网状(Al3Zr+Al2O3np)/6061复合材料制备及力学性能

摘要

传统增强相均匀弥散分布铝基复合材料过分追求高强度，但增强相的均匀分布将基体严重割裂，影响基体的塑性变形，使复合材料塑性韧性变差。并且，以往本课题组对于网状铝基复合材料的研究主要集中于总体积分数10％，导致了复合材料内部局部体积分数过高，同样影响复合材料强度和塑性的发挥。本文依据H-S理论，设计硬质陶瓷增强相颗粒包围软质基体的非连续网状结构(Al3Zr+Al2O3)/6061铝基复合材料，并降低体积分数，制备出体积分数分别为1%、3%、5%的烧结态、挤压态、热处理态复合材料，并采用扫描电镜(SEM)，X射线衍射(XRD)等手段对复合材料组织结构进行分析，并测定不同体积分数及不同状态对复合材料硬度、室温拉伸、室温弯曲、室温断裂等力学性能及致密度的影响。分析增强相体积分数和热挤压和热处理对复合材料影响。
　　选取200rpm及2h的低能球磨混料工艺对ZrO2和6061铝合金粉末进行混合，探究反应温度及保温时间对复合材料组织演化影响，确定原位反应最佳工艺为850℃，保温90min，并采用三步法制备(Al3Zr+Al2O3)/6061铝基复合材料。
　　SEM及XRD表明原料ZrO2与6061铝合金基体充分反应生成Al3Zr和Al2O3，呈非连续网状分布在6061铝合金颗粒周围。经热挤压变形后，球状6061铝合金颗粒被拉长，变成椭球状。横向组织网状尺寸缩小，增强相Al3Zr颗粒尺寸变小。纵向截面网状尺寸被拉长，增强相颗粒平行于挤压方向分布，基体连通性提高，孔洞等缺陷降低，复合材料致密度提升，并且晶粒细化。
　　热挤压变形使材料致密度提高，各体积分数下复合材料致密度均接近99%，并且随体积分数增大，致密度有一定程度下降。维氏硬度试验表明，从基体区域到增强体颗粒边界处硬度逐渐上升。经挤压变形及热处理组织优化后，硬度提高。体积分数增大对基体区域硬度影响不大，而增强体富集区域硬度随之增大。
　　室温拉伸试验表明，网状结构复合材料有着优良的塑性，强度随体积分数增加而增大，延伸率呈下降趋势。经热挤压变形不仅可以提升强度，而且同时增大复合材料塑性。各体积分数下，热挤压态复合材料强度分别提升至179.9MPa、199.4MPa、210.8MPa，塑性分别为20.1%、17.8%、16.9%。(Al3Zr+Al2O3)/6061铝基复合材料弯曲变形能力优良，挤压态的材料经弯曲后均未出现宏观裂纹，且抗弯强度较高。断裂韧性方面，低体积分数网状复合材料断裂韧性相对较低，但载荷到达峰值后，应力下降较为缓慢，特殊的网状结构可以有效降低裂纹扩展的速率。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.2国内外铝基复合材料研究现状及分析

1.3复合材料基体与增强体的选择

1.4铝基复合材料结构设计

1.5增强相体积分数对复合材料性能的影响

1.6铝基复合材料性能与组织优化

1.7课题的主要研究内容

第2章 试验材料与试验方法

2.1原材料的选取

2.2材料的微观组织分析

2.3复合材料性能测试

第3章 低体积分数(Al3Zr+Al2O3)/6061网状复合材料设计及制备

3.1引言

3.2原位反应的热力学分析

3.3 DTA热分析实验验证

3.4 H-S理论下复合材料的网状结构设计

3.5网状结构复合材料成分设计

3.6网状铝基复合材料制备工艺探索

3.7 本章小结

第4章 低体积分数网状结构铝基复合材料微观组织

4.1第一阶段产物ZrO2/6061铝基复合材料微观组织

4.2低体积分数网状(Al3Zr+Al2O3)/6061宏观形貌及微观组织

4.3热挤压变形对复合材料宏观及微观组织形貌影响

4.4低体积网状(Al2O3+Al3Zr)/6061致密度测定

4.5本章小结

第5章 低体积分数网状结构铝基复合材料力学性能

5.1低体积分数网状(Al2O3+Al3Zr)/6061维氏硬度测定

5.2低体积分数网状(Al2O3+Al3Zr)/6061室温拉伸性能

5.3低体积分数网状(Al2O3+Al3Zr)/6061室温拉伸断裂机制分析

5.4低体积分数网状(Al2O3+Al3Zr)/6061弯曲性能分析

5.5低体积分数网状(Al2O3+Al3Zr)/6061断裂性能分析

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