铝合金/铝基复合材料复合板组织与力学性能的研究

摘要

传统的铝基复合材料因增强体的引入而具有高强度、高弹性模量、高耐磨性能等特性因而在航空航天及汽车制造领域有着较多应用.但低延展性和易瞬断性严重限制了其应用范围.因此有必要开发出一种兼具铝基复合材料高强度和铝合金良好塑性的复合板材来进一步扩大其应用潜力.本文以铝及铝基复合材料为原材料热轧制备了1060/Al-TiC/1060和1060/Al-SiC/1060复合板,研究了复合材料的界面结合性、增强体含量对复合材料组织与性能的影响、针对增强体含量和工艺参数对复合板的组织与力学性能的影响进行了深入研究.　　Al-TiCp复合材料中的Al与TiC具有一定晶体学取向关系:其中TiC(111)晶面平行于Al(121)晶面,Al((3-)11)晶面平行于TiC(101)晶面,Al((1-)1(1-))晶面平行于TiC(110)晶面.经过第一性原理计算后发现若Al与TiC中的C原子以共价键和离子键的形式结合时,界面结合功较高,界面结合强度较好.而Al与TiC中的Ti原子以金属键形式结合时,界面结合功较低,界面结合强度较差.　　复合材料中的铝基体形貌为典型的等轴晶粒,一部分增强体均匀分布于铝基复合材料的晶界处,其余增强体则在晶界处团聚成为增强体团聚簇,且增强体的含量越高,团聚簇的存在越多.两种铝基复合材料的屈服强度、抗拉强度随着增强体含量的增加显现出先升高后降低的趋势,而复合材料的延伸率随着增强体体积分数的增加而逐渐降低.　　具有不同增强体含量的1060/Al-TiC/1060和1060/Al-SiC/1060复合板的1060层微结构在通过厚度方向展现出不均匀的发展趋势.表层处的铝合金晶粒与轧制方向呈一定角度倾斜,晶粒的倾斜程度在向界面层发展过程中逐渐降低.1060层在通过厚度方向上展现出一定的织构梯度.随着测试位置由表层到达界面层,r-cube剪切织构的强度逐渐减弱而cube织构的强度逐渐增强.复合材料的中心层展现出α-fiber和β-fiber轧制织构,随着增强体含量的升高β-fiber的体积分数逐渐降低.复合板的强度随增强体的加入逐渐升高并达到最大值,而随着增强体含量进一步升高后,复合板的强度展现出降低趋势;复合板延伸率随着增强体含量的增加而逐渐降低.　　对于不同热轧变形量制备的1060/Al-TiC/1060复合板,从1060表层至界面层过程中大角度晶界数量及晶内高角度晶界取向差逐渐降低.1060层cube取向强度随轧制变形量的升高而降低,而r-cube取向强度则逐渐升高.Al-TiC中心层在热轧后显示为α-fiber和β-fiber轧制织构,随着变形量升高,β-fiber组分的体积分数逐渐升高.复合板的屈服强度及抗拉强度随轧制变形量的升高而增大,延伸率首先随变形量的升高而增高并在43.0%变形量下达到最大值,而后显示略微的降低趋势.　　对于不同热轧温度制备的1060/Al-SiC/1060复合板,1060层受板材与轧辊间摩擦力引起的剪切变形作用而产生不均匀分布的显微组织.轧制温度对1060层产生的剪切变形有很大影响,350℃下1060表层晶粒的细分程度以及高角度晶界的数量最大,1060层上r-cube剪切织构强度随温度的升高逐渐升高且在350℃时达到最大,而后逐渐降低.热轧复合后复合板Al-SiC中间层上初始的random织构转变为α-fiber和β-fiber轧制织构.复合板的屈服强度及抗拉强度随轧制温度的升高首先展现出逐渐增强的趋势,超过400℃后略微降低,而其延伸率则展现出逐渐升高的趋势.

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 轧制复合技术制备金属复合板

1.2.1 轧制复合机制

1.2.2 轧制参数对金属复合板材的影响

1.2.3 金属复合板结合质量的评估

1.3 颗粒增强铝基复合材料的研究进展

1.3.1 颗粒增强体对铝基复合材料组织的影响

1.3.2 颗粒增强体对铝基复合材料织构的作用

1.3.3 颗粒增强体对铝基复合材料力学性能的影响

1.4 晶须增强铝基复合材料的研究进展

1.4.1 晶须增强体对铝基复合材料组织的影响

1.4.2 晶须增强体对铝基复合材料织构的作用

1.4.3 晶须增强体对铝基复合材料力学性能的影响

1.5 第一性原理在材料计算上的进展

1.5.1 第一性原理在材料表面与界面上的研究

1.5.2 第一性原理在晶体缺陷预测上的研究

1.5.3 第一性原理在微观力学性能上的研究

1.6 本文研究目的与内容

第2章 实验内容及研究方法

2.1 实验材料

2.2 铝基复合材料制备

2.3 金属复合板的制备

2.4 金属复合板的微结构与织构的测试

2.4.1 金属复合板的金相组织观察

2.4.2 SEM、EBSD观察与元素分析

2.4.3 TEM观察

2.4.4 复合板织构测试

2.4.5 力学性能测试

2.5 第一性原理计算

第3章 Al/TiC铝基复合材料的组织与性能研究

3.1 前言

3.2 Al-TiCp复合材料的组织与性能

3.2.1 Al-TiCp复合材料的组织形貌观察

3.2.2 Al-TiCp复合材料的拉伸性能

3.3 Al-TiCp复合材料的界面计算

3.3.1 Al-TiCp复合材料中的两种体相

3.3.2 Al(121)表面模型和TiC(111)表面模型原子层数

3.3.3 Al(121)/TiC(111)界面搭接模型及结合功的计算

3.3.4 Al(121)/TiC(111)界面电子结构

3.4 本章小结

第4章 不同含量增强体对复合材料及复合板的作用

4.1 前言

4.2 铝基复合材料的组织与性能

4.2.1 复合材料的制备

4.2.2 Al-TiCp和Al-SiCnw复合材料的组织结构

4.2.3 Al-TiCp和Al-SiCnw复合材料的力学性能

4.3 铝/铝基复合材料复合板的组织与性能

4.3.1 铝/铝基复合材料复合板的制备

4.3.2 铝/铝基复合材料复合板的显微组织分析

4.3.3 铝/铝基复合材料复合板的织构分析

4.3.4 复合板的力学性能

4.4 本章小结

第5章 轧制变形量对1060/Al-TiC/1060复合板的组织与性能的影响

5.1 前言

5.2 1060/Al-TiC/1060复合板的显微组织

5.3 1060/Al-TiC/1060复合板的织构

5.3.1 复合板1060层织构

5.3.2 复合板中心层织构

5.4 1060/Al-TiC/1060复合板的力学性能

5.5 本章小结

第6章 轧制温度对1060/Al-SiC/1060复合板组织与性能的影响

6.1 前言

6.2 1060/Al-SiC/1060复合板的显微组织

6.3 1060/Al-SiC/1060复合板的织构

6.3.1 复合板1060层织构

6.3.2 复合板中心层织构

6.4 1060/Al-SiC/1060复合板的力学性能

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