固溶和时效处理对碳纳米管_2024铝合金复合材料组织和性能的影响.pdf
《固溶和时效处理对碳纳米管_2024铝合金复合材料组织和性能的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《固溶和时效处理对碳纳米管_2024铝合金复合材料组织和性能的影响.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、文章编号:2096 2983(2023)04 0027 08DOI:10.13258/ki.nmme.2023.04.004固溶和时效处理对碳纳米管/2024 铝合金复合材料组织和性能的影响邹静1,马凤仓1,谭占秋2,范根莲2,张柯1,陈小红1,宋琳3(1.上海理工大学材料与化工学院,上海200093;2.上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240;3.上海市医疗器械检验研究院无源器械检验一所,上海201318)摘要:对碳纳米管/2024 铝合金复合材料进行固溶和时效处理,通过维氏硬度和室温拉伸实验测试了复合材料的性能,对固溶和时效处理后复合材料的微观组织和析出相进行了表征。研
2、究发现,复合材料的强塑性与固溶和时效处理密切相关,碳纳米管/2024 铝合金复合材料经 5304h 固溶处理后维氏硬度达到最高,为 179.45,较原始复合材料维氏硬度提高约 31%。时效处理后加速了时效硬化行为,经 1304h 时效处理后复合材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率最高,分别为430.4MPa,606.1MPa 和 9.5%。结果表明,碳纳米管/2024 铝合金复合材料适宜的固溶和时效制度为:固溶处理 5304h,时效处理 1304h。关键词:碳纳米管;铝合金;固溶处理;时效处理;力学性能中图分类号:TG166.3文献标志码:AEffects of solution and agin
3、g treatments on the organization andproperties of carbon nanotubes/2024 aluminum alloy compositesZOU Jing1,MA Fengcang1,TAN Zhanqiu2,FAN Genlian2,ZHANG Ke1,CHEN Xiaohong1,SONG Lin3(1.SchoolofMaterialsandChemistry,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.StateKeyLaboratoryof
4、MetalMatrixComposites,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,200240,China;3.PassiveDeviceTestCenter,ChinaMedicalDeviceTestCenter,Shanghai,201318,China)Abstract:Thecarbonnanotubes/2024aluminumalloycompositeswereconductedbysolutionandagingtreatments.ThepropertiesofthecompositeswereevaluatedbyVickershardn
5、essandroomtemperaturetensiletests,andthemicrostructuresandprecipitatedphasesofthecompositesaftersolutionandagingtreatmentswerecharacterized.Itwasfoundthatthestrengthandplasticityofthecompositeswerecloselyrelatedtothesolutionandagingtreatments.TheVickershardnessofthecarbonnanotubes/2024aluminumalloyc
6、ompositesreachedthehighestvalueof179.45aftersolutiontreatmentat530Cfor4h,whichwasabout31%higherthantheoriginalcomposites.Theagingtreatmentacceleratedtheage-hardeningbehavior,andthecompositesagedat130Cfor4hshowedthehighesttensilestrength,yield有色金属材料与工程第44卷第4期NONFERROUSMETALMATERIALSANDENGINEERINGVol.
7、44No.42023收稿日期:20220302基金项目:国家自然科学基金资助项目(51771119);上海市自然科学基金资助项目(17ZR1419600);上海市高性能医疗器械材料工程中心资助项目(20DZ2255500)第一作者:邹静(1997),女,硕士研究生。研究方向:铝基复合材料。E-mail:通信作者:马凤仓(1973),男,教授。研究方向:医用钛合金。E-mail:strengthandthehighestelongation,i.e.430.4MPa,606.1MPaand9.5%,respectively.Theresultsshowthattheoptimaltreatmen
