2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料组织及性能研究

发布时间：2017-08-28 07:28

  本文关键词：2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料组织及性能研究

  更多相关文章： 碳纤维铝基复合材料 热处理 力学性能 微屈服强度 尺寸稳定性

【摘要】：本文以含钪2024合金为基础,采用熔配法制备2024Sc合金和2mm和3mm的2%wt.短碳纤维增强含钪2024铝基复合材料。利用金相显微镜、扫描电子显微镜技术分析了材料微观组织和断口形貌,采用EDS能谱分析技术进行了物相分析。材料的密度、致密性分别利用阿基米德原理、油浸试验进行了分析,并与理论密度进行了对比;采用拉伸试验、加载-卸载试验测量了三种材料在不同时效状态下的常规力学性能和微屈服性能,并采用开口圆环开口变化对比分析了材料的尺寸稳定性。研究发现:(1)2024Sc铝合金及其2mm和3mm短碳纤维增强复合材料铸态组织均由深灰色α-Al基体及α-Al基体晶界及碳纤维周围网状分布的白色的含Cu、Mg元素及少量Sc、Zr、Mn、O等元素的Al_2CuMg、Al_2Cu、Al_3(Sc,Zr)组成。材料经挤压后,晶粒被拉长,白色第二相沿着晶粒呈不连续分布,碳纤维由铸态的无规则分布趋于平行于挤压方向分布。(2)含钪2024铝及其2mm/3mm短碳纤维增强复合材料铸态均具有较高的孔隙率、吸油率,经挤压后,密度、致密性提升,孔隙率分别降低了57.2%、50.6%、66.3%;碳纤维加入后,材料密度降低,孔隙率、吸油率增大,致密性下降,且相比于3mmCf增强含钪2024铝基复合材料,2mmCf增强含钪2024铝基复合材料孔隙率、吸油率更高,致密性较低。(3)对三种材料进行500℃/4h固溶、130℃/3h+200℃/(5h,10h,15h)时效处理研究发现:随着时效的进行,2024Sc铝合金及其2mm/3mm短碳纤维增强复合材料屈服强度、抗拉强度、弹性模量均先增大后减小,延伸率先减小后增大;相较于基体合金,碳纤维加入后,复合材料屈服强度、抗拉强度、延伸率均有所下降,弹性模量增大。但是,在拉伸过程中,碳纤维存在断裂、拔出等现象,导致材料提前失效断裂。相比于2mm短碳纤维增强2024Sc复合材料,3mm短碳纤维增强2024Sc铝合金具有更高的屈服强度、抗拉强度、弹性模量,分别达到了315MPa、465MPa、82.3GPa,分别较2mm短碳纤维增强2024Sc铝合金提高了5.9%,1.8%,3.3%。(4)含钪2024铝及其2mm/3mm短碳纤维增强复合材料微屈服强度随着时效时间的延长先增加后降低,在峰值时效时材料具有最高的微屈服强度,分别达到294.5MPa、256MPa、276MPa。微屈服阶段的加工硬化率先增大后减小,均远高于宏观屈服初期的加工硬化率。加入碳纤维后,由于材料内部缺陷增加,材料的微屈服强度降低。相比于2mm短碳纤维,3mm短碳纤维增强含钪2024铝基复合材料微屈服强度提高了7.8%。(5)2024Sc铝合金及短碳纤维增强复合材料圆环经495℃/4h固溶,130℃/3h预时效,200℃进行10h峰时效处理后,2024Sc合金的圆环开口后具有最大的瞬时开口尺寸变化,加入碳纤维后圆环开口尺寸明显下降,特别是添加2mm长度的碳纤维增强复合材料,具有最小的瞬时开口变化尺寸。三种材料圆环开口间隙尺寸随着时间的延长相较于瞬时开口尺寸稍有增大然后逐渐趋于稳定,这与材料中存在的较高内应力及其应力释放有关;碳纤维的加入是有利于材料尺寸稳定性的改善。
【关键词】：碳纤维铝基复合材料 热处理 力学性能 微屈服强度 尺寸稳定性
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 Al-Cu-Mg系铝合金11-18
• 1.1.1 Al-Cu-Mg合金相及组成11-12
• 1.1.2 Al-Cu-Mg合金微合金化元素影响12-16
• 1.1.2.1 Mn的影响12-13
• 1.1.2.2 Sc、Zr的影响13-14
• 1.1.2.3 Ag的影响14-15
• 1.1.2.4 Zn的影响15
• 1.1.2.5 Ti、Yb、Er的影响15-16
• 1.1.2.6 Y、Cr的影响16
• 1.1.3 Al-Cu-Mg合金热处理工艺16-18
• 1.1.3.1 均匀化退火16-17
• 1.1.3.2 固溶17-18
• 1.2 碳纤维增强铝基复合材料18-20
• 1.2.1 碳纤维增强铝基复合材料制备工艺18-19
• 1.2.2 碳纤维增强铝基复合材料强化机制19
• 1.2.3 碳纤维增强铝基复合材料性能影响因素19-20
• 1.3 材料尺寸稳定性的影响因素及评价方法20-24
• 1.3.1 弹性模量的影响20-21
• 1.3.2 热胀系数的影响21-22
• 1.3.3 位错亚结构的影响（冷处理）22
• 1.3.4 微屈服强度的影响22-23
• 1.3.5 尺寸稳定性的表征——开口圆环23-24
• 1.4 课题主要研究内容24-25
• 1.5 技术路线25-26
• 2 材料制备及试验方法26-34
• 2.1 试验材料26-27
• 2.2 材料制备27-30
• 2.2.1 碳纤维镀铜27-29
• 2.2.2 2024Sc铝合金熔铸29
• 2.2.3 短碳纤维增强 2024Sc铝合金复合材料熔铸29-30
• 2.3 铸锭后续处理30
• 2.4 制备材料性能测试方法30-34
• 2.4.1 成分测量30
• 2.4.2 材料组织观察分析30
• 2.4.3 密度测量30
• 2.4.4 孔隙率计算30-31
• 2.4.5 致密性测量31
• 2.4.6 常规力学性能测量31
• 2.4.7 微屈服性能测量31-32
• 2.4.8 尺寸稳定性—环形开口测量32-34
• 3 2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料的微观组织与物理性能研究34-51
• 3.1 材料成分34
• 3.2 材料显微组织34-46
• 3.2.1 2024Sc铝合金微观组织34-40
• 3.2.2 2mm/3mm短碳纤维增强含钪2024铝基复合材料微观组织40-46
• 3.3 材料密度46-47
• 3.4 材料致密性-吸油率47-48
• 3.5 材料致密性-孔隙率48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 4 2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料的常规力学性能研究51-61
• 4.1 时效状态对2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料常规力学性能影响51-55
• 4.2 碳纤维及碳纤维长度对2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料常规力学性能55-60
• 4.3 本章小结60-61
• 5 2024Sc铝合金及其短碳纤维增强复合材料尺寸稳定性研究61-69
• 5.1 2024Sc铝合金及短碳纤维增强复合材料微屈服行为及性能研究61-66
• 5.1.1 材料微屈服规律61-64
• 5.1.2 时效状态、碳纤维及纤维长度对材料微屈服强度的影响64-66
• 5.2 2024Sc铝合金及短碳纤维增强复合材料尺寸稳定性能研究66-68
• 5.3 本章小结68-69
• 6 结论69-71
• 参考文献71-76
• 个人简介76-77
• 致谢77

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本文编号：747505