有關材料學的論文參考例文

　　材料化學專業的基礎課程主要涉及物理學、熱力學、材料化學、冶金學、電化學等方面知識，特別是無機化學、物理化學。下文是小編為大家蒐集整理的的內容，歡迎大家閱讀參考!

　　篇1

　　淺談2024Al/Gr/SiCp複合材料耐熱效能

　　顆粒強化鋁基複合材料具有密度小、比強度和比剛度高、彈性模量高和熱膨脹係數低等優點，已在航空航天、交通領域得到非常廣泛的應用[1].隨著近年來航空航天工業的迅猛發展對材料提出了更高的要求，為了進一步提高飛行器的效能，開發混合顆粒強化鋁基複合材料越來越受到人們的關注[2-4].混合顆粒強化鋁基複合材料結合了不同增強相顆粒所帶來的優勢，使其具有多種獨特的效能，例如SiC顆粒與石墨混合強化鋁基複合材料不僅具有高彈性模量，還具有良好的耐磨效能和阻尼效能[5-8].2024Al合金屬於可熱處理強化鋁合金，耐熱性也比較優異[9].通過在合金中複合新增SiC顆粒和片狀石墨，可以進一步提高其模量和阻尼效能，這種混雜增強的 2024Al/Gr/SiCp複合材料在航天飛行器支撐結構件上有重要的應用價值.然而，目前關於 2024Al/Gr/SiCp複合材料耐熱效能的報道很少.本文研究 2024Al/Gr/SiCp複合材料的高溫拉伸效能及長時間熱暴露後的室溫力學效能，同時對拉伸斷口進行分析，探討SiC顆粒和石墨對材料的耐熱效能的影響.

　　1實驗方法

　　實驗所用的惰性氣體霧化2024Al合金粉末、鱗片狀石墨和SiC顆粒的形貌如圖1所示.2024Al合金粉末的化學成分質量分數為3.53%Cu，1.28%Mg，0.2%Fe，餘量為Al.石墨和SiC顆粒的加入量分別為3%和10%質量分數

　　採用真空熱壓粉末錠坯擠壓成形法制備了2024Al，2024Al/3Gr，2024Al/3Gr/10SiCp3種複合材料板.採用的擠壓溫度為470 ℃，擠壓比為22∶1，板材的截面尺寸為40 mm×10 mm.

　　將擠壓板材進行峰值時效處理後，分別在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃熱暴露不同時間，測量其硬度變化規律及室溫拉伸效能.採用HBRVU187.5型布洛維光學硬度計進行布氏硬度測試，載入載荷為612.9 N，保荷時間為30 s，每個試樣測試5個點，捨去最大值和最小值後取平均值作為測量值.在Instron3369電子萬能試驗機上進行室溫拉伸效能測試，拉伸速度為0.5 mm/min，每種試樣測量3個並取平均值作為測量值，拉伸試樣斷口形貌在Hitachi S4800型場發射掃描電子顯微鏡SEM上進行觀察.金相組織觀察在Carl ZeissAxio Lab A1型光學顯微鏡上進行.

　　2實驗結果

　　2.1微觀組織

　　圖2為 2024Al/Gr/SiCp複合材料分別在150 ℃，200 ℃和300 ℃熱暴露48 h後的金相組織.從圖中可以看出，2024Al合金及複合材料在不同溫度熱暴露48 h後，在材料的金相組織中沒有觀察到明顯的變化.2024Al合金粉末顆粒沿擠壓方向被拉長，SiC顆粒及石墨均勻分佈在基體中，且與基體具有良好的介面結合.比較圖2a， d， g和圖2b， e， h可以發現，隨著熱暴露溫度的升高，基體合金的晶粒尺寸逐漸增大，這是因為高溫下，基體合金中溶質原子的擴散速度加快，導致晶粒和第二相尺寸的增加.圖2c， f， i為2024Al/3Gr/10SiC複合材料的金相組織，因SiC顆粒的加入且為擠壓變形組織，在進行金相組織時無法腐蝕顯現出明顯的晶粒，但根據上述結果可以推斷其晶粒尺寸變化趨勢與基體合金大致相同.此外，複合材料增強相，尤其是硬質SiC顆粒的加入，會阻礙熱暴露時晶粒的長大.

