析出相的尺寸、数量、结构、界面等的演变规律。进而综合考虑复合材料的各种强化机制协同作用，从微观组织-宏观性能的角度出发，建立了适用于本试验复合材料的强度量化综合模型。结果表明：本试验所制得复合材料中SiC颗粒分布均匀，SiC和Al界面光滑平直。复合材料中SiCp/Al界面整体结合良好，具有三种类型：包括大部分干净界面，少量轻微反应型界面以及极少量的非晶层界面。在干净界面中， SiC和Al没有固定或择优的取向关系。SiC和Al的结合机制为紧密原子匹配形成的半共格界面。在轻微反应型界面中， MgAl2O4尖晶石与SiC和Al均形成半共格界面，作为中间媒介很好地连接了SiC和Al。对热处理过程中复合材料析出相的演变规律研究表明：采用580℃真空热压烧结制备的 SiCp/2024Al复合材料存在许多粗大析出相颗粒，例如 Al4Cu9， Al2Cu，Al5Cu6Mg2，Al7Cu2Fe。随着固溶温度从490℃提高到510℃，基体中粗大析出相逐渐回溶到基体中，当固溶温度达到510℃时，几乎所有的粗大第二相颗粒回溶到基体中，除了极少量的未溶相Al7Cu2Fe。经510℃固溶后的复合材料在190℃时效下，随着时效时间的增长，盘片状沉淀相（Al2Cu）和棒针状沉淀相（Al2CuMg）的直径和长度逐渐增加，沉淀相的数量先增大后减小，沉淀相与基体的界面转变规律为：共格界面→半共格界面→不共格界面。基于析出热力学和长大动力学建立的定量模型表明盘片状沉淀相的直径和棒针状沉淀相的长度与时效时间的1/2次方成线性变化关系，而体积分数则与时效时间的5/2次方成线性关系。该模型能较准确描述欠时效和峰时效的沉淀相演变规律。对复合材料强度量化综合模型的研究表明：热压态SiCp/2024Al复合材料的主要强化是由载荷传递、细晶强化、热错配强化引起的，而粗大析出相弥散强化和SiC颗粒的Orowan强化对复合材料的强度贡献值较小。时效态SiCp/2024Al复合材料的主要强化机制除了载荷传递、细晶强化、热错配强化之外，纳米相沉淀强化对复合材料强化的贡献值较大。随着时效时间的增加，盘片状θ相和棒针状S相引起的强度增量都是先增加后减小，盘片状θ相引起的强度增量在时效时间为13.5h时达到峰值，而棒针状S相引起的强度增量在时效时间为11.7h时达到峰值。综合考虑复合材料各种强化机制的协同作用，构建的适用于本试验复合材料热压态和时效态的强度量化综合模型的预测值和实验值吻合较好，能较准确预测热压态和不同时效态复合材料的屈服强度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的

1.2 SiCp/Al复合材料的界面状况

1.3 SiCp/2024Al复合材料的热处理研究

1.4 本文主要研究内容

第2章 试验材料及试验方法

2.1 试验原材料

2.2 复合材料的制备

2.3 试样表征

2.4 试样性能测定

第3章 SiCp/2024Al复合材料的界面特性及整体评价

3.1 引言

3.2 SiCp/2024Al复合材料的界面形貌

3.3 SiC/Al之间的晶体学位向关系及界面结构

3.4 复合材料界面状况的总体评价

3.5 本章小结

第4章 热处理过程 SiCp/2024Al复合材料析出相演变规律的表征及定量描述

4.1 引言

4.2 热压态SiCp/2024Al复合材料的析出相表征

4.3 SiCp/2024Al复合材料在固溶过程中微观组织演变

4.4 SiCp/2024Al复合材料在时效过程中微观组织演变

4.5 SiCp/2024Al复合材料沉淀相演变规律的定量描述

4.6 本章小结

第5章 SiCp/2024Al复合材料强度量化综合模型

5.1 引言

5.2 SiCp/2024Al复合材料的强化机制

5.3 复合材料强度量化综合模型的建立及分析讨论

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果