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CNTs/Al-Cu复合材料热加工变形行为的研究

杨柳  
【摘要】:21世纪以来,随着碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)的规模化生产和价格大幅度下降,CNTs/Al复合材料以其作为轻量化结构材料的巨大发展潜力,逐渐成为新一代轻量化金属基复合材料开发的主攻方向。自从片状粉末冶金法发明以来,其制备工艺及生产出的材料的力学性能受到广泛关注。据了解,对片状粉末冶金法制备的铝基复合材料的高温变形行为的研究还比较少。在Gleeble 3500热模拟试验机上对挤压态的CNTs/Al-Cu复合材料及Al-Cu基体合金材料进行热压缩实验,变形参数为温度300-450℃,应变速率0.01-10.0s-1。研究两组材料在热变形过程中的高温流变行为,建立材料的流变应力本构方程,分析变形条件对变形过程中的热激活能的影响,并且基于动态材料模型建立起两组材料在不同应变下的加工图,获得在该应变下加工的最优加工区域。主要结论如下:①温度和应变速率对材料的流变行为有明显的影响。特定温度下,流变应力随着应变速率的增加而急剧增加;特定应变速率下,流变应力随着温度的升高而急剧降低。②片状粉末冶金法制备的CNTs/Al-Cu复合材料,叠层高度有序化,CNTs沿叠层方向均匀分散,此时CNTs对可动位错及晶界的钉扎作用远远大于第二相Al2Cu粒子的作用效果。沿叠层方向均匀分布的CNTs对可动位错及晶界进行钉扎,严重增加了位错开动的阻力,导致位错运动的势垒增大,因而复合材料变形过程中的流变应力、激活能等明显大于基体合金材料。③在本论文采用的变形条件中,挤压态CNTs/Al-Cu复合材料及其基体合金材料的高温流变形为可用双曲正弦关系来表述,也就是说材料的热压缩变形过程受激活能的影响。得出实验条件下的两组样品的关于Z参数的稳态流变应力方程如下:1)基体Al-Cu合金材料其中Z=εexp(226.1×103/RT)。2)挤压态CNTs/Al-Cu复合材料其中Z=圭exp(327.7×103/RT);④基体Al-Cu合金材料和挤压态CNTs/Al-Cu复合材料在进行热变形时最优加工工艺参数分别为:300-350℃/4.48-12.18s-1;350-380℃/2.7-7.4s-1。


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