SiC nw /Al復(fù)合材料中層錯形成機理及其與位錯交互作用研究
發(fā)布時間：2022-01-14 08:03
在鋁基體中加入增強體可以大幅度提高其強度,但是不可避免地導(dǎo)致塑性的劣化。因而獲得強度和塑性同步提升的鋁基復(fù)合材料一直以來都是人們所關(guān)注的熱點之一。近年來的研究發(fā)現(xiàn),在鋁中引入層錯或微孿晶這樣一些面缺陷,能夠在一定程度上改變鋁的變形行為,實現(xiàn)強度和塑性的同時提升。但目前而言,在鋁中引入層錯或?qū)\晶的工作大多出現(xiàn)在納米晶或納米薄膜中,在尺寸較大的塊體材料中未見報道過。本文在課題組多年鋁基復(fù)合材料研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出了依靠Si C納米線搭建納米空間,填充鋁液制成鋁基復(fù)合材料,利用SiC納米線和鋁基體的熱應(yīng)力誘導(dǎo)層錯或?qū)\晶形成的技術(shù)路線。在制備的復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)大量層錯及微孿晶,表現(xiàn)出非常優(yōu)異的力學(xué)性能。本文采用壓力浸滲法制備了30vol.%SiCnw/Al復(fù)合材料,為進一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能對其進行了應(yīng)力均勻化和三向熱約束變形處理。本文通過基于ANSYS有限元模擬平臺對復(fù)合材料基體中的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)進行了模擬,可以看出:納米線的間距越窄,基體中的殘余應(yīng)力越高;隨著距界面距離的增大,應(yīng)力逐漸減小;尖端處更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。殘余應(yīng)力分布的這些特征與實驗中觀察到:體積分數(shù)...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：95 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
0.3%應(yīng)變時MD模型的位錯組態(tài)[8]
哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-5-于前面所提到的晶界(GB)發(fā)射不全位錯的模型，而是全位錯(1/2<110>)在晶粒內(nèi)部均勻形核并拓展成兩個Shockley不全位錯(1/6<112>)，當(dāng)有一個不全位錯在鋁的{111}面上滑過時，則留下一層內(nèi)稟型層錯(IntrinsicStackingFault)，當(dāng)兩個相鄰的{111}原子面都有拓展位錯滑過時則留下兩個原子層厚度的外稟型(ExtrinsicStackingFault)層錯。進一步分析可知，當(dāng)相鄰的三層{111}原子面都有拓展位錯滑過時，缺陷形式則會由層錯轉(zhuǎn)變成只有三層原子層厚的微孿晶。文章給出了不同晶粒取向?qū)τ谛纬蓪\晶的應(yīng)力條件具有十分重要的影響，但對于位錯如何在晶粒內(nèi)部均勻形核以及如何拓展并沒有給出完美的解釋。圖1-2ECAP變形過后亞晶粒HRTEM[23]a)微孿晶；b)層錯Zhao[24]等人采用動態(tài)等通道擠壓(D-ECAP)工藝對單晶鋁塊體進行了極高應(yīng)變速率(~106s-1)的變形處理，發(fā)現(xiàn)在具有更大剪切變形的模具上部分出現(xiàn)了大量的宏觀變形孿晶。在動態(tài)加載的等通道擠壓過程中，非常大的剪切變形量和非�？斓淖冃嗡俾适卿X中能夠出現(xiàn)孿晶的根本原因，而單晶鋁晶界的缺失為孿晶的生長排除了一個重要的障礙，MD模擬的結(jié)果則表明快速形變條件下位錯的自釘扎效應(yīng)是阻礙其運動的重要因素，從而在一定程度上給孿晶形成創(chuàng)造了機會，但是同時還發(fā)現(xiàn)孿晶的出現(xiàn)是有利于位錯的形核。圖1-3給出了動態(tài)加載等通道擠壓(D-ECAP)得模型及工作原理示意。圖1-3動態(tài)等通道擠壓模型[24]
哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-6-1.2.2極端變形條件形成層錯及孿晶Zuo[25]等人利用磁控濺射工藝制備了納米Al/非晶AlN多層膜結(jié)構(gòu)，膜的厚度尺寸在10nm~200nm左右，在鋁薄膜中發(fā)現(xiàn)了大量的微孿晶和9R相的存在，同時還發(fā)現(xiàn)9R相和微孿晶出現(xiàn)和存在的形式與薄膜的厚度有著密切的關(guān)系。進一步研究發(fā)現(xiàn)，鋁薄膜中的共格孿晶是從異質(zhì)相界面發(fā)射的，而不是從晶界發(fā)射，相界面在9R相和微孿晶的出現(xiàn)上起到了至關(guān)重要的作用，因而薄膜厚度越小，相界面占的比例越大，出現(xiàn)層錯或9R相的比例也就越多。但隨著厚度增加到一定程度，給了相界面繼續(xù)發(fā)射不全位錯進一步形成共格孿晶的空間。圖1-4很好地展示了與薄膜厚度相關(guān)的9R相和微孿晶組態(tài)演變過程�？梢钥吹剑�(dāng)薄膜厚度特別小時(10~20nm)，界面處產(chǎn)生Schockley位錯，位錯運動后面留下層錯。薄膜厚度增加，層錯堆疊起來，形成貫穿薄膜的9R相，如果厚度過大，則形成的9R相不能貫穿整個薄膜。隨著薄膜厚度繼續(xù)增大相界面繼續(xù)發(fā)射不全位錯，使得9R相獨立存在與薄膜中間，并在后面留下與基體共格的孿晶。文章還認為，相界面對于鋁薄膜不僅起到了提供位錯源發(fā)射不全位錯的作用，還通過向鋁薄膜中擴散氮原子，降低了鋁的層錯能，在靠近相界面的區(qū)域形成了氮原子濃度梯度區(qū)域，同時也導(dǎo)致了鋁的層錯能在該區(qū)域梯度分布，實際看到的層錯分布情況也與此類似。但該文章中對于9R相到共格孿晶的轉(zhuǎn)變并沒有做詳細的介紹。不過該文章提出，Al和非晶AlN形成的界面可能為不全位錯的發(fā)生提供了十分有利的條件，同時還產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力作為形成9R相和納米孿晶的驅(qū)動力，從而在沒有大變形的條件下形成9R相和納米孿晶[26]。圖1-49R相和微孿晶的形核、生長過程示意圖[25]
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Al及其復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性原理與穩(wěn)定化設(shè)計研究進展[J]. 武高輝,喬菁,姜龍濤. 金屬學(xué)報. 2019(01)
[2]Electrical Discharge Machining of Al2024-65 vol% SiC Composites[J]. Wen-Shu Yang,Guo-Qin Chen,Ping Wu,Murid Hussain,Jia-Bing Song,Rong-Hua Dong,Gao-Hui Wu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2017(05)
[3]金屬基復(fù)合材料發(fā)展的挑戰(zhàn)與機遇[J]. 武高輝. 復(fù)合材料學(xué)報. 2014(05)
博士論文
[1]SiC納米線誘發(fā)Al基體層錯和孿晶的形成機制及其對力學(xué)行為的影響[D]. 董蓉樺.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
碩士論文
[1]基于分子動力學(xué)的晶體銅拉伸變形機理研究[D]. 高強.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
本文編號：3588140
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：95 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
0.3%應(yīng)變時MD模型的位錯組態(tài)[8]
哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-5-于前面所提到的晶界(GB)發(fā)射不全位錯的模型，而是全位錯(1/2<110>)在晶粒內(nèi)部均勻形核并拓展成兩個Shockley不全位錯(1/6<112>)，當(dāng)有一個不全位錯在鋁的{111}面上滑過時，則留下一層內(nèi)稟型層錯(IntrinsicStackingFault)，當(dāng)兩個相鄰的{111}原子面都有拓展位錯滑過時則留下兩個原子層厚度的外稟型(ExtrinsicStackingFault)層錯。進一步分析可知，當(dāng)相鄰的三層{111}原子面都有拓展位錯滑過時，缺陷形式則會由層錯轉(zhuǎn)變成只有三層原子層厚的微孿晶。文章給出了不同晶粒取向?qū)τ谛纬蓪\晶的應(yīng)力條件具有十分重要的影響，但對于位錯如何在晶粒內(nèi)部均勻形核以及如何拓展并沒有給出完美的解釋。