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铸造铝基复合材料热挤压行为的研究

作　者: 特日昆
导　师: 王浩伟
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 复合材料热模拟塑性加工反挤压
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

轻质、高强、高模量原位自生铝基复合材料管材在航空航天、国防工业等领域具有广泛的应用前景。本文研究课题的主要目的是通过反挤压工艺制造出高强度,高模量的铝基复合材料管材。为了得到高模量,选用高体积分数的TiB₂增强颗粒,由于高体积分数的增强颗粒在基体材料中存在流动性差,界面结合不好等问题,所以选取流动性好的铸造共晶铝合金作为基体材料。但铸造铝基复合材料的塑形较差,因此采用反挤压的方法来改善其塑形,并得到复合材料管材。本文采用热模拟与实际试验相结合的方法,对复合材料的高温热加工行为进行研究。内容包括:探讨材料的高温流变行为,确定温度和应变速率等对于材料热变形的影响,建立了材料的热变形本构方程。应用动态材料模型建立材料的热加工图,确定热加工合适的加工工艺。最后对材料进行反挤压试验来验证热加工图的分析结果,并对不同处理状态下的材料进行性能比较及相关分析。本文首先通过Gleeble3500热模拟机研究TiB₂/Al-Si-Mg-Cu铝基复合材料的高温流变行为,实验结果表明TiB₂/Al-Si-Mg-Cu铝基复合材料在高温热变形时存在稳态流变特征,随着流变应力应变速率的增大而增大,随着温度的升高而降低,同时根据热模拟得到的真应力—真应变曲线计算得出了复合材料的热变形本构方程。根据热模拟实验得到的数据,绘制了TiB₂/Al-Si-Mg-Cu铝基复合材料的功率耗散图和热加工图。功率耗散图结果表明:随着温度的升高和应变速率的降低,功率耗散率增大,有利于材料的动态再结晶;从材料的热加工图上可以看出,该复合材料在实验范围内有两个失稳区域,一个是低温高应变速率区域,该区域的失稳主要由于基体裂纹的产生和颗粒的脱粘断裂引起的,另一个区域是高温中等应变速率区域,造成材料的失稳的主要原因可能是楔形开裂和颗粒的脱粘断裂,在加工时应当尽量避免这两个区域。在高温低应变速率区域,如500℃,10-3 s^-1的实验条件下,功率耗散率最高且与稳定区相对应,是TiB₂/Al-Si-Mg-Cu铝基复合材料的最佳加工区域。根据热加工图上得到的加工工艺,对TiB₂/Al-Si-Mg-Cu复合材料实体材料进行反挤压实验后,发现在温度为500℃,应变速率为10-3 s^-1的实验条件下,材料表面光滑,没有微裂纹,的确为材料的最佳加工区域。而在300℃,1 s^-1的实验条件下,材料表面发生宏观开裂。最后对不同处理条件下的TiB₂/Al-Si-Mg-Cu复合材料进行力学性能测试。显微硬度的测试结果为:未经过处理的原始复合材料<反挤压后的复合材料<反挤压后经过T6热处理的复合材料。又对TiB₂/Al-Si-Mg-Cu复合材料进行反挤压变形,测试其拉伸性能。可以发现经过反挤压后,复合材料的抗拉强度,弹性模量和延伸率均有大幅度提高,分别提高了53.8%,16.9%和191.4%。对经过反挤压和未经过反挤压的材料均进行T6热处理,可以发现对于无论是否经过反挤压的复合材料,热处理过后抗拉强度有很大提高,弹性模量变化不大,而延伸率有所降低。其中力学性能最好的为反挤压后经过热处理的TiB₂/Al-Si-Mg-Cu复合材料。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-28
  1.1 引言  10
  1.2 铝基复合材料的分类  10-12
    1.2.1 纤维增强铝基复合材料  11
    1.2.2 晶须增强铝基复合材料  11
    1.2.3 颗粒增强铝基复合材料  11-12
  1.3 颗粒增强铝基复合材料的制备方法  12-22
    1.3.1 外加颗粒增强铝基复合材料的制备方法  12-14
      1.3.1.1 粉末冶金法  12-13
      1.3.1.2 铸造法  13-14
      1.3.1.3 喷射沉积法  14
    1.3.2 原位颗粒增强铝基复合材料的制备方法  14-22
      1.3.2.1 固—液反应法  16-17
      1.3.2.2 固—固反应法  17-19
      1.3.2.3 气—液反应法  19-21
      1.3.2.4 气—液—固反应法  21-22
  1.4 铝基复合材料体系及工艺设计  22-23
    1.4.1 基体材料的选择  22
    1.4.2 增强颗粒的选择  22-23
    1.4.3 制备工艺的选择  23
  1.5 铝基复合材料热加工行为的研究  23-25
    1.5.1 高温流变行为的研究  24
    1.5.2 铝基复合材料热加工图的研究  24-25
  1.6 铝基复合材料挤压工艺概况  25-27
  1.7 本文的研究内容  27-28
第二章实验材料和实验方法  28-33
  2.1 实验用原材料  28
  2.2 试验设备  28
  2.3 复合材料的制备工艺  28-30
    2.3.1 复合材料的合成和锭坯的制备  28-29
    2.3.2 挤压成型  29
    2.3.3 热处理  29-30
  2.4 分析测试方法  30-32
    2.4.1 高温压缩实验  30-31
      2.4.1.1 高温压缩设备简介  30
      2.4.1.2 高温压缩实验方法  30-31
    2.4.2 微观组织观察  31-32
    2.4.3 力学性能测试  32
    2.4.4 显微硬度测试  32
  2.5 本章小结  32-33
第三章铝基复合材料高温流变行为的研究  33-43
  3.1 引言  33
  3.2 实验材料及方法  33-34
  3.3 TiB_2/Al-Si-Mg-Cu 复合材料的流变行为  34-42
    3.3.1 TiB_2/Al-Si-Mg-Cu 复合材料真应力—真应变曲线分析  34-38
      3.3.1.1 相同温度下的真应力—真应变曲线  34-35
      3.3.1.2 相同应变速率下的真应力—真应变曲线  35-36
      3.3.1.3 真应力—真应变曲线分析  36-38
    3.3.2 TiB_2/Al-Si-Mg-Cu 复合材料的本构方程  38-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章铝基复合材料热加工图的研究  43-59
  4.1 引言  43
  4.2 材料热加工图的理论基础  43-48
    4.2.1 动态材料模型（DMM）  43-47
    4.2.2 Prasad 失稳判据准则  47-48
  4.3 热加工图的绘制方法  48-49
  4.4 TiB_2/Al-Si-Mg-Cu 功率耗散图  49-51
    4.4.1 不同应变量下的功率耗散图  49-50
    4.4.2 功率耗散图分析  50-51
      4.4.2.1 温度对显微组织的影响  50-51
      4.4.2.2 应变速率对显微组织的影响  51
  4.5 TiB_2/Al-Si-Mg-Cu 热加工图  51-58
    4.5.1 TiB_2/Al-Si-Mg-Cu 失稳图  51-52
    4.5.2 热加工图  52-54
    4.5.3 热加工图分析  54-58
  4.6 本章小结  58-59
第五章铝基复合材料力学性能的测试  59-67
  5.1 引言  59-60
  5.2 反挤压实验  60
  5.3 显微硬度测试  60-63
  5.4 拉伸性能测试  63-65
  5.5 本章小结  65-67
第六章结论  67-69
参考文献  69-77
附录1  77-78
致谢  78-79
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  79-81

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