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《热变形SiC_p增强2024铝基复合材料的显微组织与力学性能》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，对于材料性能的要求越来越高。
在众多材料中，铝基复合材料因其优异的力学性能和良好的加工性能，得到了广泛的应用。
其中，SiC_p（硅碳化物颗粒）增强2024铝基复合材料因其高强度、高硬度、良好的耐热性和抗蠕变性等特性，在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。
本文将重点研究热变形SiC_p增强2024铝基复合材料的显微组织与力学性能。
二、材料制备与实验方法本实验采用热变形工艺制备SiC_p增强2024铝基复合材料。
首先，选用优质的2024铝合金作为基体，SiC颗粒作为增强相。
在熔炼过程中，将SiC颗粒均匀分布在铝合金中。
随后，经过铸造、轧制、热处理等工艺过程，得到所需尺寸和形状的复合材料。
为了研究其显微组织和力学性能，我们采用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段进行观察和分析。
同时，通过拉伸试验、硬度测试和疲劳试验等方法，对材料的力学性能进行评估。
三、显微组织分析1. 显微组织结构通过OM和SEM观察，我们发现SiC_p增强2024铝基复合材料具有典型的金属基复合材料结构。
SiC颗粒均匀分布在铝合金基体中，两者之间结合紧密，无明显界面反应。
此外，铝基体中还存在一定数量的晶界和亚晶结构。
2. 晶粒形貌与分布通过TEM观察，我们可以更清晰地看到晶粒的形貌和分布情况。
SiC颗粒的加入使得晶粒尺寸减小，晶界更加清晰。
同时，SiC颗粒对晶粒的生长起到了阻碍作用，使得晶粒分布更加均匀。
四、力学性能分析1. 拉伸性能实验结果表明，SiC_p增强2024铝基复合材料具有较高的拉伸强度和延伸率。
这主要得益于SiC颗粒的加入使得材料在受力过程中能够更好地传递应力，从而提高材料的拉伸性能。
此外，热处理工艺也能显著提高材料的拉伸性能。
2. 硬度性能该复合材料的硬度明显高于纯2024铝合金。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备和性能研究的开题报告一、选题背景和研究意义随着工业领域对强度、硬度以及耐磨性等性能要求的日益提高，金属材料面临严峻的挑战。
传统的单一金属材料已经不能满足工业要求。
因此，铝基复合材料应运而生。
铝基复合材料具有优良的机械性能、高的耐腐蚀性、良好的热稳定性等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、电子、能源等领域。
目前，铝基复合材料制备方法多种多样，其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料受到人们的广泛关注。
碳化硅具有高强度、高硬度、高耐磨性等特点，能够有效增强铝基复合材料的力学性能，提高其耐磨性和抗疲劳性能，因此具有广阔的应用前景。
二、研究内容本研究旨在制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料，并对其力学性能、热稳定性、耐磨性等性能进行研究。
具体包括以下内容：1. 碳化硅颗粒的制备：采用化学气相沉积法制备高纯度的碳化硅颗粒。
2. 铝基复合材料的制备：将碳化硅颗粒加入到铝合金熔体中，采用压力铸造方法制备铝基复合材料。
3. 材料性能测试：对制备的铝基复合材料进行力学性能、热稳定性、耐磨性等性能测试。
4. 微观结构分析：对铝基复合材料进行微观结构分析，探究碳化硅颗粒与铝基矩阵的相互作用机制。
三、研究方法1. 碳化硅颗粒的制备采用化学气相沉积法，通过改变反应条件来控制颗粒的尺寸和形貌。
2. 铝基复合材料的制备采用压力铸造法，可以提高材料的密实度和连续性。
3. 物理性能测试采用扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析等分析测试手段。
4. 微观结构分析采用透射电镜和扫描电镜等手段进行分析观察。
四、预期结果预计研究结果将优化碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺，进一步提高材料的力学性能、热稳定性、耐磨性等性能，为该领域的研究提供新的理论依据和实验数据。
五、研究进度安排第一年1. 确定碳化硅颗粒的制备工艺；2. 制备铝基复合材料；3. 开展铝基复合材料的物理性能测试；4. 进行微观结构分析。
第二年1. 优化铝基复合材料的制备工艺；2. 继续进行铝基复合材料的物理性能测试；3. 开展铝基复合材料的力学性能和耐磨性测试；4. 继续进行微观结构分析。
颗粒增强铝基复合材料的介绍与研究作为金属基复合材料的一种，铝基复合材料有着最广泛的发展和应用。
这是一种通过在基体中加入一些具有特殊性能的增强体材料（如具有高硬度、耐磨的陶瓷颗粒）来制备在性能上优于基体金属的复合材料的方法。
为了使材料的的力学性能和致密性达到最好，充分发挥弥散增强的效果，所以要选择适当大小、密度和数量的颗粒来作为增强体。
本文主要介绍颗粒增强铝基复合材料的优点以及如何选择基体和增强体。
