與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比, 顆粒增強鋁基復合材料有比強度高、比剛度高、耐磨性好兼具優(yōu)良塑性等優(yōu)點, 得到了廣泛應(yīng)用[1-4] 顆粒增強鋁基復合材料的性能優(yōu)勢, 得益于增強顆粒對鋁基體的強韌化作用 因此, 研究PRMMCs的強韌化機理有利于復合材料性能的優(yōu)化設(shè)計

了解增強顆粒對復合材料強度、韌性的影響規(guī)律, 是揭示PRMMCs強韌化機理的基礎(chǔ) 李俠[5]應(yīng)用Eshelby等效夾雜理論模擬計算了SiC/2024Al復合材料的屈服強度, 發(fā)現(xiàn)其屈服強度隨著SiC顆粒尺寸的減小而提高, 與Lloyd[6]的實驗結(jié)果相符; Song[7]用球形Al2O3顆粒、不規(guī)則形狀Al2O3顆粒分別強化6061Al合金, 發(fā)現(xiàn)球形顆粒強化的復合材料具有較好的塑性, 但強度偏低 目前已經(jīng)充分了解了特定單一因素對PRMMCs強度、韌性的影響規(guī)律, 從而使PRMMCs的性能得到了顯著改善 但是, 隨著對PRMMCs性能要求的提高, 通過控制單一因素設(shè)計復合材料的性能已經(jīng)無法滿足要求 因此需要更深入地研究PRMMCs的強韌化機理, 揭示復合材料中各成分之間的相互作用關(guān)系, 以進一步優(yōu)化設(shè)計復合材料的性能 在顆粒增強鋁基復合材料的受力過程中, 其主要的強化機制是載荷由鋁基體向增強顆粒傳遞而使增強顆粒承載 因此, 研究增強顆粒與基體適配性關(guān)系對應(yīng)力傳遞機制的影響, 對于揭示PRMMCs的強韌化機制有重要的意義 徐娜[8]使用等效夾雜模型和割線模量法模擬計算了硬基體、軟基體復合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線, 發(fā)現(xiàn)基體強度不同則復合材料的模擬結(jié)果準確度也不同, 說明不同的基體與增強體搭配有不同的強韌化機制; Gao[9]在應(yīng)變梯度塑性理論的基礎(chǔ)上建立單顆粒模型并計算了顆粒增強鋁基復合材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變表達式, 發(fā)現(xiàn)增強顆粒的受力大小、應(yīng)力集中因子與增強顆粒和基體的彈性模量之比以及基體屈服強度有關(guān), 其比值越大、基體屈服強度越高, 應(yīng)力集中作用越強; Lee[10]模擬計算了PRMMCs中的熱應(yīng)力分布情況, 發(fā)現(xiàn)顆粒、基體的熱膨脹系數(shù)差對于復合材料內(nèi)部熱應(yīng)力的分布及大小有顯著的影響

以上研究結(jié)果表明, PRMMCs中增強顆粒與基體的適配性對復合材料的強度、韌性有顯著的影響 本文選擇SiC、Al2O3兩種顆粒作為增強相強化6061Al合金基體, 用粉末冶金法制備復合材料, 在不同溫度對各復合材料試樣進行固溶-時效強化處理, 研究增強顆粒與基體適配性對復合材料拉伸性能的影響規(guī)律, 探討增強顆粒與基體適配性對應(yīng)力傳遞效率的影響機制, 以揭示增強顆粒開裂與基體屈服強度之間的關(guān)系

1 實驗方法

選用粒度為-200目的氣霧化6061Al合金粉作為基體, 選用SiC、Al2O3兩種顆粒作為增強體, 用機械混料方式分別將不同增強體顆粒與6061Al粉末混合均勻, 然后用冷等靜壓將粉末混合物壓制成型, 通過真空除氣、熱等靜壓制備完全致密的坯錠 隨后對坯錠進行熱擠壓, 擠壓溫度為470℃、擠壓比為13∶1, 最終得到25%SiCp/6061Al(體積分數(shù), 下同)和25%Al2O3/6061Al復合材料擠壓棒材 實驗用6061Al合金的成分列于表1

Table 1

表1

表16061Al合金的化學成分

Table 1Chemical components of 6061Al (%, mass fraction)

	Mg	Si	Cu	Mn	Cr	Ti	Zn	Fe	Al
6061Al	0.8-1.2	0.4-0.8	0.15-0.4	0.15	0.04-0.35	0.15	0.25	0.7	Bal.

