论文部分内容阅读
钛基复合材料被认为是一种非常有前景的轻质高强材料,有望应用于航空航天等领域。石墨烯具有超高的弹性模量、断裂强度、热导率、载流子迁移率等优异的性能,是一种有潜力的增强体材料,但作为碳纳米结构材料,在与金属基体的复合过程中不可避免会遇到团聚和界面结合的问题。本文通过大塑性变形——轧制工艺有效改善石墨烯的团聚以及与基体结合较差的问题,主要开展了轧制过程石墨烯(Graphene Nanoplatelets,GNPs)/Ti复合材料微观组织的演变过程与轧制工艺参数对GNPs/Ti复合材料微观组织和力学性能的影响规律研究。开展了GNPs/Ti复合材料轧制过程的微观组织演变规律的研究。利用机械球磨和SPS烧结工艺制备GNPs/Ti复合材料,设计了3道次热轧制实验,采用OM、SEM和EBSD分析每道次过后GNPs/Ti复合材料的微观组织,并与纯Ti做了对比,在相同轧制条件下,GNPs/Ti复合材料的基体晶粒明显小于纯Ti晶粒,纤维组织更加明显,说明GNPs的加入阻止了基体晶粒的长大,促进了基体晶粒沿着轧制方向的变形。在轧制过程中,烧结产生的团聚GNPs簇被分散开,GNPs横向尺寸减小。与纯Ti相比,GNPs/Ti复合材料的室温抗拉强度提高了24%,达到680 MPa。研究了轧制变形量对GNPs/Ti复合材料组织与性能的影响规律。对SPS烧结后的GNPs/Ti复合材料进行了轧制变形量分别为50%、60%、70%和80%的轧制加工。研究发现随着变形量的提高,GNPs/Ti复合材料的动态再结晶形核数增加,晶粒细化,基体横向织构越来越强,GNPs沿着轧制方向的取向性越来越明显,团聚的GNPs簇被打开,GNPs横向尺寸减小。当变形量达到80%时,GNPs/Ti复合材料中存在强烈的((?)41)[(?)9(?)8]和((?)24)[03(?)1]织构。GNPs/Ti复合材料的抗拉强度随着变形量的提高呈现先上升后下降的趋势,最高达到704 MPa,断后伸长率随着变形量的提高逐渐下降。不同变形量的GNPs/Ti复合材料在法向和轧制方向的动态强度基本随着应变率的增加而增大,50%变形量的GNPs/Ti复合材料法向的动态强度达到1419 MPa,动态塑性为29.8%。采用模拟计算的方法研究了GNPs的承载和转动、奥罗万强化以及晶粒细化对GNPs/Ti复合材料室温抗拉强度的影响。通过构建力学模型,发现GNPs的承载作用是GNPs/Ti复合材料主要的强化机制,GNPs的转动能提高GNPs/Ti复合材料的抗拉强度,细晶强化对GNPs/Ti复合材料抗拉强度的提升有限。研究了轧制道次对GNPs/Ti复合材料组织与性能的影响规律,并对GNPs/Ti复合材料的退火工艺进行了初步探索。对GNPs/Ti复合材料进行轧制道次为2、3、4、5道次的轧制加工,结果表明:随着道次的增多,再结晶的形核率逐渐小于长大率,再结晶的晶粒发生长大,横向织构的强度减弱,孪晶被更多的激活出来满足协调变形,GNPs的破坏程度增加。轧制道次对GNPs/Ti复合材料的抗拉强度影响不明显,塑性呈现先上升后下降的趋势。对4道次70%变形量的GNPs/Ti复合材料设计了三种不同温度的退火工艺,分析所获得GNPs/Ti复合材料的微观组织和力学性能,结果发现随着退火温度的提高,孪晶逐渐消失,细小的再结晶晶粒增多。力学性能方面,退火后的GNPs/Ti复合材料塑性明显提高,但强度下降。