納米結(jié)構(gòu)Al-1％Si合金的組織、熱穩(wěn)定性及力學(xué)行為研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)純金屬有很高的強度,但面臨兩個最基本的問題:一是因界面密度高,材料中的儲存能高而導(dǎo)致的熱穩(wěn)定性下降的問題;另一個是因加工硬化能力下降而導(dǎo)致的塑性嚴重降低。在本論文工作中,設(shè)計制備了一種納米結(jié)構(gòu)Al-1％Si合金,該合金以超高純鋁(99.9996％)為基體,在基體中彌散分布了質(zhì)量比1％的Si第二相。目的是研究彌散分布的納米顆粒第二相對于納米結(jié)構(gòu) Al-1％Si材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)行為的影響,以期探尋一種優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)性

2、能的新方法。
　　由于室溫下Si在超高純鋁基體中的固溶度幾乎為零,因而1％的Si元素都以第二相的形式彌散分布在基體中。通過將熱軋后的材料進行98％形變量的冷軋,獲得了用于研究其熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的納米結(jié)構(gòu)材料。通過對冷軋和不同工藝下熱處理后材料的力學(xué)行為進行系統(tǒng)的測試,以及利用透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)和高分辨 EBSD等方法對材料的微觀組織進行了系統(tǒng)表征,得出以下結(jié)論:
　　通過冷軋變形制備出了ND方向(Nor

3、mal Direction)平均界面間距為230nm、RD方向(Rolling direction)平均界面間距為950nm和基體中彌散分布著尺寸約為20nm的Si顆粒相的層狀納米結(jié)構(gòu)材料。Si第二相顆粒絕大多數(shù)都沿晶界分布,對材料的形變組織起到了很好的穩(wěn)定作用。制得的納米結(jié)構(gòu) Al-1％Si材料的屈服強度為210MPa,拉伸強度為230MPa,拉伸延伸率為15％。與文獻中利用ARB制備的高純鋁(99.99％)與工業(yè)純鋁Al1050(9

4、9.5％)和Al1100(99.2％)相比較,納米結(jié)構(gòu)Al-1％Si材料具有最好的強塑匹配。
　　通過對納米結(jié)構(gòu) Al-1％Si材料在大溫度范圍內(nèi)(100-600℃)的熱穩(wěn)定性進行研究發(fā)現(xiàn),納米結(jié)構(gòu)Al-Si材料在200℃以下退火1小時只發(fā)生回復(fù);當退火溫度大于200℃時,材料發(fā)生再結(jié)晶形核與長大;在200~250℃之間退火1小時,材料發(fā)生部分再結(jié)晶,當退火溫度高于250℃時,材料在1小時內(nèi)完全再結(jié)晶?；w中的納米尺寸第二相Si顆

5、粒在受熱過程中發(fā)生粗化,退火溫度越高,顆粒的平均尺寸越大。盡管在材料中有少量直徑在數(shù)微米的粗大的第二相Si顆粒,在其周圍形成的高形變區(qū)內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的PSN(Particle Stimulated Nucleatin)現(xiàn)象,這是由于周圍基體的彌散顆粒對界面移動的釘扎作用所致。認為粗大第二相顆粒對于材料的熱穩(wěn)定性不產(chǎn)生重要影響。98％冷軋形變后的Al-1％Si材料在較低溫度下再結(jié)晶退火后形成近似隨機織構(gòu),在高溫下退火時再結(jié)晶的性質(zhì)與傳統(tǒng)

6、的鋁和鋁合金形變材料類似,形成旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu),退火溫度越高,織構(gòu)越強。
　　在相同的溫度范圍內(nèi)還對材料的力學(xué)行為進行了系統(tǒng)研究。納米結(jié)構(gòu)Al-1％Si合金在回復(fù)階段(<200℃退火)強度隨退火溫度的增加下降較快,而塑性(總延伸率)變化不大,保持在15％的水平。這與納米結(jié)構(gòu)工業(yè)純Al回復(fù)退火造成的拉伸塑性急劇下降形成鮮明對比。并且,在Al-1％Si合金并沒有出現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)工業(yè)純鋁在中溫退火條件下所出現(xiàn)的屈服點現(xiàn)象,即沒有發(fā)現(xiàn)屈服點和Lü

7、ders帶的形成。Al-1％Si合金的Hall-Petch系數(shù)(斜率)是粗晶(>10?m)純Al的Hall-Petch系數(shù)的2倍,表明對于所研究的Al-1％Si合金可通過細化晶粒,更有效地實現(xiàn)強化。以上結(jié)果表明形變和退火材料的拉伸穩(wěn)定性得到了顯著提升,這與基體中彌散的Si顆粒阻止了基體中位錯組織的回復(fù)、促進了拉伸過程中與運動位錯的交互作用從而提高加工硬化能力有關(guān)。
　　通過與文獻報導(dǎo)的具有類似名義成分(99％)的納米結(jié)構(gòu)工業(yè)純 A