铍铝复合材料界面性质第一性原理计算与热变形行为研究

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铍铝复合材料是一种高比强度高比刚度的性能优异的材料,能够满足现在航空航天工业对轻质高强的材料的需求。由于国内对铍铝复合材料的研究起步晚,目前其性能难以满足我国航空航天事业的需求。因此,本文结合了第一性原理计算和实验,研究了Be/Al复合材料的界面性质,通过热模拟实验研究了Be/2024Al复合材料的高温变形行为,对复合材料进行了热挤压加工,同时提高了其强度和塑性。基于第一性原理计算模拟,建立了Be/BeO、Al/BeO和Be/Al三类界面模型,计算了不同界面模型结构优化后的界面能和界面粘附功。分析了不同界面模型的电子结构,明确了不同界面模型的电子结构和电子转移方式。对比了 BeO对Be/Al复合材料界面粘附功、电子结构和成键方式的影响。明确了当BeO存在于界面处时,会与Be和Al分别有较强的成键趋势,导致其粘附功高于Be/Al直接形成的界面,电子转移现象更明显,当BeO以O终端与Be和Al形成界面时,Be和Al失电子的现象比Be终端的界面模型更明显。确定了最稳定的界面结构为Be(001)/BeO(001)o-term/Al(111)。通过透射电镜观察了 Be/2024Al复合材料的界面,明确了界面的组成相为Be、BeO和Al,验证了模型建立的正确性。通过热模拟实验,建立了 Be/2024Al复合材料的本构方程和热加工图,研究了其高温变形机理。对Be/2024Al复合材料进行了热挤压加工,分析了 Be/2024Al复合材料高温压缩变形机理。对比了铸态样品和热挤压后复合材料的微观组织和性能,发现热挤压后的Be颗粒沿挤压方向发生变形,材料致密度明显提高。对铸态和挤压态的样品进行了 T6处理,测试了两种状态的样品的表面硬度和拉伸性能,热挤压后的复合材料相较于铸态样品,表面硬度、屈服强度、抗拉强度以及延伸率均得到提高,同时实现了强度与塑性的提高。通过SEM观察了铸态样品和热挤压后样品的拉伸断口,明确了其断裂机制。铸态的复合材料的断裂机制均为Be颗粒与2024Al界面脱粘,分为脱粘到一定程度Be颗粒发生解理断裂和Be颗粒被整体拔出两种类型。挤压后的样品断裂机制为基体发生韧性断裂,出现大量的韧窝,Be颗粒发生解理断裂,且没有界面脱粘行为。
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