网状al3zral2o3np6061复合材料制备及力学性能-preparation and mechanical properties of reticulated al _ 3 zral _ 2o _ 3 np _ 6061 composite.docx

Classified Index：TB 331 U.D.C：621 Dissertation for the Master Degree in Engineering FABRICATION AND PROPERTIES OF (Al3Zr+Al2O3np)/6061 COMPOSITES WITH REINFORCEMENT NETWORK DISTRIBUTION Candidate： Song Fang Supervisor： Associate Prof. Guisong Wang Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Materials Science Affiliation： School of Materials Science and Engineering Date of Defence： June, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 传统增强相均匀弥散分布铝基复合材料过分追求高强度，但增强相的均匀分 布将基体严重割裂，影响基体的塑性变形，使复合材料塑性韧性变差。并且，以 往本课题组对于网状铝基复合材料的研究主要集中于总体积分数 10%，导致了复 合材料内部局部体积分数过高，同样影响复合材料强度和塑性的发挥。本文依据 H-S 理 论 ， 设 计 硬 质 陶 瓷 增 强 相 颗 粒 包 围 软 质 基 体 的 非 连 续 网 状 结 构 (Al3Zr+Al2O3)/6061 铝基复合材料，并降低体积分数，制备出体积分数分别为 1%、 3%、5%的烧结态、挤压态、热处理态复合材料，并采用扫描电镜(SEM)，X 射 线衍射(XRD)等手段对复合材料组织结构进行分析，并测定不同体积分数及不同 状态对复合材料硬度、室温拉伸、室温弯曲、室温断裂等力学性能及致密度的影 响。分析增强相体积分数和热挤压和热处理对复合材料影响。 选取 200rpm 及 2h 的低能球磨混料工艺对 ZrO2 和 6061 铝合金粉末进行混合， 探究反应温度及保温时间对复合材料组织演化影响，确定原位反应最佳工艺为 850oC，保温 90min，并采用三步法制备(Al3Zr+Al2O3)/6061 铝基复合材料。 SEM 及 XRD 表明原料 ZrO2 与 6061 铝合金基体充分反应生成 Al3Zr 和 Al2O3， 呈非连续网状分布在 6061 铝合金颗粒周围。经热挤压变形后，球状 6061 铝合金 颗粒被拉长，变成椭球状。横向组织网状尺寸缩小，增强相 Al3Zr 颗粒尺寸变小。 纵向截面网状尺寸被拉长，增强相颗粒平行于挤压方向分布，基体连通性提高， 孔洞等缺陷降低，复合材料致密度提升，并且晶粒细化。 热挤压变形使材料致密度提高，各体积分数下复合材料致密度均接近 99%， 并且随体积分数增大，致密度有一定程度下降。维氏硬度试验表明，从基体区域 到增强体颗粒边界处硬度逐渐上升。经挤压变形及热处理组织优化后，硬度提高。 体积分数增大对基体区域硬度影响不大，而增强体富集区域硬度随之增大。 室温拉伸试验表明，网状结构复合材料有着优良的塑性，强度随体积分数增 加而增大，延伸率呈下降趋势。经热挤压变形不仅可以提升强度，而且同时增大 复合材料塑性。各体积分数下，热挤压态复合材料强度分别提升至 179.9MPa、 199.4MPa、210.8MPa，塑性分别为 20.1%、17.8%、16.9%。(Al3Zr+Al2O3)/6061 铝基复合材料弯曲变形能力优良，挤压态的材料经弯曲后均未出现宏观裂纹，且 抗弯强度较高。断裂韧性方面，低体积分数网状复合材料断裂韧性相对较低，但 载荷到达峰值后，应力下降较为缓慢，特殊的网状结构可以有效降低裂纹扩展的 速率。 关键字：低体积分数；(Al3Zr+Al2O3)/6061 体系；网状结构；原位反应；室温性 能 -I- Abstract Traditional aluminum matrix composites with high volume fraction and evenly distributed reinforcement own the high strength and toughness, but this kind of material always leads to the poor connection between matrixes, and the coordination of deformation between matrixes