圖1-2ECAP變形過后亞晶粒HRTEM[23]a)微孿晶；b)層錯Zhao[24]等人采用動態(tài)等通道擠壓(D-ECAP)工藝對單晶鋁塊體進行了極高應(yīng)變速率(~106s-1)的變形處理，發(fā)現(xiàn)在具有更大剪切變形的模具上部分出現(xiàn)了大量的宏觀變形孿晶。在動態(tài)加載的等通道擠壓過程中，非常大的剪切變形量和非�？斓淖冃嗡俾适卿X中能夠出現(xiàn)孿晶的根本原因，而單晶鋁晶界的缺失為孿晶的生長排除了一個重要的障礙，MD模擬的結(jié)果則表明快速形變條件下位錯的自釘扎效應(yīng)是阻礙其運動的重要因素，從而在一定程度上給孿晶形成創(chuàng)造了機會，但是同時還發(fā)現(xiàn)孿晶的出現(xiàn)是有利于位錯的形核。圖1-3給出了動態(tài)加載等通道擠壓(D-ECAP)得模型及工作原理示意。圖1-3動態(tài)等通道擠壓模型[24]
哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-6-1.2.2極端變形條件形成層錯及孿晶Zuo[25]等人利用磁控濺射工藝制備了納米Al/非晶AlN多層膜結(jié)構(gòu)，膜的厚度尺寸在10nm~200nm左右，在鋁薄膜中發(fā)現(xiàn)了大量的微孿晶和9R相的存在，同時還發(fā)現(xiàn)9R相和微孿晶出現(xiàn)和存在的形式與薄膜的厚度有著密切的關(guān)系。進一步研究發(fā)現(xiàn)，鋁薄膜中的共格孿晶是從異質(zhì)相界面發(fā)射的，而不是從晶界發(fā)射，相界面在9R相和微孿晶的出現(xiàn)上起到了至關(guān)重要的作用，因而薄膜厚度越小，相界面占的比例越大，出現(xiàn)層錯或9R相的比例也就越多。但隨著厚度增加到一定程度，給了相界面繼續(xù)發(fā)射不全位錯進一步形成共格孿晶的空間。圖1-4很好地展示了與薄膜厚度相關(guān)的9R相和微孿晶組態(tài)演變過程�？梢钥吹剑�(dāng)薄膜厚度特別小時(10~20nm)，界面處產(chǎn)生Schockley位錯，位錯運動后面留下層錯。薄膜厚度增加，層錯堆疊起來，形成貫穿薄膜的9R相，如果厚度過大，則形成的9R相不能貫穿整個薄膜。隨著薄膜厚度繼續(xù)增大相界面繼續(xù)發(fā)射不全位錯，使得9R相獨立存在與薄膜中間，并在后面留下與基體共格的孿晶。文章還認為，相界面對于鋁薄膜不僅起到了提供位錯源發(fā)射不全位錯的作用，還通過向鋁薄膜中擴散氮原子，降低了鋁的層錯能，在靠近相界面的區(qū)域形成了氮原子濃度梯度區(qū)域，同時也導(dǎo)致了鋁的層錯能在該區(qū)域梯度分布，實際看到的層錯分布情況也與此類似。但該文章中對于9R相到共格孿晶的轉(zhuǎn)變并沒有做詳細的介紹。不過該文章提出，Al和非晶AlN形成的界面可能為不全位錯的發(fā)生提供了十分有利的條件，同時還產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力作為形成9R相和納米孿晶的驅(qū)動力，從而在沒有大變形的條件下形成9R相和納米孿晶[26]。圖1-49R相和微孿晶的形核、生長過程示意圖[25]
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Al及其復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性原理與穩(wěn)定化設(shè)計研究進展[J]. 武高輝,喬菁,姜龍濤. 金屬學(xué)報. 2019(01)
[2]Electrical Discharge Machining of Al2024-65 vol% SiC Composites[J]. Wen-Shu Yang,Guo-Qin Chen,Ping Wu,Murid Hussain,Jia-Bing Song,Rong-Hua Dong,Gao-Hui Wu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2017(05)
[3]金屬基復(fù)合材料發(fā)展的挑戰(zhàn)與機遇[J]. 武高輝. 復(fù)合材料學(xué)報. 2014(05)
博士論文
[1]SiC納米線誘發(fā)Al基體層錯和孿晶的形成機制及其對力學(xué)行為的影響[D]. 董蓉樺.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
碩士論文
[1]基于分子動力學(xué)的晶體銅拉伸變形機理研究[D]. 高強.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
本文編號：3588140
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