SiCp/7090Al复合材料塑性变形行为与机械热疲劳研究

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本论文实验基于材料高温塑性变形本构方程及热加工图理论基础研究了轧制工艺及热处理对SiCp/7090Al复合材料板材组织及性能的影响、复合材料机械热疲劳的裂纹扩展和寿命预测,为进一步开发铝基复合材料塑性变形性能以及铝基复合材料疲劳性能提供依据。实验主要得出结果如下:(1)本论文基于SiCp/7090Al复合材料热压缩本构方程和热加工图,得到最适合复合材料热加工的温度范围为400℃-475℃,应变速率范围为0.0001s-1-0.001s-1,并通过对复合材料显微组织的观察对热加工图进行验证。将本构模型的计算值和实验值对比得最大平均误差为9.59%,能够精确描述球墨铸铁的热压缩流变应力行为,为优化复合材料高温塑性成形工艺提供了数据基础和理论依据。(2)实验得出最佳轧制工艺和热处理工艺。轧制温度为450℃,复合材料显微组织SiC颗粒团聚现象基本消除,分布均匀度达到最大最高,抗拉强度达到最大值为455MPa,伸长率为5.33%。固溶处理温度为475℃、保温时间2.5h,材料硬度值达最大值164.3HV。经拉伸实验得到材料经最优固溶工艺处理后的抗拉强度为465MPa,伸长率为9.6%。对最优固溶工艺下的板材进行时效处理,当时效温度为140℃,时间为15h,显微硬度达到最大值205.8HV。经拉伸实验得到经最优时效处理后的材料抗拉强度为605MPa,伸长率为5.6%。(3)由于基体上的热应力状态是残余拉应力-压应力-拉应力循环变化的过程,随着热疲劳实验的进行,基体与界面上会形成累积塑性应变损伤,最终导致疲劳裂纹的萌生。实验过程中发现机械热疲劳裂纹都萌生于夏氏V型缺口根部,在相同循环次数下,随着上限温度的升高,裂纹长度会更长,裂纹扩展速率会更快;在相同温度条件下,未热处理的试样相比于热处理后试样更早出现裂纹,裂纹扩展速率会更快。(4)疲劳裂纹在SiC颗粒和Al基体中的扩展不同,疲劳裂纹在7090Al基体中的扩展形式主要表现为非连续性扩展,即裂纹扩展到Al基体受阻,在热应力的作用下,以“搭桥”的方式穿越Al基体;由于SiC颗粒的断裂强度大于SiC与铝基体间的界面结合强度,故热疲劳微裂纹主要以界面剥离的形式通过SiC区域。(5)实验验证得出,材料疲劳裂纹扩展在paris区间内经历时间最长,扩展速率较为缓慢,在进入稳态撕裂的裂纹扩展区后,裂纹扩展速率几乎呈指数增长,直至试样断裂。在热应力与热应变集中的影响下,夏氏V型缺口根部的损伤最为严重,试样的疲劳寿命预测最低为558.1万次。
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