分別對25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料試樣進行固溶-時效處理, 固溶溫度分別為510℃、535℃、560℃, 固溶1 h后在175℃人工時效10 h, 制備出具有不同基體強度的復合材料

將熱處理后的復合材料加工成拉伸試樣, 用萬能力學試驗機進行拉伸試驗以得到各拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線, 拉伸實驗加載速率為0.5 mm/min; 用Axiover200 MAT金相顯微鏡和JSM-7001F掃描電鏡觀察復合材料的顯微組織和斷口形貌

2 結(jié)果和討論2.1 低強度基體復合材料中顆粒類型對PRMMCs強化機制的影響

圖1給出了擠壓態(tài)25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料金相組織 可以看出, 擠壓后SiC、Al2O3顆粒都均勻分布在6061Al合金基體中, 沒有出現(xiàn)明顯的顆粒團聚



圖125%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料的金相組織

Fig.1Metallograph of composites 25%Al2O3/6061Al (a) and 25%SiCp/6061Al (b)

未進行熱處理強化的擠壓態(tài)復合材料的拉伸曲線, 如圖2a所示 可以看出, 未進行熱處理強化的25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料, 其屈服強度、抗拉強度都較低, 說明對于顆粒增強鋁基復合材料, 如果鋁基體強度較低, 即使用高強度的SiC顆粒作為增強相也不能制備出高強度的復合材料; 對比兩種復合材料的拉伸曲線, 用Al2O3、SiC顆粒分別對6061Al基體進行強化得到的復合材料的屈服強度、抗拉強度不同 用SiC顆粒強化對6061Al基體產(chǎn)生的強化作用更大, 其屈服強度大約提高110%; 而用Al2O3顆粒強化相屈服強度大約提高95% 這個結(jié)果說明, 不同類型的增強顆粒對同種基體的強化作用不同



圖2未熱處理的復合材料的拉伸曲線和應(yīng)力比變化

Fig.2Stress-strain curves (a) and stress ratio-strain curve (b) of composites without heat treatment

為了解釋25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料拉伸曲線不同的原因, 需要分析其強化機理 對于顆粒增強鋁基復合材料, 其主要的強化機制為載荷由基體向增強顆粒傳遞 根據(jù)Gao[9]利用應(yīng)變梯度塑性理論進行的理論分析, 增強顆粒周圍基體產(chǎn)生塑性變形后, 在增強顆粒與基體界面處進行載荷傳遞時符合應(yīng)變平衡原則, 顆粒受力大小與基體、增強體的彈性模量之比以及顆粒泊松比有關(guān):

σp=121-2νIEIE?σyrya3

(1)

其中 rya表示塑性變形區(qū)與顆粒尺寸的比值; σyrya3表示基體界面處所受應(yīng)力 由于存在位錯強化作用, 其與基體所受平均應(yīng)力的關(guān)系比較復雜 如果不考慮位錯強化作用, 只考慮基體產(chǎn)生彈性變形而產(chǎn)生的應(yīng)力作用, 則其值近似等于基體所受平均應(yīng)力, 上式可轉(zhuǎn)化為

σp=121-2νIEIE?σm

(2)