　　2.2硬度曲線

　　圖3為2024Al合金及其複合材料分別在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃熱暴露96 h過程中的硬度值隨時間延長的變化曲線.從圖中可以看出，材料熱暴露後的硬度均有所下降，且隨著熱暴露溫度升高，材料硬度下降的幅度增大;在200 ℃時硬度下降的幅度最小，在300 ℃時硬度下降的幅度最大.這是因為熱暴露溫度越高，溶質原子擴散速度越快，第二相長大或粗化速度也越快，同時晶粒長大的趨勢也越明顯.在相同溫度下，開始階段材料的硬度下降比較明顯，隨著保溫時間的延長，最後的硬度變化曲線處於平穩狀態，幾乎不發生改變.比較2024Al/3Gr/10SiC複合材料與2024Al/3Gr複合材料的硬度曲線可見，加了SiC顆粒的複合材料硬度值下降幅度比未加SiC的材料的小.比較2024Al/3Gr複合材料與基體合金的硬度變化曲線發現，隨著熱暴露溫度升高，2024Al/3Gr複合材料硬度下降幅度比2024Al合金基體在相同溫度下硬度的下降幅度小.這是因為片狀石墨和SiC顆粒與基體合金之間的熱膨脹係數存在差異，淬火時會在基體合金中引入大量位錯，對材料具有強化作用.

　　從整體來看，在200 ℃及以下熱暴露時，2024Al/Gr/SiCp複合材料的硬度效能曲線比較平穩.含SiC顆粒的複合材料耐熱效能最好，含石墨的複合材料耐熱效能次之，基體合金的耐熱效能最差.在300 ℃熱暴露時， 2024Al/Gr/SiCp複合材料的硬度效能曲線下降趨勢明顯加快.高溫下，基體合金中位錯攀移、晶粒長大及第二相粗化導致材料的硬度下降的作用比複合增強相的強化作用更明顯，所以溫度越高，硬度越低.通常AlCuMg系合金的正常服役溫度一般在150 ℃以下，超過該溫度後，材料的力學效能會下降[9].而本文研究製備的 2024Al/Gr/SiCp複合材料具有較好的耐熱效能，主要是因為加入的SiC顆粒和石墨顆粒能夠阻礙熱暴露過程中的晶粒長大及阻礙位錯的運動. 　　2.3拉伸效能

　　圖4為在不同溫度下熱暴露12 h後材料的室溫抗拉強度變化規律及拉伸曲線.由圖可見，材料的強度隨著熱暴露溫度的升高逐漸降低，但整體仍具有較高的強度.在200 ℃及以下，材料的整體抗拉強度下降幅度不大，具有良好的耐熱效能.對比2024Al合金基體與複合材料的抗拉強度變化，可以發現基體合金的抗拉強度下降幅度更大.2024Al合金在150 ℃時抗拉強度為480 MPa，200 ℃時抗拉強度為394 MPa，下降了約90 MPa;而2024Al/3Gr/10SiCp複合材料在150 ℃時抗拉強度為424 MPa，200 ℃時抗拉強度為404 MPa，下降幅度僅為20 MPa.在300 ℃保溫12 h後，材料的抗拉強度下降幅度較大.這與硬度曲線變化規律分析得到的結論相吻合，在200 ℃及以下溫度，2024Al合金及其複合材料的力學效能下降幅度較小，在300 ℃時力學效能快速下降.在200 ℃及以下溫度，由於SiC顆粒及石墨的加入，能釘扎位錯和晶界，阻礙位錯運動和晶粒長大，有效地提高材料的耐熱效能.當在300 ℃時，位錯和晶界運動驅動力增大，晶粒及第二相長大趨勢明顯，材料的強度下降.

　　比較 2024Al/Gr/SiCp複合材料室溫及在150 ℃保溫12 h後的抗拉強度，可以發現，經150 ℃熱暴露12 h後，2024Al合金及複合材料的抗拉強度均有小幅的升高.部分學者[10-12\]在研究AlCuMg系鋁合金的耐熱效能時也發現過類似現象.魏修宇等[12]在研究2197Al合金的高溫拉伸效能及長時間熱暴露後的室溫力學效能時發現，在低於150 ℃的溫度下熱暴露100 h後，2197Al合金的強度提高了15 MPa左右，將其原因歸結為：合金經過160 ℃ /16 h時效處理後，仍殘留有部分的過剩溶質原子，當合金在150 ℃及以下長時間暴露時，會二次析出細小彌散的θ'Al2Cu強化相.本實驗的基體合金中Cu含量較高，基體中除了存在SAl2CuMg相，多餘的Cu原子會形成θ'Al2Cu相.θ'相作為Al2Cu相的過渡相，其在150 ℃熱暴露時在基體中析出的可能性很大.因此，θ'相的二次析出可能是2024Al合金基體及其複合材料在150 ℃熱暴露後，強度有所提高的主要原因.