标签：颗粒增强；基体；增强体铝基复合材料——目前种类最多、应用最广的MMCs。
因为其性能优异、研究深入，所以是MMCs阵营中不可或缺的重要成员。
铝的面心立方结构决定了其会有良好的塑韧性，除此之外它良好的加工性能和价格便宜等许多优点都促成了它在工程上的广泛使用。
而其质量轻、塑性好等优点在制备复合材料时同样也是不可多得的优点，所以铝基复合材料发展最快。
因为铝合金综合性能比铝更加优异，所以铝基复合材料多选用铝合金作基体。
其增强体则多种多样，既可以是连续增强长纤维，也可是短纤维或颗粒。
颗粒增强金属基复合材料就是指增强相是以颗粒的形式存。
基体的作用是把通常平均直径大于1微米的颗粒粘合在一起。
常用增强体颗粒有：TiC、TiB2等陶瓷颗粒还有石墨颗粒甚至是金属颗粒等。
颗粒增强铝基复合材料颗粒增强型金属基复合材料（简称PRMMC），是复合材料的一个重要的分支。
PRMMC的最大特点成本较低使其应用范围变广，同时材料综合性能也不错。
和纤维增强型金属基复合材料相比，PRMMC有着各向同性和加工工艺更为简单的特点。
虽然从理论说只要复合材料中增强体颗粒尺寸越小，其带来的强化效果就会越强，材料的力学性能也就越好。
这是忽略复合材料制备过程而得出的结论。
实际在铝基复合材料制备时，如果增强体颗粒太小就会使基体熔液粘度太大，颗粒团聚在一起不易分开。
这样不仅达不到均匀弥散的制备要求，而且界面反应也不好掌握，最终可能导致材料中增强相不均匀或者发生有害界面反应。
铝基复合材料的研究进展（或现状）姓名：苑光昊摘要：本文介绍了铝基复合材料的设计与制备、性能、应用，重点讲述了国内外的研究现状和发展趋势。
关键词：设计与制备性能应用研究现状及发展复合材料是应现代科学发展需求而涌现出具有强大生命力的材料，在金属基复合材料中表现尤为明显。
金属基复合材料有铝基、镍基、镁基、抬基、铁基复合材料等多种，其中铝基复合材料发展最快而成为主流。
本文主要对国内外铝及复合材料的研究现状进行简要评述，主要包括材料的设计与制备、界面、性能、应用等方面。
一、铝基复合材料的设计与制备1基体材料的选择铝基复合材料的基体可以是纯铝也可以是铝合金，其中采用铝合金居多。
工业上常采用的铝合金基体有Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Li 和Al-Fe等。
如希望减轻构件质量并提高刚度，可以采用Al-Li合金做基体【1】；用高温的零部件则采用Al-Fe合金做基体【2】；经过处理后的Al-Cu合金强度高、且有非常好的塑性、韧性和抗蚀性、易焊接、易加工，可考虑作这些要求高的基体【3】。
材料的使用要求是选用基体金属材料的首要条件，如要求材料具有良好的耐磨性、耐热性及低的膨胀系数时（活塞材料），选择基体为Al-Si合金；为进一步减轻零部件的重量，可考虑选用Al-Li合金作为基体；为了提高材料的高性能，可选用Al-Fe系合金。
2铝基复合材料增强体选择针对材料的具体应用，增强体首先具有明显提高金属基体应具备的特殊性能，如作为结构材料时，增强体应具有高强度、高弹性模量、低密度等性能。
而作为耐磨材料时，硬度、耐磨性是主要选择依据。
由于金属基体有良好的浸润性可保证增强体与基体金属良好复合和均匀分布B、Al2O3、Si、和C纤维等是最早的纤维材料，该材料的性能优异，但高昂的成本限制了它们的广泛发展及应用。
但在航空及军事等方面有研究应用潜力。
根据增强体的形态可将其分为纤维、颗料、晶须三种类型，也有采用金属丝作为铝基复合材料的增强体，但采用极少。
颗粒增强铝基复合材料的研究进展摘要：综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状，介绍了复合机理，颗粒增强铝基复合材料的制备方法，并指出了该复合材料的应用领域和发展前景。
关键词：颗粒；铝基复合材料；制备；应用Research on Particle Reinforced Aluminum Matrix Composite Abstract: The research progress of particle reinforced aluminium matrix composite was summarized. Composite mechanism and the preparation technique of aluminum matrix composite were reviewed. Besides, applications and development prospects of the composite were pointed out.Keywords: particle; aluminum matrix composite; preparation methods; applications1前言复合材料是将两种或两种以上性质截然不同的物质加以优化组成的新材料。
根据基体材料的不同，复合材料包括3类：树脂基复合材料（PMC）、金属基复合材料（MMC）、陶瓷基复合材料（CMC）。
与其他复合材料相比，金属基复合材料因具有高温性能好、耐磨损、导电导热性好、尺寸稳定、不老化等优良特性，所以备受关注，在航空航天、汽车等领域得到广泛应用[1]。
在金属基复合材料中，铝基复合材料具有比基体更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工和价格低廉的优点，更加引起人们的注意。
铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。
按照增强体的不同，铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料[2-4]。
纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星和空间站等的结构材料。
颗粒增强铝基复合材料（PRAMCs）是一种优良的结构材料。
对于此类复合材料的研究和应用处于世界领先地位的国家主要是美国和日本[5]。
它不仅满足了航空航天、能源、高精度机床、尖端武器及汽车等高端领域对材料高性能的要求，而且材料的各向同性还使得材料可以使用传统的金属加工工艺进行加工。
所有这些优点都使PRAMCs在高、精、尖领域以及民用设施中有着广阔的应用前景[6]。
本文对颗粒增强铝基复合材料的增强机理，制备工艺及其应用进行了综述。
2增强机理PRAMCs是以纯铝或铝合金为基体，复合添加一定的颗粒增强相而成的。
PRAMCs的强化机理沿用的是弥散强化型合金的理论并且多从位错运动的角度进行分析[7]。
在外加剪应力σ的作用下，当基体金属中的位错受力达到临界应力时发生运动，即基体金属发生塑性变形。
如果位错运动受到质点（增强颗粒）的阻碍，就会产生位错塞积。
从而使质点受到一个较大的应力。
塞积位错越多，该力就越大。
颗粒的直径、间距以及体积分数之间必须满足下式关系，否则颗粒将无强化作用[7]。
式中：D p为颗粒之间的间距；d p为颗粒的直径；V p为颗粒体积分数。
3制备工艺颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有液态法、固态法、两相法和原位复合法等方法3.1液态法液态法包括无压浸渍工艺、挤压铸造法、真空压力浸渍法、搅拌铸造法和Dural专利技术。
采用液态法制造金属基复合材料时，制造温度高，易发生严重的界面反应，对界面的控制是制备复合材料的关键，也是限制复合材料应用的关键因素[8,9]。
3.1.1无压浸渗法无压浸渗法是Aghaianian等于1989年在直接金属氧化工艺的基础上发展而来的一种制备复合材料的新工艺[10]，将基体合金放在可控气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压力和没有助渗剂的参与下，液态铝或其合金借自身的重力作用自动浸渗到颗粒层或预制块中，最终形成所需的复合材料。
要使自发渗透得以进行，需具备两个必要条件：1）铝合金中一定含有Mg元素；2）气氛为N2环境。
研究表明：Mg在浸渗前得氧功能对浸渗过程起着至关重要的作用，而N2气氛的作用并不仅仅是防止铝液被空气中的氧发生氧化，因为单纯的Ar气氛也能起到这个作用，但Ar气氛却难以帮助完成浸渗。
同时，影响该工艺的主要因素为：浸渗温度、颗粒大小和环境气氛种类。
无压渗透工艺的本质是实现自润湿作用，通过适当控制工艺条件，如合金成分、温度、保温时间和助渗剂等，可取得良好的润湿，使自发浸渗得以进行。
张强[11]等采用无压浸渗法制备了Al2O3/Al复合材料，研究了材料的微观组织与力学性能。
复合材料组织致密，颗粒分布均匀，无偏聚现象。
铸造态复合材料的Al2O3颗粒表面存在界面反应物，经过透射电镜观察和XRD分析确认该反应物为MgAl2O4。
T6处理后界面反应程度加剧，但弯曲强度达到439.4MPa，断口中撕裂棱和韧窝的数量较少，以颗粒的脆性断裂为主。
Al2O3/Al复合材料中界面反应的存在提高了润湿性，促进了无压自发浸渗。
3.1.2搅拌铸造法目前所采用的有液态机械搅拌法及半固态机械搅拌法。
前者是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。
此法所用设备简单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。
后者是利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅入半固态溶液中，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复合材料。
此法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但只适应于有固液相温度区间的基体合金材料[6]。
搅拌熔铸法制备复合材料的过程中，由于SiC增强体颗粒与铝液润湿性差，因此，实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此，界面结合也较差。
此外，添加的增强体颗粒的尺寸通常需大于10μm，体积含量一般为20%左右，与其他方法相比，该方法制备的复合材料力学性能较差，但制备成本最低[12,13]。
3.1.3压力铸造法压力铸造法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的过程主要包括颗粒预制块的制备和液态铝合金在一定压力下渗入预制块中2部分。
SiC颗粒在复合材料中分布的均匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度来决定，并取决于预制块的制备工艺。