結(jié)合混合法則 σc=(1-f)σm+fσp計算復合材料的受力情況, 可得到不同類型增強顆粒強化的復合材料在應(yīng)力傳遞作用下的強度比 在本實驗中, 取 ESiC=450GPa,EAl2O3=280GPa,EAl=70GPa,體積分數(shù)f=25%, 可計算出 σSiC/σAl2O3=1.199 由此可見, 在增強顆粒體積分數(shù)相同時, 如果不考慮位錯強化作用, 兩種復合材料對應(yīng)的應(yīng)力比為定值

分析圖2a中25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料的拉伸曲線, 取不同應(yīng)變點, 得到其對應(yīng)的復合材料應(yīng)力比值, 如圖2b所示, 其中 Q=σSiC/6061/σAl2O3/6061 可以看出, 隨著應(yīng)變量的增加, 兩種復合材料的實際應(yīng)力值之比并非定值, 而是逐漸降低 這說明, 在PRMMCs的強化過程中除了應(yīng)力傳遞強化作用, 還有其他間接強化機制 對圖2a和b進一步對比分析發(fā)現(xiàn), 兩種復合材料的應(yīng)力比在復合材料屈服后下降較為明顯 而復合材料屈服前后的主要變化為基體中位錯密度的增加, 在復合材料屈服前內(nèi)部只有在顆粒周圍應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生塑性變形, 位錯的增值相對較少, 此時應(yīng)力傳遞是主要強化方式 當復合材料產(chǎn)生屈服后, 基體塑性變形產(chǎn)生加工硬化而引起的強化作用越來越顯著 由泰勒公式[11]和CMSG理論[12, 13]分析可知, 加工硬化的微觀機制即為統(tǒng)計存儲位錯的增加而產(chǎn)生的基體硬化, 同時考慮顆粒與基體變形不一致而引起的幾何必須位錯, 可得位錯強化的公式[14]

ΔσyM=(βμMVlεpbd)2+(γμMVlεpbd)2

(3)

式(3)表明, 在增強顆粒體積分數(shù)一定、顆粒尺寸、長徑比相差不大時產(chǎn)生的位錯強化效果基本相同, 而與增強顆粒類型無關(guān) 因此, 隨著位錯強化作用越來越顯著, 增強顆粒類型對復合材料強度、韌性的影響作用減弱, 即隨著位錯強化作用的效果增強, 25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al兩種復合材料的應(yīng)力比下降 由此也可以得出: 增強顆粒類型主要通過影響復合材料中的應(yīng)力傳遞機制影響其強化效果, 位錯強化機制受增強顆粒類型的影響較小; 而隨著復合材料應(yīng)變量的增大, 位錯強化機制增強, 而應(yīng)力傳遞強化作用相對降低

2.2 基體強度提高對顆粒增強鋁基復合材料拉伸性能和顆粒開裂的影響

分析未熱處理強化的25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料時, 由于6061Al基體屈服強度較低, 顆粒受力也較低, 因此顆粒開裂的影響較小 為了分析增強體開裂對復合材料拉伸性能的影響以及增強體開裂與基體屈服強度之間的關(guān)系, 分別對25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料進行不同固溶溫度的固溶-時效處理, 得到了不同基體強度的鋁基復合材料, 其拉伸曲線如圖3所示 圖3表明, 經(jīng)過熱處理強化提高6061Al基體強度后, 兩種復合材料的屈服強度、抗拉強度都顯著提高 這進一步說明了基體強度對復合材料強度的決定性作用, 由霍爾-佩奇公式也可以得出相同的結(jié)論 對圖3進一步分析發(fā)現(xiàn), 25%SiCp/6061Al復合材料熱處理后屈服強度大幅增加, 在535℃固溶時6061Al基體的強度最高, 其對應(yīng)的復合材料屈服強度、抗拉強度也最大, 在510℃、560℃固溶處理的6061Al基體強度相對較低, 對應(yīng)復合材料的強度也產(chǎn)生相同的變化規(guī)律; 25%Al2O3/6061Al復合材料屈服強度的提高比25%Al2O3/6061Al復合材料的小 同時可以發(fā)現(xiàn), 在535℃、560℃固溶處理得到的復合材料的拉伸曲線基本一致 這說明, 在535℃固溶時基體強度的提高并沒有提高25%Al2O3/6061Al復合材料的屈服強度, 即當基體強度達到某一值后繼續(xù)提高基體強度并不會提高25%Al2O3/6061Al復合材料的強度, 其原因是增強顆粒開裂的影響 根據(jù)Gao的計算, 顆粒所受應(yīng)力表達式如式(1)所示, 即隨著基體屈服強度 σy的提高, 增強顆粒所受應(yīng)力顯著增加, 當應(yīng)力超過增強顆粒的強度時, 增強顆粒將開裂, 并通過應(yīng)力的重新分布進一步引起其他顆粒的開裂而產(chǎn)生裂紋引起材料失效