　　圖5為2024Al合金及其複合材料在200 ℃下分別熱暴露12 h，24 h和48 h後的室溫抗拉強度變化趨勢及相應的拉伸曲線.由圖可見，隨著保溫時間的延長，2024Al合金及其複合材料的抗拉強度均有小幅度的下降;相比於基體合金，複合材料的下降幅度更小.2024Al合金在200 ℃下保溫48 h後抗拉強度為340 MPa，比未經保溫處理的強度下降了140 MPa;2024Al/3Gr/10SiCp複合材料在200 ℃下保溫48 h後抗拉強度仍有366 MPa，比未經過保溫處理的強度僅下降了21 MPa.可見SiC顆粒和石墨的加入，減小了材料強度下降的幅度，提高了基體合金的耐熱效能.熱暴露保溫時間對材料伸長率的影響不大，隨著時間的延長，材料的伸長率一般都有小幅度的提高，基體合金伸長率的變化幅度在5%左右，複合材料的伸長率變化幅度在1%左右.

　　隨著熱暴露時間的延長，溶質原子擴散得更加充分，晶粒尺寸和第二相尺寸長大、位錯攀移運動程度加劇，導致材料的抗拉強度下降、伸長率上升.

　　圖6為2024Al合金及其複合材料在不同溫度下熱拉伸變形時的強度及相應的拉伸曲線.由圖可見，隨著拉伸溫度的升高，2024Al合金及其複合材料的抗拉強度均逐漸下降.在200 ℃及以下溫度，抗拉強度下降的幅度較小，在250 ℃及以上的溫度下拉伸時，抗拉強度下降幅度較大.在200 ℃時，2024Al合金、2024Al/3Gr和2024Al/3Gr/10SiCp複合材料仍具有較高的力學效能，抗拉強度分別為383 MPa，377 MPa及372MPa.比較2024Al及其複合材料的抗拉強度可知，複合材料的抗拉強度下降幅度比基體合金的小.

　　2.4斷口形貌

　　圖7為2024Al合金及其複合材料分別在150 ℃，200 ℃和300 ℃下熱暴露12 h的斷口形貌.由圖7abc可以看出，2024Al合金的斷口處出現了大量的韌窩，說明在拉伸過程中基體發生了塑性變形.隨著熱暴露溫度的升高，合金中的韌窩尺寸變

　　大.造成這種現象的原因與韌窩形成機理有密切聯絡.一般認為，韌窩主要由微孔聚合型斷裂形成，微孔聚合型的斷裂過程是在外力作用下，在夾雜物、第二相粒子與基體的介面處，或在晶界、相界、大量位錯塞積處形成微裂紋，因相鄰微裂紋的聚合產生可見微孔洞，以後孔洞長大、增殖，最後連線形成斷裂.因此，韌窩的形成與材料中的第二相粒子的特徵有關，Shakeri等[13]認為微孔在第二相顆粒附近形核，而且只有當顆粒尺寸在50～500 nm之間才對韌窩的形成有影響.所以當熱暴露溫度升高時，第二相顆粒的長大或粗化造成斷裂韌窩尺寸增大.一般情況下，韌窩尺寸越大，材料的塑性變形能力越好，伸長率也越高.這也解釋了拉伸結果中，隨著熱暴露溫度升高，合金的伸長率有一定程度升高的原因.

