SiC nw /Al复合材料中层错形成机理及其与位错交互作用研究
发布时间：2022-01-14 08:03
在铝基体中加入增强体可以大幅度提高其强度,但是不可避免地导致塑性的劣化。因而获得强度和塑性同步提升的铝基复合材料一直以来都是人们所关注的热点之一。近年来的研究发现,在铝中引入层错或微孪晶这样一些面缺陷,能够在一定程度上改变铝的变形行为,实现强度和塑性的同时提升。但目前而言,在铝中引入层错或孪晶的工作大多出现在纳米晶或纳米薄膜中,在尺寸较大的块体材料中未见报道过。本文在课题组多年铝基复合材料研究经验的基础上,提出了依靠Si C纳米线搭建纳米空间,填充铝液制成铝基复合材料,利用SiC纳米线和铝基体的热应力诱导层错或孪晶形成的技术路线。在制备的复合材料中发现大量层错及微孪晶,表现出非常优异的力学性能。本文采用压力浸渗法制备了30vol.%SiCnw/Al复合材料,为进一步提高复合材料的力学性能对其进行了应力均匀化和三向热约束变形处理。本文通过基于ANSYS有限元模拟平台对复合材料基体中的残余应力分布状态进行了模拟,可以看出:纳米线的间距越窄,基体中的残余应力越高;随着距界面距离的增大,应力逐渐减小;尖端处更容易出现应力集中。残余应力分布的这些特征与实验中观察到:体积分数...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
0.3%应变时MD模型的位错组态[8]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-于前面所提到的晶界(GB)发射不全位错的模型，而是全位错(1/2<110>)在晶粒内部均匀形核并拓展成两个Shockley不全位错(1/6<112>)，当有一个不全位错在铝的{111}面上滑过时，则留下一层内禀型层错(IntrinsicStackingFault)，当两个相邻的{111}原子面都有拓展位错滑过时则留下两个原子层厚度的外禀型(ExtrinsicStackingFault)层错。进一步分析可知，当相邻的三层{111}原子面都有拓展位错滑过时，缺陷形式则会由层错转变成只有三层原子层厚的微孪晶。文章给出了不同晶粒取向对于形成孪晶的应力条件具有十分重要的影响，但对于位错如何在晶粒内部均匀形核以及如何拓展并没有给出完美的解释。图1-2ECAP变形过后亚晶粒HRTEM[23]a)微孪晶；b)层错Zhao[24]等人采用动态等通道挤压(D-ECAP)工艺对单晶铝块体进行了极高应变速率(~106s-1)的变形处理，发现在具有更大剪切变形的模具上部分出现了大量的宏观变形孪晶。在动态加载的等通道挤压过程中，非常大的剪切变形量和非常快的变形速率是铝中能够出现孪晶的根本原因，而单晶铝晶界的缺失为孪晶的生长排除了一个重要的障碍，MD模拟的结果则表明快速形变条件下位错的自钉扎效应是阻碍其运动的重要因素，从而在一定程度上给孪晶形成创造了机会，但是同时还发现孪晶的出现是有利于位错的形核。图1-3给出了动态加载等通道挤压(D-ECAP)得模型及工作原理示意。图1-3动态等通道挤压模型[24]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-1.2.2极端变形条件形成层错及孪晶Zuo[25]等人利用磁控溅射工艺制备了纳米Al/非晶AlN多层膜结构，膜的厚度尺寸在10nm~200nm左右，在铝薄膜中发现了大量的微孪晶和9R相的存在，同时还发现9R相和微孪晶出现和存在的形式与薄膜的厚度有着密切的关系。进一步研究发现，铝薄膜中的共格孪晶是从异质相界面发射的，而不是从晶界发射，相界面在9R相和微孪晶的出现上起到了至关重要的作用，因而薄膜厚度越小，相界面占的比例越大，出现层错或9R相的比例也就越多。但随着厚度增加到一定程度，给了相界面继续发射不全位错进一步形成共格孪晶的空间。图1-4很好地展示了与薄膜厚度相关的9R相和微孪晶组态演变过程。可以看到，当薄膜厚度特别小时(10~20nm)，界面处产生Schockley位错，位错运动后面留下层错。薄膜厚度增加，层错堆叠起来，形成贯穿薄膜的9R相，如果厚度过大，则形成的9R相不能贯穿整个薄膜。随着薄膜厚度继续增大相界面继续发射不全位错，使得9R相独立存在与薄膜中间，并在后面留下与基体共格的孪晶。文章还认为，相界面对于铝薄膜不仅起到了提供位错源发射不全位错的作用，还通过向铝薄膜中扩散氮原子，降低了铝的层错能，在靠近相界面的区域形成了氮原子浓度梯度区域，同时也导致了铝的层错能在该区域梯度分布，实际看到的层错分布情况也与此类似。但该文章中对于9R相到共格孪晶的转变并没有做详细的介绍。不过该文章提出，Al和非晶AlN形成的界面可能为不全位错的发生提供了十分有利的条件，同时还产生内应力作为形成9R相和纳米孪晶的驱动力，从而在没有大变形的条件下形成9R相和纳米孪晶[26]。图1-49R相和微孪晶的形核、生长过程示意图[25]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Al及其复合材料尺寸稳定性原理与稳定化设计研究进展[J]. 武高辉,乔菁,姜龙涛. 金属学报. 2019(01)
[2]Electrical Discharge Machining of Al2024-65 vol% SiC Composites[J]. Wen-Shu Yang,Guo-Qin Chen,Ping Wu,Murid Hussain,Jia-Bing Song,Rong-Hua Dong,Gao-Hui Wu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2017(05)
