与传统复合材料相比,近年来以碳纳米管为增强相制备出的新型金属基复合材料由于在力学及化学性能有了很大的提高,展现出更好的应用前景。该新型材料应用于航空航天、船舶等领域作为结构件起到承受交变荷载或动荷载的作用时,其失效疲劳源往往产生自材料表面,这制约了它的服役寿命和性能。喷丸处理是一种应用十分广泛的表面强化手段,能显著提高材料表面喷丸层的疲劳强度、应力腐蚀及摩擦磨损等性能。因此研究喷丸强化对碳纳米管增强的金属基复合材料表面性能的影响对其应用的推动有着重要意义。本文以碳纳米管/铝复合材料为研究对象,研究了不同喷丸工艺对该材料喷丸层组织及性能的影响及喷丸层残余应力场的松弛行为,讨论了喷丸层显微组织高温下的回复再结晶现象及相关力学性能。主要研究结果如下:1.使用常规喷丸、复合喷丸、温度喷丸、预应力喷丸对碳纳米管/铝复合材料表面进行了喷丸处理。研究表明,喷丸强度的增大可以提高碳纳米管/铝复合材料喷丸层的深度和残余压应力场大小。其中常规喷丸后,喷丸强度增加到0.25 mmA时,该新型复合材料内残余应力场深度达到520μm。复合喷丸主要可以增大喷丸层近表面的残余应力大小,并且可以降低表面粗糙度。0.25 mmA+0.05 mmA复合喷丸后材料表面残余应力增大为-51 MPa。预应力喷丸可在同等喷丸强度下大幅提高残余压应力,但会引起残余应力分布的各向异性。温度喷丸会在相同喷丸强度下增加喷丸层深度,并且可在一定程度上增大表层残余应力场。2.本文通过ANSYS有限元软件对碳纳米管/铝复合材料喷丸的过程进行了有限元模拟。碳纳米管作为增强相可以承担弹丸对基体铝的冲击荷载,使得材料具有更高的抵抗变形能力。此外模拟结果表明,弹丸速度的增大及喷丸覆盖率的增加,可以提高喷丸层的层深和最大残余应力。当材料的弹丸速度达到80 m/s时,该复合材料内部的残余应力可达-120 MPa,此时喷丸层层深为550μm。3.通过对喷丸后的碳纳米管/铝复合材料在150°C、200°C、250°C下进行等温退火研究了碳纳米管/铝复合材料喷丸层残余应力松弛行为。在等温退火过程中,材料残余应力在退火初始阶段下的松弛最为明显,当退火时间超过120 min后,喷丸层内残余应力不再继续减小。退火温度在250°C时,喷丸层内残余应力的松弛量达到最大,为70%。此外还在200、250、300 MPa的应力水平下对喷丸后的碳纳米管/铝复合材料循环加载。在循环荷载下,材料喷丸层内的残余应力场也会发生松弛,这是交变荷载引起喷丸层内大量微区塑性变形导致的。在循环荷载的初始阶段,喷丸层内的残余应力松弛量最大,此后松弛量逐渐减少直至稳定。4.结合透射电子显微镜和X射线线形分析研究了碳纳米管/铝复合材料喷丸层内组织结构的变化。结果表明,喷丸会使材料喷丸层内的晶块发生细化,并形成大量的位错胞,并使XRD谱峰增宽。随着层深的增加,喷丸引起的组织变化逐渐减弱。在高温下对材料进行等温退火时,材料内点缺陷、位错等缺陷运动被激活,喷丸层内的晶块尺寸增大,显微畸变逐渐降低,此时材料的XRD谱峰峰形逐渐变窄。通过对退火过程中材料的XRD图谱的线形回归分析得到喷丸层晶块长大激活能和显微畸变松弛激活能分别为166.9 kJ/mol和199.1 kJ/mol。5.研究了不同喷丸工艺下喷丸层的显微硬度沿层深的变化。碳纳米管/铝复合材料喷丸层硬度最大值在材料表面,随着层深的增大,材料喷丸层的硬度逐渐降低直至接近基体层,约为102.3 HV。此外,在150°C、200°C、250°C等温退火过程中,喷丸层硬度会首先随着退火时间逐渐降低而后逐渐稳定。退火120 min后,喷丸表层的硬度分别下降了23%、29%、35%。同一温度退火后,碳纳米管/铝复合材料硬度高于铝合金,这是由于碳纳米管的增强作用。6.利用原位拉伸X射线应力测定方法研究了碳纳米管/铝复合材料喷丸后表面在拉伸荷载下的应力应变曲线。分析结果显示喷丸后材料表面屈服强度为512 MPa,较喷丸前提高了23%。喷丸层发生的主要变化表现为应力场的引入和组织结构的变化。其中组织结构变化主要包括细晶强化和位错强化。应力场的引入降低了材料在外拉应力荷载下的整体应变量,抑制裂纹源的萌生及长大,进一步提高材料的拉伸、疲劳等力学性能。