　　圖7def和ghi分別為2024Al/3Gr和 2024Al/Gr/10SiCp的斷口形貌.由圖可見，複合材料的斷口形貌具有兩個明顯的共同特徵：第一，斷口處存在斷裂的石墨;第二，基體合金斷口中存在大量的韌窩.觀察發現，隨著熱暴露溫度的升高，韌窩尺寸沒有明顯的變化.在 2024Al/Gr/10SiCp複合材料的斷口形貌中發現了坑洞，這是由於拉伸過程中SiC被拔出基體後留下的.2024Al/3Gr與2024Al/3Gr/10SiCp複合材料的斷口中韌窩尺寸變化不大，主要是受到SiC顆粒和石墨的影響.SiC顆粒和石墨的加入能阻礙基體合金在熱暴露時晶粒尺寸.根據前面分析可知，顆粒尺寸對韌窩的形貌具有一定程度的影響.在一定範圍內，第二相顆粒尺寸越小，韌窩尺寸也越小. 　　圖8為2024Al合金及其複合材料分別在150 ℃，200 ℃，250 ℃及300 ℃下拉伸的斷口形貌.由圖可見，2024Al合金在高溫下拉伸的斷口具有韌性斷裂的特徵，斷口中撕裂稜和韌窩較多.隨著溫度的上升，韌窩邊緣被拉長的程度增大，表明高溫下材料的塑性變形能力有所提高.這也解釋了圖6中拉伸曲線的變化情況，即隨著拉伸溫度升高，材料伸長率逐漸增大.2024Al/3Gr複合材料的斷口中存在大量斷裂的石墨，基體合金呈韌性斷裂，2024Al/3Gr/10SiCp複合材料的斷口處也存在斷裂的石墨，但沒有觀察到SiC顆粒，說明在高溫拉伸時SiC顆粒主要被拔出基體，基體合金呈韌性斷裂.在高溫下複合材料的基體合金中的韌窩呈現兩種形式：小而深的韌窩，大而淺的韌窩.靠近增強相附近的韌窩小而深，距離增強相較遠處的韌窩大而淺.這是因為顆粒附近的基體合金協調變形受到約束，導致韌窩小而深;而距離顆粒較遠的基體合金可以充分協調變形，因而表現為斷口上的韌窩大而淺.

　　3分析討論

　　材料在熱暴露過程中力學效能下降的主要原因是：基體的晶粒長大、溶質原子的急劇擴散以及強化相的長大或者粗化.因此提高材料的耐熱效能的主要途徑有：阻礙晶粒長大、選擇高溫穩定的第二相及新增陶瓷顆粒等.基體合金中析出的第二相的熱穩定性與其組成元素的擴散速率有關，同時第二相的形貌與基體的介面有關;其組成元素擴散速率越快，第二相尺寸越容易長大.增強顆粒自身效能穩定，在高溫下尺寸不發生變化，能有效阻礙位錯的滑移和晶界的遷移，提高材料的熱穩定效能[14].

　　2024Al/Gr/SiCp複合材料中主要的析出相為SAl2CuMg相和θAl2Cu相. 其中彌散強化相θ相具有正方結構，為類球形，常溫下具有較好的強化效果，但高溫下容易長大;SAl2CuMg相在常溫下具有良好的強化效果，且在高溫下也具有一定的強化作用.在200 ℃左右時，S相和θ相發生粗化，導致合金的效能下降，通常採用新增Ag、稀土元素等以形成複雜的耐高溫相來提高材料的熱穩定效能[15-16].本實驗中沒有新增此類元素，但材料在200 ℃及以下溫度具有良好的耐熱效能，隨著保溫時間的延長，材料的硬度和強度並沒有出現大幅降低.首先增強相SiC顆粒和石墨能改善材料的耐熱效能，SiC顆粒和石墨高溫下很穩定，尺寸幾乎不發生變化，在高溫下能有效地阻礙位錯的運動和晶粒的長大，提高材料的強度.其次，由於增強相SiC顆粒與基體熱膨脹係數差異很大，熱暴露實驗後，材料中形成大量的位錯，大量位錯與基體中的第二相相互作用，形成位錯纏結或者位錯網結構，能有效提高材料的強度，提高材料的耐熱效能.

　　4結論

　　1 2024Al合金及其複合材料在200 ℃及以下熱暴露時，隨著時間的延長，材料組織沒有明顯改變，其硬度和強度沒有出現明顯下降，具有較高的熱穩定效能.SiC顆粒和石墨均能提高複合材料的熱穩定性，但SiC顆粒的影響作用更明顯.

　　2 在300 ℃熱暴露時，2024Al合金及其複合材料的硬度和強度出現了較大幅度的降低.但 2024Al/Gr/SiCp複合材料的硬度和強度下降幅度均比2024Al合金的低.

　　32024Al及其複合材料的抗拉強度隨著拉伸溫度升高而下降，在200 ℃拉伸時，2024Al/3Gr/10SiCp的抗拉強度達到372 MPa.複合材料的強度下降幅度比2024Al合金的小，說明SiC顆粒與石墨加入能提高材料的耐熱效能.

　　4 高溫拉伸及熱暴露後的2024Al合金的斷裂機制為韌性斷裂， 2024Al/Gr/SiCp複合材料的斷裂機制為基體韌性斷裂、石墨斷裂及SiC顆粒與介面分離的混合斷裂機制.

　　>>>下頁帶來更多的