纳米SiCp/TiCp增强纯铝基复合材料的拉伸与蠕变性能

【摘要】纳米颗粒增强铝基复合材料因其优异的力学性能、成本优势以及制造业对材料轻量化日益迫切的要求，从而备受人们关注并且在工业生产中得到广泛的应用。但是纳米颗粒增强铝基复合材料制备存在着一定的困难，并且对于纳米颗粒增强铝基复合材料的强化机制还没有统一的结论。因此，研究纳米颗粒增强纯铝基复合材料的强化机制具有重要的理论意义，并且对于纳米颗粒增强铝基复合材料的制备工艺的改善提供了建议。本文采用中间合金在铝熔体中重溶稀释与高能超声分散相结合的方法分别制备了纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料。并以纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料为研究对象，研究了纳米陶瓷颗粒对复合材料微观组织的影响规律，纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料室温和高温下的拉伸性能和不同应变速率下的拉伸行为，以及纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料的蠕变行为，并初步探究了纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料的强化机制，得到以下结论：(1)发现加入纳米SiC、TiC颗粒细化了α-Al枝晶，纯铝中α-Al枝晶的尺寸为220-310m，5vol.%TiCp/Al和7vol.%SiCp/Al复合材料中α-Al枝晶的平均尺寸分别细化至75m和90m，且α-Al枝晶的尺寸更加均匀。α-Al枝晶细化过程中纳米SiC、TiC颗粒的作用为：部分纳米SiC、TiC颗粒作为α-Al相的异质形核核心，细化α-Al枝晶；大部分纳米SiC、TiC颗粒在凝固过程中被推移至固液界面处，抑制了α-Al枝晶的生长。(2)发现加入纳米SiC、TiC颗粒显著地提高了纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料在室温下的屈服强度和抗拉强度，7vol.%SiCp/Al和5vol.%TiCp/Al复合材料在室温下的屈服强度和抗拉强度分别为101MPa、169MPa和83MPa、175MPa，与纯铝相比(37MPa和66MPa)分别提高了172%、156%和124%、165%。复合材料的延伸率随着纳米SiC、TiC颗粒加入量的增加逐渐下降。(3)揭示出纳米SiC、TiC颗粒的加入显著的提高了纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料在高温下的屈服强度和抗拉强度的规律。7vol.%SiCp/Al和5vol.%TiCp/Al复合材料180oC下的抗拉强度和屈服强度分别为115MPa、96MPa和121MPa、77MPa，与纯铝相比(36MPa、18MPa)分别提高了220%、400%和236%、328%。(4)揭示出加入纳米SiC、TiC颗粒提高了复合材料的抗蠕变性能，纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料的高温蠕变性能随着纳米SiC、TiC颗粒加入量的增加而提高。在180oC和外加应力为30MPa时，纯铝、3vol.%SiCp/Al和3vol.%TiCp/Al的表观应力指数和蠕变表观激活能分别为4.60和136.8；6.02和148.8；5.33和143.6。由表观应力指数揭示出纯铝的蠕变机制主要是由位错攀移控制，纳米SiCp/Al和TiCp/Al复合材料的蠕变机制主要是由位错攀移和纳米增强颗粒所控制的。纳米SiC、TiC颗粒可以提高复合材料高温下的力学性能和抗蠕变性能是因为：纳米陶瓷颗粒在高温下不易变形，所以纳米颗粒在α-Al枝晶内和晶界的分布使其起到钉扎位错和阻碍晶界滑移的作用；从而提高了纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料的高温力学性能和抗蠕变性能。(5)纳米SiCp/Al、TiCp/Al复合材料的强化机制主要为细晶强化、Orowan强化及热错配强化。强化效果均与纳米SiC、TiC颗粒在铝基体中的分布有密切的关系。(6)发现钛包覆纳米SiC颗粒改善了与铝熔体的润湿性，改善了纳米SiC颗粒在铝基体中的分布，其对α-Al枝晶的细化效果更显著，3vol.%钛包覆纳米SiCp/Al与3vol.%SiCp/Al相比，α-Al枝晶的平均尺寸减小了6.5%；室温下的屈服强度和抗拉强度分别提高了8.0%和3.1%。
【作者】吕明明；
【导师】姜启川；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】纳米SiCp、TiCp；纯铝基复合材料；组织；拉伸性能；蠕变性能；

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