8、tforthecarbonnanotubes/2024aluminumalloycompositescanbeachievedat530Cfor4hbysolutiontreatmentandat130Cfor4hbyagingtreatment.Keywords:carbon nanotubes;aluminum alloy;solution treatment;aging treatment;mechanicalproperties碳纳米管增强铝合金(carbonnanotubes/alumi-numalloy,CNTs/Al)作为一种轻质结构材料由于其高强度、高模量在航空航天和汽车领域备
9、受关注1-2。与基体铝合金相比,碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)增强相的加入使铝基复合材料的强度和弹性模量都得到显著提高3-10。然而,随着 CNTs 质量分数的增加,若不经过适当的热处理,复合材料的抗拉强度甚至会下降。Esawi 等11制备了含 CNTs 不同质量分数的层状 CNTs/Al 复合材料,结果表明:当 CNTs 质量分数为 0.5%时,力学性能略微提高;CNTs 质量分数高于 0.5%时,力学性能明显下降。因此,CNTs/Al 复合材料力学性能对热处理的依赖性成为制约其未来应用的关键问题。CNTs 的加入除了载荷传递等强化作用外,也会引入大量的位错和复合界面,
10、Meng 等12和 Nam等13研究表明,在 Al-Cu 合金基体中加入 CNTs 后缩短了达到峰值硬度所需的时效时间。此外,Mg 比 Al 具有更高的氧亲和力,使得 Mg 在复合材料中更容易在 CNTs 周围偏析形成氧化物14-15,从而导致合金元素偏析以及析出相的密度降低等现象。因此,虽然 CNTs 在铝合金基体中的作用与在纯铝中的相似,但对合金基体不可避免的产生负面影响,将会制约 CNTs/铝合金复合材料强度的提高。但是,Yuan 等16采用片状粉末冶金法结合元素合金化法制备 CNT/(Al-Cu)复合材料,研究表明,Mg 元素的加入能够打破原生氧化层形成尖晶石型MgAl2O4纳米相,消
11、除了部分界面氧化层的影响,使复合材料的断裂韧性提高近 2 倍。同时 Yu 等17研究发现,CNT/6061 铝合金复合材料在 T6 条件下,由于 CNTs 的析出强化、晶粒细化强化、载荷传递等多种机制的协同强化,复合材料屈服强度和极限拉伸强度均高于基体的。Yuan 等18还研究了 CNTs/(Al-Cu-Mg)复合材料轧制态在 530 下固溶 4h 后在 130 下时效处理对力学性能的影响,结果表明,加入 CNTs 不仅有细化晶粒和增加载荷传递的作用,同时引入较强的背应力,产生时效纳米相的沉淀强化,提高了复合材料的应变硬化能力,从而显著提高了复合材料的极限抗拉强度。到目前为止,国内外研究集中在
12、 CNTs 是否均匀分散及其强化机制,只有少部分研究涉及基体的强化作用,而固溶和时效热处理是调节铝合金和CNTs/Al 中合金固溶元素和纳米沉淀物的有效途径。时效工艺是决定铝型材生产中力学性能的关键因素,而固溶时效温度过高或时间过长会引起晶粒长大19。因此,选择合适的固溶和时效工艺路线显得尤为重要。本文选择在前人研究的固溶温度 530下,探 究 最 佳 固 溶 时 间 以 及 不 同 时 效 温 度 对CNTs/2024 铝合金复合材料(简写为 CNTs/2024Al)显微组织和力学性能的影响。旨在寻求理想的固溶和时效工艺路线,为探究复合材料的强化行为响应机制奠定工艺基础。1 实验材料与方法
13、1.1 实验材料试验材料为壁厚 5mm 的 CNTs/2024Al 长桁型材,其中 CNTs 质量分数为 1.5%。初始状态的晶粒分布如图 1 所示,试验材料成分见表 1。复合材料在初始挤压态晶粒呈拉长状,晶界周围存在细小析出相。10 m图 1 CNTs/2024Al 的初始背散射电子衍射图Fig.1 Initial backscattered electron diffraction pattern ofCNTs/2024Al28有色金属材料与工程2023年第44卷热处理流程如图 2 所示,在管式炉中采用固溶保温制度为 530 分别保温 2、3、4、5、6、8h,出炉后 立 即 采 用 室
14、温 水 淬,此 时 固 溶 态 样 品 记 为ST(solutiontreatment)样品。再进行不同温度的时效处理,复合材料分别在110、130、150 进行020h的 油 浴 时 效 处 理。将 峰 时 效 状 态 的 样 品 记 为PA(peakaging)样品,20h 以上的样品视为过时效,记为 OA(overaging)样品,研究固溶时效工艺对复合材料性能的影响。温度/固溶处理水冷硬度测试水冷硬度测试静态拉伸试验微观组织观察人工时效110 130 150 530室温20 h时间/h图 2 热处理流程图及性能表征Fig.2 Flow chart of heat treatment a
15、nd propertycharacterization 1.2 实验方法固溶处理后样品利用 D8ADVANCE 多功能X 射线衍射仪(X-raydiffractometer,XRD),采用扫描速度为 5()/min,在 Cuk 信号下分析热处理前后试样的相组成;通过显微维氏硬度计测试维氏硬度(试验力 300g,保荷时间 10s),每个样品至少测量 5 个数据点;室温下拉伸实验按照图 3 中尺寸在固溶时效处理后的复合材料型材加工试样,每组取3 个平行样品,在万能拉伸机上进行拉伸试验,拉伸速度为 2mm/min,并对试验后断口进行扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope
