压铸Zr基非晶/不锈钢互穿结构复合材料的组织与力学性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zgs352262
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
非晶合金是金属熔体在快速冷却过程中原子来不及有序排列得到的一种没有晶粒、晶界的新型金属材料。由于无序的原子排布结构特征,非晶合金通常具有高强度、高硬度、高弹性及优异的耐腐蚀性能等,在消费电子、体育器械、军工航天等领域具有广泛的应用前景。然而,非晶合金的室温塑性较差,限制了其在一些关键结构件上的应用。通过外加第二相制备非晶复合材料是提高非晶合金塑性的重要途径,目前有吸铸、压力浸渗及热塑性成型等方法。然而,这些方法存在成本过高、周期长、难以成型复杂零件等不足。因此,开发出一种新型的适合大规模工业化应用的成型方法以实现高性能非晶复合材料的高效、低成本制备将具有较大的学术研究价值和工程应用潜力。本文以Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(Vit 1)非晶合金为研究对象,通过全程真空压铸技术,采用预置(编织网/3D打印骨架)金属骨架的方法,在高速充型及高压凝固的条件下,成功制备出了一系列的不锈钢/非晶合金互穿结构复合材料。进一步利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等手段,研究了骨架成分、物性及压铸工艺参数等对复合材料微观结构和力学性能的影响规律。最后利用有限元模拟等方法,揭示出了互穿结构非晶复合材料的韧化机制,并提出了结构设计策略。具体研究内容及结论如下:(1)系统研究三维编织网骨架成份及结构尺寸等对互穿结构复合材料的组织性能的影响规律。研究发现,不同材质的编织网增韧非晶复合材料的基体未见明显晶化。所成型的复合材料均具有一定的塑性。随着不锈钢编织网的目数(对应体积分数)的增加,复合材料的强度和塑性呈增大趋势。当体积分数达到50%左右时,复合材料的压缩断裂塑性达最优,约为10.64%。进一步增大编织网体积分数,过密的网格孔洞导致复合材料填充不足,力学性能恶化。有限元模拟显示,降低网格目数可以提高塑性的主要原因是较小的网格间距可以有效降低界面处的应力集中,提高变形过程中应力场分布的均匀性。(2)系统研究了压铸温度及凝固压力等工艺参数对不锈钢网增韧的复合材料的结构性能的影响规律。研究发现,随着压铸温度的增加,复合材料的孔隙率降低,界面结合强度逐渐增大,压缩塑性呈增加趋势。当压铸温度为1050℃时,成功制备出具有5.1%拉伸塑性应变的非晶复合材料。互穿结构非晶复合材料优异的塑性主要源于增韧体对剪切带扩展的三维高效抑制并促进剪切带的有效增殖。随着压铸凝固压力的增加,非晶复合材料的塑性呈现下降的趋势。压力诱发力学性能恶化的起源可能是增压过程中出现的“飞边外泄”导致了过冷液体在低温下出现剪切诱发晶化和卷气行为。(3)利用3D打印及压铸技术,成功设计并制备出了不同结构的不锈钢/非晶晶格互穿结构复合材料。基于有限元模拟,系统研究了互穿结构非晶复合材料的韧化机制。研究发现,HCP结构的非晶复合材料的屈服强度最高,约为830 MPa。BCC结构的非晶复合材料的断裂强度约为1945 MPa,压缩塑性最大,约为50%,其值超过目前所报道的绝大部分外加第二相增韧非晶复合材料。研究表明,互穿结构中的金属骨架在变形过程中起到支撑和限制复合材料变形的作用。骨架的弹性模量越大,协调变形能力越差,互穿结构复合材料的屈服强度越高,塑性越低。此外,在互穿结构复合材料中,“软区包裹硬区”相较于“硬区包裹软区”结构更有助于实现非晶合金的脆-延性转变。本研究为非晶复合材料的设计和制备提供了一定的参考和借鉴。
其他文献
7×××系铝合金具有质量轻、比强度高、热处理强化效果好等特点,是轨道交通列车车体的理想材料。7×××系铝合金采用传统的熔化焊连接时,通常焊接性能较差,易出现热裂纹、气孔、偏析、夹渣、元素烧损和工件严重变形等问题。搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)作为一种优质、高效、环保的固相连接技术,可有效避免焊接过程中产生的气孔、热裂纹等缺陷,因此被广泛地应用于铝合金焊接。由于在7
学位