圖3不同固溶溫度熱處理后復合材料的拉伸曲線

Fig.3Stress-strain curves of composites with different heat treatment (a) 25%Al2O3/6061Al, (b) 25%SiCp/6061Al

圖4給出了熱處理前后復合材料拉伸試樣的斷口形貌 可以看出, 在熱處理前兩種類型的復合材料拉伸斷口中顆粒開裂較少, 說明在拉伸過程中兩種顆粒的開裂都較少 在535℃熱處理后, 25%Al2O3/6061Al復合材料的拉伸斷口中顆粒開裂明數(shù)量明顯多于25%SiCp/6061Al復合材料 這進一步證明, 基體強度提高后, 隨著外力的增大, Al2O3顆粒所受應(yīng)力大于其抗拉強度而開裂 而開裂的Al2O3顆?；臼チ藦娀饔? 從而間接使增強顆粒有效體積分數(shù)減少, 導致復合材料強度下降 根據(jù)以上分析, 在基體強度達到一定值后, Al2O3顆粒由于強度較低而不再適于對6061鋁基體進行強化, 而SiC顆粒由于其抗拉強度較高, 能對較高強度的6061Al基體產(chǎn)生明顯的強化作用



圖4熱處理前后復合材料的拉伸斷口形貌

Fig.4Tensile fracture morphologies of composites, (a) Al2O3/6061Al composite without solution, (b) SiCp/6061Al composite without solution, (c) Al2O3/6061Al composite with 535℃solution, (d) SiCp/6061Al composite with 535℃solution

