颗粒增强8009铝基复合材料热变形行为研究

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由于合金内部存在高体分的Al12(Fe,V)3Si纳米弥散相,耐热Al-Fe-V-Si系8009铝合金具有高强度、高温热稳定性等优良性能。颗粒增强8009铝基复合材料则可以进一步改进合金的综合性能,如使合金具有高弹性模量、低热膨胀性和高耐磨性,从而可以用来制备汽车发动机缸套、缸盖和活塞等零部件,以满足汽车轻量化、节省能源、减少环境污染及降低生产成本的要求。但是,由于增强颗粒的热膨胀系数与基体铝合金相差较大,易造成复合材料内部出现高的应力从而导致其塑性加工性能远不及基体铝合金。因此,对颗粒增强8009铝基复合材料开展热变形研究,能够为制定其合理的热加工工艺提供理论支撑和技术指导,同时拓宽耐热铝基复合材料的应用范围。本文以粉末直接热挤压法制备的体积含量均为15%的SiC和Al2O3颗粒增强8009铝基复合材料(SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料)为研究对象,在变形温度为400-550℃、应变速率为0.001-1s-1的变形条件下进行高温热压缩实验。通过流变应力分析,建立本构模型和加工图,并结合XRD、SEM及TEM等微观组织表征手段,系统研究和比较这两种颗粒增强8009铝基复合材料的热压缩变形行为。同时,通过变形温度为350℃以下不同温度和应变速率为0.001-0.1s-1变形条件下的等温拉伸实验和拉伸断口SEM分析,研究了这两种复合材料的室温及高温拉伸变形行为。主要研究结果如下:(1)探明了粉末直接热挤压法制备的SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形流变应力的变化规律,构建了含Zener-Hollomon参数Z值的双曲正弦形式的本构方程,并确立了材料热变形激活能等材料参数。SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形时的流变应力随应变的增加而迅速增大,达到峰值应力之后保持不变。流变应力和应力峰值均随着变形温度的升高而减小,随着应变速率的减小而减小。流变应力本构分析表明:SiCp/8009铝基复合材料热压缩变形时,流变应力与应变、应变速率及温度之间的关系可以用含Zener-Hollomon参数Z值的双曲正弦形式描述,其变形激活能范围为481-495kJ/mol。而Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形时,峰值应力与应变速率及温度之间的关系也可以用含Z值的双曲正弦形式方程式描述,其热变形激活能的平均值为502.19 kJ/mol。(2)基于动态材料模型构建了SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形时的加工图,并综合功率耗散效率因子和微观组织分析确定了优化的热加工工艺参数条件。SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形时优化的热加工参数范围分别为:500-550℃/0.001-0.02s-1和530-550℃/0.001-0.01s-1。(3)揭示了变形温度、应变速率,即Z值对SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形的影响规律及热变形过程中的动态软化机制。SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形行为均归因于铝合金基体中存在的高体分Al12(Fe,V)3Si纳米弥散相所产生的强烈动态回复机制。同时,这些纳米弥散相阻碍了增强颗粒和合金基体之间的协调变形,并且随着Z值的增大,增强颗粒和合金基体之间的协调变形能力逐渐变差。基于热压缩变形行为的分析,分别探明了SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料热压缩变形过程中位错、增强颗粒、弥散相Al12(Fe,V)3Si和基体之间的相互影响机理。(4)阐明了SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料室温及高温拉伸变形行为。SiCp/8009铝基复合材料室温拉伸时的极限抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率分别为419.8MPa、355.5MPa和7.6%,而Al2O3/8009铝基复合材料分别为326.7MPa、300.1MPa和4.8%。SiCp/8009和Al2O3/8009两种铝基复合材料高温拉伸时的极限抗拉强度和屈服强度均随着变形温度的升高和应变速率的减小而减小。除Al2O3/8009铝基复合材料在应变速率为0.1s-1时外,两种复合材料在其它变形速率下的拉伸断裂延伸率均随着变形温度的升高先轻微减小,之后随着变形温度的升高而增大。SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料高温拉伸时的最大断裂延伸率分别为9.9%和5.1%,最小断裂延伸率分别为4.2%和3%。两种复合材料高温拉伸时的加工硬化率均随着真应变的增大先迅速增大,直至峰值之后随着真应变的增大而减小。另外,在相同的变形条件下,SiCp/8009铝基复合材料的极限抗拉强度、屈服强度、拉伸断裂延伸率和加工硬化率均高于Al2O3/8009铝基复合材料。(5)揭示了SiCp/8009和Al2O3/8009铝基复合材料室温及高温拉伸变形断裂行为与机制。与球形Al2O3颗粒增强的8009铝基复合材料相比,不规则状SiC颗粒增强的8009铝基复合材料展现了更好的强化效果。SiCp/8009铝基复合材料高温拉伸时的断裂机制是以合金基体微孔聚集形式的延性断裂为主,以SiC增强颗粒的断裂以及极少量的颗粒拔出为辅。而对于Al2O3/8009铝基复合材料来说,Al2O3增强颗粒与铝基体之间的结合强度较弱,从而导致Al2O3增强颗粒与基体界面的脱粘是其高温拉伸变形时主要的破坏机制,同时伴随着极少量的延性断裂。
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