非均匀Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备工艺及力学性能研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度和比刚度、良好的热稳定性、耐磨性和较低的热膨胀系数等优异性能被广泛应用在航空、航天和交通等领域。但是，颗粒增强铝基复合材料存在强度和塑性矛盾的问题，即提高强度的同时会带来塑性的严重降低，限制了其更广泛的应用。一些研究表明，具有非均匀结构的金属基复合材料具有良好的强塑性匹配关系，在提高材料强度的同时依然能保持良好的塑性。但是对非均匀结构Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能的研究还不够深入。　　本文采用粉末冶金工艺制备出具有非均匀结构的Al-Al2O3复合材料，分别研究了球磨时间、挤出比和体积分数对Al-Al2O3非均匀复合材料微观结构和力学性能的影响，并且对非均匀复合材料的失效机理、增韧机理和增强机理进行了分析。主要工作如下：　　1.研究了不同球磨时间的Al-5％Al2O3复合粉体(Al2O3体积分数为5％)的尺寸、形貌和物相组成。结果表明：复合粉体的尺寸随着球磨时间的增加先减小后趋于稳定，在球磨时间为15h时，复合粉体的尺寸和形貌达到稳定；XRD结果显示不同球磨时间的复合粉体中除少量Al4C3相外，无其余杂质相。　　2.采用粉末冶金结合热挤出工艺制备出致密的Al-Al2O3非均匀复合材料，分别对热挤出前后的样品进行了表征。结果显示：Al-Al2O3复合材料的微观结构是由软相(纯铝)和硬相(纯铝和Al2O3颗粒复合)组成的非均匀结构，其中软相被硬相包裹；复合材料中的软相经过热挤出后被拉长，材料变为片状结构。　　3.研究了热挤出前不同球磨时间的Al-5％Al2O3非均匀复合材料的微观结构和常温准静态压缩性能。结果显示：软相的含量和尺寸随球磨时间的增加先减小后稳定，在球磨时间为15h时达到稳定；随着球磨时间的增加，复合材料的屈服强度和抗压强度增加，但其失效应变降低。　　4.研究了热挤出后球磨时间和挤出比对Al-5％Al2O3非均匀复合材料的微观结构和常温拉伸性能的影响。结果显示：随着球磨时间的增加，复合材料的软相含量明显减小，复合材料的屈服强度和抗拉强度增加，但其失效应变降低；随着挤出比的增加，软相变形量加大，软相的长度和长径比均出现增加，宽度降低，复合材料的屈服强度和抗拉强度先增大后减小，失效应变降低。　　5.对球磨20h的Al-5％Al2O3非均匀复合材料进行压缩失效分析、动态压缩测试和拉伸失效分析。结果表明：在准静态压缩变形过程中，Al-Al2O3非均匀复合材料表面会产生弥散分布的微裂纹，通过软相形变降低应变局域化和阻碍微裂纹扩展等方式达到增韧效果；在动态压缩变形过程中，Al-Al2O3非均匀复合材料会产生局域的热熔化现象，使得材料应变增加；在拉伸变形过程中，Al-Al2O3非均匀复合材料产生弥散分布的变形带增加材料的失效应变。　　6.研究了不同体积分数的Al-Al2O3非均匀复合材料的微观结构、压缩性能和拉伸性能，并对其增强机理进行了分析。结果表明：随着体积分数的增加，复合材料的屈服强度、抗压强度和抗拉强度均出现增加，但其压缩和拉伸应变均降低；Al-Al2O3非均匀复合材料的增强机制主要为热失配强化、细晶强化和Orowan强化。

目录

声明

第1 章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2颗粒增强铝基复合材料

1.2.1颗粒增强铝基复合材料的概述

1.2.2颗粒增强铝基复合材料的性能

1.2.3颗粒增强铝基复合材料的制备工艺

1.3均匀分布铝基复合材料

1.3.1微米颗粒增强铝基复合材料

1.3.2纳米颗粒增强铝基复合材料

1.4非均匀金属基复合材料

1.4.1非均匀结构设计

1.4.2仿生结构设计

1.4.3非均匀微结构设计

1.5本文主要研究目标

第2 章实验材料和实验方法

2.1实验材料

2.2 Al-Al2O3复合材料的制备

2.2.1复合粉体的制备

2.2.2复合材料的烧结和热挤出

2.3 Al-Al2O3复合材料的性能测试

2.3.1常温准静态压缩测试

2.3.2常温动态压缩测试

2.3.3常温拉伸测试

2.4 Al-Al2O3复合材料的显微表征

2.4.1 X射线衍射仪（XRD）

2.4.2金相显微镜（OM）

2.4.3扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）

2.5本章小结

第3章球磨时间对Al-Al2O3非均匀复合材料的组织和力学性能的影响

3.1引言

3.2非均匀复合材料的表征

3.2.1粉体的尺寸和形貌

3.2.2粉体的物相分析

3.2.3块体的微观结构

3.3非均匀复合材料的压缩性能

3.3.1常温准静态压缩性能

3.3.2常温准静态压缩失效分析

3.3.3动态压缩性能

3.3.4动态压缩断口

3.4本章小结

第4章热挤出变形对Al-Al2O3非均匀复合材料的组织和力学性能的影响

4.1引言

4.2热挤出对不同球磨时间样品组织和拉伸性能的影响

4.2.1物相组成

4.2.2微观结构

4.2.3常温拉伸性能

4.2.4拉伸断口

4.2.5拉伸失效分析

4.3挤出比对复合材料组织和拉伸性能的影响

4.3.1微观结构

4.3.2常温拉伸性能

4.3.3拉伸断口

4.4本章小结

第5章体积分数对Al-Al2O3非均匀复合材料的组织和力学性能的影响

5.1引言

5.2热挤出前体积分数对复合材料组织和力学性能的影响

5.2.1微观结构

5.2.2常温准静态压缩性能

5.2.3压缩断口

5.3热挤出后体积分数对复合材料组织和力学性能的影响

5.3.1微观结构

5.3.2常温拉伸性能

5.3.3拉伸断口

5.4 Al-Al2O3非均匀复合材料强化机理

5.4.1载荷传递强化

5.4.2 Orowan强化

5.4.3热失配强化

5.4.4细晶强化

5.4.5混合强化

5.5本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果