2.3 增強顆粒與基體適配性對顆粒增強鋁基復合材料屈服機制的影響

根據(jù)2.1節(jié)的分析, 25%SiCp/6061Al、25%Al2O3/6061Al復合材料的應(yīng)力比能間接反映復合材料強化機制的變化 因此, 為了分析熱處理強化后基體強度對顆粒開裂的影響以及增強顆粒與基體適配性對復合材料強化機理的影響, 對535℃熱處理的兩種復合材料的拉伸曲線進行分析對比, 并計算了不同固溶溫度條件下, 兩種復合材料應(yīng)力比隨應(yīng)變量的變化, 結(jié)果如圖5所示 由圖5可見, 當應(yīng)變量達到0.002左右時, 兩種類型復合材料的應(yīng)力比迅速增加到1.7左右 而2.1節(jié)的分析計算結(jié)果表明, 在應(yīng)力傳遞強化機制和位錯強化機制作用下兩者的應(yīng)力比不會超過1.2 進一步觀察復合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn), 此時25%Al2O3/6061Al復合材料正好出現(xiàn)屈服現(xiàn)象 其原因可能與Al2O3顆粒開裂有關(guān), 因為25%SiCp/6061Al復合材料不會出現(xiàn)迅速強化, 最大的可能即為25%Al2O3/6061Al復合材料的強化作用瞬間降低 圖4的斷口形貌也表明, 基體強度提高時Al2O3顆粒開裂數(shù)量較多, 而Al2O3大顆粒開裂會造成其失去應(yīng)力承載作用, 從而使復合材料的強度下降, 導致兩種復合材料的應(yīng)力比迅速升高 而當應(yīng)變達到0.008以后, 兩種復合材料的應(yīng)力比出現(xiàn)下降, 對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線正好是25%SiC/6061Al復合材料出現(xiàn)屈服, 而此時應(yīng)力比值的下降與少量SiC顆粒的開裂以及位錯強化作用的增強有關(guān) 圖5c和d給出了兩種復合材料產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及對應(yīng)的應(yīng)力比 可以更加清楚地看出兩種復合材料應(yīng)力比迅速升高與復合材料的屈服存在密切的聯(lián)系, 而圖2表明未進行熱處理的復合材料屈服時, 兩種復合材料的應(yīng)力比并沒有出現(xiàn)升高 由此可以對比, 復合材料中增強顆粒與基體的適配關(guān)系會引起其屈服機制的變化, 在基體相對于增強顆粒強度較低時(圖2), 復合材料的屈服主要由基體屈服控制, 增強顆粒的強度對復合材料屈服現(xiàn)象影響較小, 因此兩種復合材料的應(yīng)力比變化不大, 只是在位錯強化作用的綜合影響下緩慢下降; 當基體強度相對于增強顆粒較高時(圖5), 增強顆粒受力增加使增強顆粒的強度顯著影響復合材料的屈服強度 Al2O3顆粒的強度較低, 隨著受力的增大而開裂, 會顯著降低復合材料的強度, 在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為25%Al2O3/6061Al復合材料的屈服 而此時高強度的SiC顆粒并不開裂, 25%SiCp/6061Al復合材料并不出現(xiàn)屈服, 使兩者應(yīng)力比的瞬間升高, 此時25%Al2O3/6061Al復合材料的屈服主要由增強顆粒的開裂引起



圖5在535℃固溶熱處理的復合材料的拉伸曲線和應(yīng)力比變化

Fig.5Stress-strain curves and stress ratio-strain curves of composites with 535℃ solution treatment, (a, c) stress-strain curves, (b, d) stress ratio-strain curves

根據(jù)以上分析, 對于特定強度的基體, 需要相匹配的強化顆粒來進行強化 強度較低的增強顆粒沒有明顯強化作用, 甚至會因顆粒開裂而降低基體強度; 當增強顆粒的強度過高時, 限制復合材料強度的因素為基體屈服強度, 即增強顆粒的強化作用產(chǎn)生了“浪費” 因此, 增強顆粒與基體適配性關(guān)系可用基體屈服強度 σmy、增強顆?？估瓘姸?σP以及適配性系數(shù)P三個參數(shù)來表示, 其最佳的適配性關(guān)系為 σP=Pσmy, 此時增強顆粒與基體的承載能力均得到最大程度的利用 由于適配性系數(shù)P主要受顆粒與基體彈性模量比控制, 對于特定基體, 選擇彈性模量大、抗拉強度高的增強顆粒對其強化可得到高強度復合材料

3 結(jié)論

1. 增強顆粒與基體適配性的關(guān)系主要通過影響復合材料的應(yīng)力傳遞機制來影響其性能, 位錯強化機制受增強顆粒類型的影響較小, 隨著復合材料應(yīng)變量的增大位錯強化作用增強, 而應(yīng)力傳遞強化作用相對降低

2. 當6061Al基體強度達到一定值后, Al2O3顆粒因強度較低而不再適合對6061鋁基體進行強化, 抗拉強度較高的SiCp對強度較高的6061Al基體有明顯的強化作用, 此時繼續(xù)提高基體強度不會提高25%Al2O3/6061Al復合材料的強度, 但是使25%SiCp/6061Al復合材料的強度顯著提高

3. 在復合材料拉伸過程中, 增強顆粒開裂顯著降低其承載能力, 在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)屈服 這種屈服的出現(xiàn)并不是基體屈服引起的, 而是表明增強顆粒強度低而不適合用作增強相

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