16、,SEM)分析;利用TECNAIF30 透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy,TEM)观察析出相的大小、形态,透射样品制备采用双喷电解法减薄。探讨不同固溶时效工艺对 CNTs/2024Al 组织和性能的影响。2 结果与讨论 2.1 固溶处理时间和时效处理温度对复合材料物相和维氏硬度的影响复合材料固溶处理不同时间的 XRD 谱图如图 4 所示。固溶处理不同时间后得到的合金相基本相同,存在细微特征峰强度变化。在原始样品中存在物相 Al4C4O,会在固溶处理时回溶。随着固溶时间 的 增 加,在 CNTs/2024Al 中 发 现 了 尖 晶 石 相MgAl2O
17、4和 Al2Cu 相。MgAl2O4相的形成能有效改善复合材料的界面结合,因为 Mg 元素破坏了天然Al2O3层,同时 Mg 元素的氧化消耗也限制了其参与 Al2CuMg(S)相的时效析出行为20。因此在随后的时效处理过程中 Al2Cu()相是主要的组织变化,它影响了硬度随时效时间的变化。3040Al(111)Al(200)l(220)Al(311)502/()强度6070Al2CuAl4C4OAl4C3MgAl4O4808 h6 h5 h4 h3 h2 h0 h图 4 CNTs/2024Al 固溶处理不同时间的 XRD 谱图Fig.4 XRD patterns of CNTs/2024Al
18、at different solutiontreatment timesCNTs/2024Al 的维氏硬度随固溶处理时间的变化曲线如图 5 所示。复合材料的维氏硬度随固溶处理时间的延长呈现明显的先增大后减小的趋势。在 4h 时其维氏硬度最高,达到 179.45。此时,相较于未处理复合材料的维氏硬度提升约 31%。CNTs/2024Al 经过固溶处理后的基体组织为过饱和固溶体,可产生固溶强化的效果。固溶处理对复合材料的影响受固溶温度、时间以及冷却方式的表 1 CNTs/2024Al 化学成分Tab.1 Chemical composition of CNTs/2024Al元素CuMgSiFeAl
19、质量分数/%4.050.950.150.11余量2032680R6102单位:mm图 3 拉伸试样的几何形状和尺寸Fig.3 Geometry and dimensions of tensile test specimens第4期邹静,等:固溶和时效处理对碳纳米管/2024 铝合金复合材料组织和性能的影响29作用。在一定温度范围内提高固溶温度能显著加快溶质元素的扩散速率,与此同时使沉淀相的析出动力增大,提高形核率,从而固溶强化效果越明显,有利于在时效处理中获得均匀弥散的纳米析出相。另外,延长固溶时间同样能使扩散更加充分,形成更加均匀分散的过饱和固溶体,进而提高复合材料的性能。但是固溶温度和时间
20、超过一定范围反而会使复合材料的力学性能下降。根据 Hall-Petch 关系:y=i+kyd1/2(1)y为ikyy式中:屈服强度;和为常量;d 为晶粒的平均尺寸。d 增长到一定程度反而会导致下降。同时,纳米第二相的弥散强化效果也会因为过剩沉淀相的溶解而降低。综合来看,CNTs/2024Al 适宜的固溶制度为:5304h。CNTs/2024Al 在不同温度时效处理的维氏硬度曲线如图 6 所示。由图 6 可知,复合材料在不同温度下均表现出典型的时效硬化过程,其维氏硬度在早期增加,直到出现峰值,然后随着时间的延长而减小,出现明显的欠时效、峰时效和过时效阶段。固溶处理之后的铝合金经过水淬后,过饱和固
21、溶体的分解得到抑制。室温下它的过饱和固溶体处于亚稳态,随着温度的升高,发生了第二相的脱溶析出,复合材料的维氏硬度随之增加。根据图 6 可知,复合材料的维氏硬度在 110、130、150 时分别在 6、4、2h 达到峰值,分别为 183.7、185.1、184.3,与图 5 中XRD 谱图中的结果相符合。此外,由于铝合金基体与 CNTs 之间的化学反应,在图 5 中的复合材料均发现了 Al4C3的弱衍射峰。界面反应和析出的细小沉淀相阻碍了位错运动,产生了强化效果,使复合材料得到硬化。综合来看,CNTs/2024Al 适宜的时效制度为:1304h。0170510时效时间/h维氏硬度1520110
22、130 150 172174176178180182184186188图 6 CNTs/2024Al 的维氏硬度随时效处理温度变化的曲线Fig.6 Variation of Vickers hardness of CNTs/2024Al atdifferent age treatment temperatures 2.2 复合材料力学性能及断口形貌不同状态 CNTs/2024Al 典型的拉伸工程应力应变曲线如图 7 所示,力学性能的平均数值列于表 2 中。CNTs/2024Al 在相同的热处理条件下,PA 样品的极限抗拉强度与 ST 样品的相比提高了表 2 CNTs/2024Al 在不同状态下
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 时效 处理 纳米 _2024 铝合金 复合材料 组织 性能 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。