复合材料的孔隙率和碳化硅颗粒增强铝基复合材料界面结合状态与压铸工艺参数密切相关。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料中SiC颗粒具有不规则外形并且在基体中均匀分布，复合材料中基本没有孔隙并且界面结合状态良好[14]。
采用挤压铸造法方法制备了颗粒体积分数为40%的3种铝基复合材料。
研究表明，所制备的复合材料组织致密，颗粒均匀分布。
对比分析表明，复合材料的平均线膨胀系数（CTE）在11.51×10-6~18.62×10-6/K之间并随着加热温度的升高而增大。
SiC p/2024复合材料的CTE实测值最低，AlN p/6061次之，Al2O3p/2024略高；Al2O3p/2024的实测值与Kerner模型预测值相符得较好，而AlN p/6061复合材料与ROM模型符合得较好，SiC p/2024复合材料的实测值介于Shapery模型的上下限之间[15]。
3.2固态法固态法主要是粉末冶金法和高能-高速工艺。
粉末冶金法是最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺，具体工艺是先将金属粉末或预合金粉末和增强相均匀混合，制得混合坯料，经不同的固化技术制成锭块，再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材。
3.2.1粉末冶金法粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的方法，而且一般是制备高熔点难成型的金属材料。
此方法先选取合适粒径大小的铝合金粉末和增强体颗粒的品种，然后混合均匀，冷压固结、除气、在一定温度下热压烧结及后续加工处理制得而成。
较为成熟的粉末冶金技术有Aloca法和Ceracon法。
由于粉末冶金法比搅拌熔铸法制备铝基复合材料的温度更低，铝合金与颗粒的界面反应大大减弱；增强体粒度和体积比可以大范围调整，甚至最细小的增强体颗粒可小到1μm。
因此可以较准确的控制材料的成分，理论上可以任意调节增强相的比例，从而大幅度降低了材料的热膨胀系数，提高铝基复合材料的弹性模量。
但该方法也存在一些缺点，如：生产工艺过于复杂，成本较高、制备周期长，而且在制备过程中，铝合金粉末与增强体颗粒混合不均而影响热压烧结，降低材料的致密性。
压制过程中易产生气孔，烧结温度选择不当易造成偏析，影响材料的微观组织结构和力学性能。
此外，该方法需对制件进行二次成型加工，所制得的复合材料的体积和形状受到一定限制[16-18]。
3.2.2高能-高速固结高能-高速工艺是在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉末的混合物受到高脉冲电流的放电作用后，迅速提高能量，并在较小外力的作用下，使之固结成复合材料的工艺。
高能量高速脉冲有利于将冷模中的导电粉体快速加热到指定温度，从而控制相变和组织粗化其显著特点是高能脉冲可在冷模中快速加热导电的粉末，使其在短时间内达到指定的温度，从而控制相变和组织粗糙程度，但此工艺在颗粒增强铝基复合材料的生产中应用还有待开发[19,20]。
3.3两相法两相法包括半固态复合铸造工艺、喷射沉积工艺和坩埚移动式喷射沉积工艺等。
3.3.1半固态复合铸造工艺半固态复合铸造工艺也称流变铸造法。
该工艺是美国麻省理工学院MCFlemings等人提出的，1974年美国首次发表了半固态复合铸造法的研究，其实质是液态搅拌法的一种变化和改良，是将金属液温度控制在液相线和固相线之间进行搅拌，这时熔体含有一定组分的固相粒子，增强体加进去以后，即使润湿不好，由于固相粒子的阻挡和搅拌，增强物颗粒也不会结聚和偏聚，仍能得到很好的分散，可以浇铸成型或将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。
此法是制造颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料最常用的方法，也是成本最低的一种方法[8]。
3.3.2喷射沉积工艺喷射沉积的基本原理是：熔融金属或合金经导流管流出，被雾化喷嘴出口的高速高压惰性气体气流破碎，雾化为细小弥散的熔滴射流；雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速，并与气流进行强烈的热交换；到达沉积表面以前，小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒，较大尺寸的仍然为液态，而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝颗成为一个大块致密的沉积坯[21]。
由喷射沉积原理可知用该工艺成形有以下有点：1）形成细小而均匀的等轴晶显微组织，可以消除宏观偏析；2）灵活的柔性制造系统；3）细小的初生沉淀相；4）形成合金的氧含量低；5）合金性能比常规铸锻材料有较大提高且容易加工成型，甚至可以获得超塑性；6）工艺流程短，成本降低；7）沉积效率高（Osprey 雾化器的生产率达到25~200kg/min）；8）改善材料切削加工艺；9）近终成型，可以直接形成多种接近零件实际形状的大截面尺寸的挤压、锻造或轧制坯件，甚至直接成为零件使用。
