原位颗粒增强A357基复合材料的制备及高温蠕变性能研究

发布时间：2017-06-16 22:01

  本文关键词：原位颗粒增强A357基复合材料的制备及高温蠕变性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：A357铝合金作为一种典型的铸造铝合金,具有优良的铸造性能,广泛用于汽车、航空、军事等领域。但是,铝合金在高温下的强度低、抗蠕变性能差、服役寿命短等限制了其在高温、高应力等恶劣环境中的应用。在铝合金中引入弥散的增强相,是提高合金高温强度与抗蠕变性能的重要途径。本课题采用原位合成方法制备原位颗粒增强A357基复合材料,研究其微观组织结构、常温力学性能与高温蠕变性能。本研究对比了A357-Na_2B_4O_7-K_2ZrF_6与A357-KBF_4-K_2ZrF_6两种反应体系合成的颗粒增强A357基复合材料。通过OM、XRD、SEM、TEM等材料分析手段,研究了两种反应体系合成复合材料的相组成、凝固组织及增强体颗粒的特征。试验结果表明:施加磁场频率为5Hz,电流为150A,磁场强度为0.023T,两种体系均能合成增强体颗粒;A357-Na_2B_4O_7-K_2ZrF_6体系合成原位二元颗粒,为Al3Zr与ZrB2。增强体体积分数较低时,原位合成增强颗粒为长条状Al3Zr,尺寸为10~40μm。增强体体积分数增长至2%,ZrB2增强颗粒开始形成但数量很少,尺寸为0.5~1μm;A357-KBF4-K2Zr F6体系合成原位ZrB2增强颗粒,尺寸为100nm,部分颗粒尺寸可达50nm。且原位合成的纳米级Zr B2增强颗粒可作为异质核心,细化基体材料晶粒;此外,施加磁场频率增大为14Hz,电流为150A,磁场强度为0.064T,A357-Na_2B_4O_7-K_2ZrF_6体系合成复合材料的ZrB2增强体数量增多,尺寸减小为200~300nm,Al3Zr颗粒数量减少,且尺寸减至10μm左右;A357-KBF_4-K_2ZrF_6体系合成ZrB2增强颗粒分布于材料中的均匀性提高。室温力学性能测试表明:磁场强度为0.023T,A357-Na_2B_4O_7-K_2ZrF_6体系合成原位(Al_3Zr+ZrB_2)p/A357基复合材料抗拉强度随颗粒体积分数的增长呈现上升趋势,颗粒体积分数为2%时,复合材料抗拉强度达到280MPa,为基体的1.04倍;A357-KBF_4-K_2ZrF_6体系合成原位ZrB2np/A357基复合材料的抗拉强度随着原位颗粒体积分数的增加而上升,颗粒体积分数为2%时,发现抗拉强度为325MPa,是基体合金的1.24倍;磁场强度提高至0.064T,原位(Al3Zr+Zr B2)p/A357基复合材料与ZrB2np/A357基复合材料抗拉强度均有所提高,颗粒体积分数为2%,两种复合材料抗拉强度分别达到298MPa与347MPa,为基体的1.14倍与1.32倍。高温蠕变性能测试表明:材料所含增强体颗粒体积分数、试验温度与外加应力均能影响原位ZrB2np/A357基复合材料的蠕变性能,随着原位颗粒体积分数增加,复合材料的蠕变速率由7.27×10-6s-1减小至1.29×10-7s-1,表观应力指数n由6.01增长为14.96,蠕变激活能从93KJ/mol提高至152KJ/mol;蠕变试验温度或外加应力提高,复合材料的稳态蠕变速率均增长;将复合材料的稳态速率与外加应力的对数进行线性回归,发现复合材料真应力指数为5,表明蠕变由位错攀移控制,而蠕变变形机制为第二相粒子增强机制,且温度从523K升高至573K时,门槛应力由15.57MPa下降至1.84MPa;蠕变断口表明,原位ZrB2np/A357基复合材料的蠕变断裂方式为韧性断裂。
【关键词】：颗粒增强A357基复合材料 原位合成 电磁场 力学性能 高温蠕变性能
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 选题意义11-12
• 1.2 原位颗粒增强铝基复合材料的研究进展12-15
• 1.2.1 原位颗粒增强铝基复合材料的制备技术12-13
• 1.2.2 原位纳米颗粒增强铝基复合材料的研究现状13-15
• 1.3 电磁场在原位颗粒增强铝基复合材料中的应用15
• 1.4 颗粒增强铝基复合材料的高温蠕变行为15-20
• 1.4.1 颗粒增强铝基复合材料高温蠕变的国内外研究现状16-18
• 1.4.2 颗粒增强铝基复合材料高温蠕变机制18-20
• 1.5 本课题主要研究内容20-21
• 第二章 原位反应体系的设计与实验方法21-28
• 2.1 基体的选择21
• 2.2 反应体系的设计21
• 2.3 增强体的选择21-22
• 2.4 复合材料的制备与加工工艺22-23
• 2.5 复合材料组织结构表征23-26
• 2.5.1 金相显微组织观察23-24
• 2.5.2 X射线衍射物相分析（XRD）24
• 2.5.3 扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS）24-25
• 2.5.4 透射电子显微镜（TEM）25-26
• 2.5.5 复合材料常温力学性能测试26
• 2.6 高温蠕变实验26-28
• 2.6.1 测试实验设备26-27
• 2.6.2 蠕变试样的制备27-28
• 第三章 原位颗粒增强A357基复合材料的制备及组织结构28-41
• 3.1 引言28
• 3.2 A357-Na_2B_4O_7-K_2ZrF_6反应体系合成复合材料的制备及微观结构28-31
• 3.3 A357-KBF_4-K_2ZrF_6反应体系合成复合材料的制备及微观结构31-35
• 3.4 A357-Na_2B_4O_7-K_2ZrF_6与A357-KBF_4-K_2ZrF_6体系合成的复合材料对比35-37
• 3.5 电磁场对原位颗粒增强铝基复合材料组织的影响37-39
• 3.6 本章小结39-41
• 第四章 原位颗粒增强A357基复合材料的室温力学性能分析41-51
• 4.1 引言41
• 4.2 (Al_3Zr+ZrB_2)_p/A357基复合材料的室温力学性能41-42
• 4.3 ZrB_(2np)/A357基复合材料的室温力学性能42-44
• 4.4 电磁场对原位颗粒增强A357基复合材料室温力学性能的影响44-47
• 4.4.1 电磁场对(Al_3Zr+ZrB_2)_p/A357基复合材料室温力学性能的影响44-46
• 4.4.2 电磁场对ZrB_(2np)/A357基复合材料室温力学性能的影响46-47
• 4.5 复合材料的强化机制分析47-49
• 4.6 本章小结49-51
• 第五章 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料的蠕变行为及抗蠕变机制51-60
• 5.1 引言51
• 5.2 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料的蠕变性能分析51-52
• 5.3 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料不同应力下的蠕变行为52
• 5.4 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料不同温度下的蠕变行为52-54
• 5.5 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料的抗蠕变性能54
• 5.6 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料的表观应力指与蠕变激活能54-56
• 5.6.1 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料的表观应力指数55-56
• 5.6.2 原位ZrB_(2np)/A357基复合材料的蠕变激活能56
• 5.7 蠕变门槛应力56-57
• 5.8 高温蠕变断口分析57-58
• 5.9 本章小结58-60
• 第六章 结论60-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士期间发表的论文68

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