[3]金属基复合材料发展的挑战与机遇[J]. 武高辉. 复合材料学报. 2014(05)
博士论文
[1]SiC纳米线诱发Al基体层错和孪晶的形成机制及其对力学行为的影响[D]. 董蓉桦.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于分子动力学的晶体铜拉伸变形机理研究[D]. 高强.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3588140
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
0.3%应变时MD模型的位错组态[8]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-于前面所提到的晶界(GB)发射不全位错的模型，而是全位错(1/2<110>)在晶粒内部均匀形核并拓展成两个Shockley不全位错(1/6<112>)，当有一个不全位错在铝的{111}面上滑过时，则留下一层内禀型层错(IntrinsicStackingFault)，当两个相邻的{111}原子面都有拓展位错滑过时则留下两个原子层厚度的外禀型(ExtrinsicStackingFault)层错。进一步分析可知，当相邻的三层{111}原子面都有拓展位错滑过时，缺陷形式则会由层错转变成只有三层原子层厚的微孪晶。文章给出了不同晶粒取向对于形成孪晶的应力条件具有十分重要的影响，但对于位错如何在晶粒内部均匀形核以及如何拓展并没有给出完美的解释。图1-2ECAP变形过后亚晶粒HRTEM[23]a)微孪晶；b)层错Zhao[24]等人采用动态等通道挤压(D-ECAP)工艺对单晶铝块体进行了极高应变速率(~106s-1)的变形处理，发现在具有更大剪切变形的模具上部分出现了大量的宏观变形孪晶。在动态加载的等通道挤压过程中，非常大的剪切变形量和非常快的变形速率是铝中能够出现孪晶的根本原因，而单晶铝晶界的缺失为孪晶的生长排除了一个重要的障碍，MD模拟的结果则表明快速形变条件下位错的自钉扎效应是阻碍其运动的重要因素，从而在一定程度上给孪晶形成创造了机会，但是同时还发现孪晶的出现是有利于位错的形核。图1-3给出了动态加载等通道挤压(D-ECAP)得模型及工作原理示意。图1-3动态等通道挤压模型[24]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-1.2.2极端变形条件形成层错及孪晶Zuo[25]等人利用磁控溅射工艺制备了纳米Al/非晶AlN多层膜结构，膜的厚度尺寸在10nm~200nm左右，在铝薄膜中发现了大量的微孪晶和9R相的存在，同时还发现9R相和微孪晶出现和存在的形式与薄膜的厚度有着密切的关系。进一步研究发现，铝薄膜中的共格孪晶是从异质相界面发射的，而不是从晶界发射，相界面在9R相和微孪晶的出现上起到了至关重要的作用，因而薄膜厚度越小，相界面占的比例越大，出现层错或9R相的比例也就越多。但随着厚度增加到一定程度，给了相界面继续发射不全位错进一步形成共格孪晶的空间。图1-4很好地展示了与薄膜厚度相关的9R相和微孪晶组态演变过程。可以看到，当薄膜厚度特别小时(10~20nm)，界面处产生Schockley位错，位错运动后面留下层错。薄膜厚度增加，层错堆叠起来，形成贯穿薄膜的9R相，如果厚度过大，则形成的9R相不能贯穿整个薄膜。随着薄膜厚度继续增大相界面继续发射不全位错，使得9R相独立存在与薄膜中间，并在后面留下与基体共格的孪晶。文章还认为，相界面对于铝薄膜不仅起到了提供位错源发射不全位错的作用，还通过向铝薄膜中扩散氮原子，降低了铝的层错能，在靠近相界面的区域形成了氮原子浓度梯度区域，同时也导致了铝的层错能在该区域梯度分布，实际看到的层错分布情况也与此类似。但该文章中对于9R相到共格孪晶的转变并没有做详细的介绍。不过该文章提出，Al和非晶AlN形成的界面可能为不全位错的发生提供了十分有利的条件，同时还产生内应力作为形成9R相和纳米孪晶的驱动力，从而在没有大变形的条件下形成9R相和纳米孪晶[26]。图1-49R相和微孪晶的形核、生长过程示意图[25]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Al及其复合材料尺寸稳定性原理与稳定化设计研究进展[J]. 武高辉,乔菁,姜龙涛. 金属学报. 2019(01)
[2]Electrical Discharge Machining of Al2024-65 vol% SiC Composites[J]. Wen-Shu Yang,Guo-Qin Chen,Ping Wu,Murid Hussain,Jia-Bing Song,Rong-Hua Dong,Gao-Hui Wu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2017(05)
[3]金属基复合材料发展的挑战与机遇[J]. 武高辉. 复合材料学报. 2014(05)
博士论文
[1]SiC纳米线诱发Al基体层错和孪晶的形成机制及其对力学行为的影响[D]. 董蓉桦.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于分子动力学的晶体铜拉伸变形机理研究[D]. 高强.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3588140
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