SiC/2219Al复合材料的压缩蠕变行为及三维损伤研究

作     者：金梦圆 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许富民

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：SiC 铝基复合材料 粉末冶金 压缩蠕变 同步辐射 

摘      要：碳化硅颗粒增强铝基复合材料由于具有制备成本低、易于工业化以及优良的力学性能等优点而被广泛应用于航空航天、电子封装以及汽车制造等领域中。由于材料在高温环境中会发生蠕变现象,因此近年来,研究人员对SiC/Al复合材料的蠕变行为进行了大量研究,但受到观察手段的限制,这些研究主要集中在拉伸蠕变方面,并且对蠕变损伤只能进行二维局部的观察。如今,同步辐射断层扫描这一技术得以迅速发展,它可以在不破坏样品的情况下,在三维层面观察材料整体内部的组织结构以及进行量化分析,突破了传统组织形貌观察方法的限制。本文利用粉末冶金法制备基体材料及SiC/Al复合材料并对其进行不同温度和不同应力下的压缩蠕变实验,分析其压缩蠕变机制,然后利用同步辐射断层扫描技术,对材料压缩蠕变条件下的空洞分布及演变进行三维观察分析。研究发现:采用热压烧结在853K、23MPa热压1h的条件下制备的2219Al、5vol.%SiC/2219Al及15vol.%SiC/2219Al三种材料,样品组织致密没有明显缺陷,SiC分布均匀,硬度、屈服强度、抗压强度都随SiC含量的增加而提高。对压缩试样的横纵截面分析表明,横截面相较于纵截面在SiC与Al结合处出现了为数更多的空洞。对三种材料进行压缩蠕变发现,稳态蠕变速率随温度和应力的增加而升高,随SiC含量的增加而降低。复合材料的表观激活能要高于基体2219Al合金,且随着应力的增加而减小,但三种材料的蠕变激活能都大于纯Al的自扩散激活能。引入门槛应力分析得到三种材料的真蠕变应力指数为5,门槛应力随温度的升高而减小,且随SiC含量的增加而增大。考虑温度影响后,三种材料的蠕变数据可以实现归一,表明其压缩蠕变行为由Al基体的高温自扩散控制,且遵循位错攀移蠕变机制规律。对15 vol.%SiC/2219Al在523K、89MPa下蠕变不同时间的压缩蠕变试样进行同步辐射断层扫描发现,越接近试样中部,损伤越多。应变的增加伴随着大量微小空洞的生成,而较大体积的空洞往往是原有空洞的生长或者相邻空洞的合并形成,随着空洞体积的增加,其所对应的空洞数量急剧减少。蠕变过程中空洞趋于在SiC与2219Al基体的结合处产生,沿着与施加应力垂直的方向长大,同时小的空洞聚集形成较大的楔形空洞。由于空洞趋于沿与施加应力垂直的方向生长,空洞周围局部应力状态也逐渐增强,导致有效横截面积的损失比纵向截面更快更大。