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(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(rèn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(xiàn)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