TiB2-Al復合材料噴丸強化及其表征研究.pdf

1、金屬基復合材料具有許多優(yōu)異的性能,應用前景廣闊。噴丸處理是金屬材料重要的表面強化手段,可以顯著提高材料的表面性能。為充分挖掘復合材料的性能潛力,本文對TiB2/Al復合材料噴丸工藝加以改進,研究了噴丸對殘余應力和形變組織結(jié)構(gòu)的影響,以及殘余應力松弛和組織結(jié)構(gòu)回復與再結(jié)晶行為,表征了噴丸表面力學性能,并探討了金屬基復合材料噴丸強化機理。
　　 噴丸工藝試驗表明,隨層深增加,噴丸殘余壓應力先增大到最大值,然后逐漸降低,并最終在內(nèi)部出

2、現(xiàn)低水平的殘余拉應力。在0.15 mmA噴丸強度下,復合材料噴丸表面殘余壓應力為-123 MPa,最大殘余壓應力及其對應層深分別為-175 MPa和60μm,殘余壓應力總體層深290μm。而應力噴丸、改進的變溫熱噴丸和復合噴丸均在不同程度上進一步優(yōu)化了TiB2/Al噴丸殘余壓應力場和組織結(jié)構(gòu)。復合噴丸結(jié)合了變溫熱噴丸影響層較深和應力噴丸殘余應力較大的優(yōu)點,強化效果最明顯。
　　 研究了外載荷條件下和高溫環(huán)境中TiB2/Al噴丸殘

3、余應力的松弛行為,證實外載荷越大,加熱溫度越高,殘余應力松弛越明顯。在循環(huán)載荷下,加載方向殘余應力和應力循環(huán)周次呈對數(shù)關(guān)系。高溫狀態(tài)下,噴丸殘余應力隨溫度和時間的變化符合Zener-Wert-Avrami規(guī)律,其松弛激活能為158.2 kJ/mol,松弛指數(shù)為0.2363,高溫下復合材料噴丸殘余應力松弛是一個蠕變的過程。
　　 對噴丸過程進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),復合材料噴丸殘余應力沿層深分布的理論計算與實測結(jié)果具有相似的變化規(guī)律,表面

4、附近基體中存在高水平的殘余壓應力,且分布不均勻,增強體周圍基體的殘余壓應力較高。
　　 分析了復合材料的X射線衍射線形,結(jié)果表明由于增強體的存在,基體中的顯微畸變增大,從而改變了衍射物理線形的Gaussian和Lorentzian分量比例。改進XRD線形分析方法,基于物理衍射線形的Gaussian和Lorentzian分量比例,引入冪指數(shù)ωi,即指數(shù)Modified Williamson-Hall plot方法,與Modifie

5、d Warren-Averbach方法相結(jié)合,得到噴丸層晶塊尺寸對數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù),能夠客觀的表征復合材料噴丸組織結(jié)構(gòu)。對增強體衍射線形研究發(fā)現(xiàn),噴丸后增強體尺寸沒有明顯變化,顯微畸變則略有提高。
　　 利用XRD線形分析方法,研究了復合材料中基體的噴丸組織結(jié)構(gòu),包括晶塊尺寸、顯微畸變和位錯密度等。結(jié)果表明,噴丸形變層內(nèi)基體晶塊明顯細化,顯微畸變和位錯密度明顯增高,且原始織構(gòu)基本被消除。隨層深的增加,晶塊尺寸逐漸增大,顯微畸變

6、和位錯密度逐漸降低。高溫下噴丸組織發(fā)生回復與再結(jié)晶行為,與基體合金相比,復合材料中基體的晶塊長大速度較慢,而退火初期其顯微畸變降低速度則較快。復合材料及其基體合金的晶界遷移激活能分別為240和220 kJ/mol,顯微畸變松弛激活能分別為217和211 kJ/mol,細小增強體對晶界和亞晶界的強烈釘扎作用,導致噴丸復合材料再結(jié)晶激活能比基體合金高。
　　 表征了TiB2/Al噴丸形變層的力學性能,表明噴丸后復合材料硬度和屈服強度

7、明顯提高。在0.15 mmA噴丸強度下,復合材料表面顯微硬度提高了81％以上。而在0.23 mmA噴丸強度下,表層復合材料中基體的條件屈服強度提高了27％,復合材料噴丸表面屈服強度則提高了21％,噴丸前后基體的承載系數(shù)基本不變,從而大幅度提高了復合材料噴丸層的強度。
　　 金屬基復合材料的噴丸強化機制包括殘余應力強化和形變組織結(jié)構(gòu)強化。噴丸強化作用主要發(fā)生在基體中,殘余應力強化在于,噴丸在表層復合材料的基體中產(chǎn)生高水平殘余壓應力