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成分连续Al/Al-Cu梯度材料的制备及力学性能

丛茜  
【摘要】:本工作采用粉末冶金法制备Al/Al-Cu梯度材料,烧结工艺为600℃、25 MPa下真空热压烧结1 h。对烧结后的梯度材料进行显微组织、成分以及力学性能测试。分析结果表明,烧结后的梯度材料组织致密、没有明显的缺陷和裂纹,析出的CuAl2相弥散分布在基体的晶界处,沿梯度方向Cu成分连续分布。显微硬度呈连续递增趋势,至4% Cu侧硬度达到最大值80 HV,大约为纯Al试样硬度值的两倍;弯曲强度为166.40 MPa,超过纯Al试样的一倍,这是由于材料基体中析出CuAl2相强化的作用。分析三点弯曲试样断口形貌可知,随着Cu含量增加,材料断裂形式由韧性断裂向脆性断裂过渡。 以显微硬度的变化为表征,研究梯度材料的热处理,最终获得最优热处理工艺为:原始试样503℃下固溶3 h,水冷淬火,而后150℃下人工时效15 h。 研究热处理对梯度材料组织、成分和力学性能的影响,可见,梯度材料经过固溶、人工时效处理后,第二相在基体中的分布发生明显变化。经固溶处理,位于晶界处的CuAl2几乎都溶入到基体中,水冷后,室温下形成过饱和固溶体。时效阶段不稳定的过饱和固溶体脱溶,基体晶内析出大量片状的θ"相和少量针状的θ'相,这时达到峰时效状态。组织分布的变化同时也引起了材料的强化机制的转变:第二相CuAl2强化→固溶强化→脱溶相(θ"和少量θ'相)弥散强化,材料的整体强度、硬度逐渐增强;成分上,由于热处理过程中的高温扩散, Cu元素分布更为连续,梯度材料过渡区成分起伏减小,局部区域成分不均匀性得到改善。热处理后梯度材料的弯曲性能得到了较大幅度的提高,断口形貌趋于脆性断裂特征。 在恒加载点位移速率条件下,梯度材料蠕变裂纹扩展分为慢速扩展和稳态扩展两个阶段。蠕变裂纹扩展速率da/dt与应力场强度因子K的对应关系不明显,而与净截面应力σnet之间有很好的对应关系,其对应关系式为da/dt=1.24σnet1.73。对裂纹扩展路径分析可得,蠕变裂纹扩展初期,空洞最先在晶界附近形核并长大,在预制裂纹前端逐渐聚集形成微裂纹,主裂纹是沿着其中某个微裂纹扩展而产生的。在蠕变裂纹扩展的稳态阶段,出现很多裂纹的偏折和分枝。裂纹扩展到两层过渡区时,由于Al-4%Cu层的强度比较高,并有硬质相存在,导致蠕变裂纹阻力增大,裂纹扩展速率降低。蠕变裂纹扩展断口形貌呈韧性沿晶断裂特征。


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