聚乳酸(PLA)因其优异的生物降解性、生物相容性和生物来源性而受到广泛关注,但固有的脆性严重削弱了其与传统合成塑料的竞争优势,阻碍了PLA在工业领域中的大规模应用,因此迫切需要对PLA进行增韧改性。传统的增韧方式是在剪切流场作用下通过加入弹性体来实现的,但弹性体的加入不可避免导致强度的急剧劣化以及透明度的降低。目前鲜有加工方法能够同步实现聚乳酸增韧、增强并且保持PLA原有的高透明度。本文采用以体积
学位
选区激光熔化成形(Selective laser melting,SLM)铝合金被广泛研究,但是SLM成形铝合金的体系、组织和强韧性都尚需进一步深入研究。5XXX系铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等特点,被广泛用于航空工业和国防领域。近期,研究人员发现SLM成形含微量Sc和Zr元素的Al-Mg系合金具有较优的综合力学性能,但在成形过程中产生的冶金缺陷会降低合金的力学性能。本论文研究了SLM成形
学位
碳化钨-钴(WC-Co)硬质合金具备高硬度、高耐磨性和高韧性等特点,因此被广泛应用于机械制造、矿产资源探采和隧道挖凿等领域相关设备的关键零部件制造。然而,钴在高温下会显著软化,导致WC-Co硬质合金的力学性能降低,进而限制了其在高温环境下的服役性能。为了提高硬质合金在高温环境下的使用性能,并降低制备成本,目前关于以镍基高温合金Ni3Al作为粘结剂制备的硬质合金已吸引学者广泛关注和研究。但是由于WC
学位
多孔结构相较于致密材料具有更低的弹性模量,可有效降低“应力屏蔽”效应,同时多孔结构还有利于细胞黏附增殖以及骨再生等细胞行为,在医用植入件领域具有巨大的应用前景。分子筛是一类特殊的多孔结构,其作为涂层具有较强的吸附能力,可促进植入件获得更佳的骨整合能力和抗菌性能,延长植入件使用寿命,且分子筛结构无疲劳应力节点的特点使其更适用于医用植入件领域。但是分子筛作为多孔结构目前尚未有科学系统的研究,且其力学性
学位
NiTi合金因具有良好的形状记忆性、超弹性、耐腐蚀性和生物相容性,被广泛应用于航空航天、机械制造和生物医疗等领域。但由于其机械加工困难而限制了其应用范围。利用SLM成形NiTi合金可突破传统工艺成形的限制,实现复杂结构NiTi合金的制备。目前,SLM制备NiTi合金的相关研究较少,对于其后处理改性也有待进一步深入。本文首先对气雾化制备SLM用NiTi合金粉末的主要性能进行定量表征;其次重点研究了S
学位
受微胶囊力学性能限制,微胶囊型自修复体系难以适应需要较长时间的高温或高压的成型方式,因此其在基体材料的选择上具有局限性,亦难以成型复杂结构。光固化3D打印技术可成型出形状相对自由的结构,不会使聚合物受到极强的复杂应力以及高温高压。且光固化树脂成型后的脆性大,对自修复能力有需求。因此,将光固化3D打印技术与微胶囊型自修复体系结合具有很好的应用前景。但目前相关研究较少且均采用单组分微胶囊体系。然而,一
学位
书籍封面的现代图像应用,是新文化运动时期中国书籍国际化的重要表现形式。就封面图像国际化进程而言,前期多直接“拿来”西方现代化图式套用于封面图像,后期伴随设计者海外求学与印刷科技推广、民族意识增强等,逐渐形成中国式的国际化封面形式,并影响了中国当代书籍装帧艺术。设计者运用现代设计理念,通过综合利用世界现代艺术设计思维、现代绘画语言、装饰图案、革新字体、摄影图片等方式,形成丰富的书籍封面国际化艺术形式
期刊
聚氧化乙烯(PEO)具有与锂离子(Li+)络合的极性基团和高柔性链段,且与电极界面接触良好,是目前研究最广泛的聚合物固态电解质之一。当前PEO基固态电解质薄膜通常采用溶剂涂覆法加工,这一过程使聚合物在溶剂松弛自由态下获得了较好的锂盐分散度,但也带来了加工效率低下以及大量的溶剂损耗及溶剂污染等问题,同时由于无法实现成型取向导致电解质膜的机械力学性能较差,这些问题限制了PEO固态电解质薄膜大规模工业化
学位
镁合金因具有高比强度、优良的生物相容性及电磁屏蔽性能等优点,在汽车、生物医疗以及电子器件等领域吸引了广泛的关注。但由于镁合金存在常温塑性成形能力不足的缺点,其进一步推广应用受到了较大的限制。ZK60镁合金具有相对较好的综合力学性能,但其塑性成形能力仍不足以满足具有较复杂形状的零件的成形。搅拌摩擦加工(Friction stir processing,FSP)技术作为一种固态剧塑性变形工艺,可通过细
学位