SiC颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理.pdf

文章编号:100023851(2001)0420054204收稿日期:1999212223;收修改稿日期:2000206206基金项目:西安交通大学在职博士基金资助(BS9907)作者介绍:郭成(1948),男,博士,教授,主要研究方向为先进材料制备与成形控制、冲压件质量控制和模具C3P。Si C颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理郭成,程羽,尚春阳,苏文斌,许建群(西安交通大学 机械工程学院,西安710049)摘要:对SiC颗粒增强铝合金基复合材料的室温拉伸断裂与强化机理进行了研究。结果表明:该类材料的断裂包括基体韧断、界面脱开和增强体颗粒断裂三种方式,均属于MN G模式;该类复合材料的强化效果取决于基体强度与界面强度的匹配关系,当基体的屈服强度达到某一临界值时,通过添加增强体颗粒来强化材料是非常困难的。关键词:复合材料;断裂;强化中图分类号:TB331;TG304文献标识码:AM ECHANIS M SON FRACTURE AND STRENGTHENINGOF ALUM INIUM ALLOYMATRIX COM POSITES REINFORCED W ITH Si C PARTI CLESGUO Cheng,CHEN G Yu,SHAN G Chun2yang,SU W en2bin,XU Jian2qun(SchoolofM echanical Engineering,Xian Jiaotong U niversity,Xian 710049)Abstract:The mechanism s of tensile fracture and strengthening of alum inium alloy matrix compos2ites reinforced w ith SiC particles are exam ined.The results show that fracture evolution entails a pro2cess of m icrovoid nucleation,grow th,coalescence(MN G)for the PRMM Cs and there exhibit threemodels of initial fracture in the process:toughness fracture of the matrix,boundary separation andparticle break.Experi mental analyses show that strengthening effect of the composites dependson thematching relations between thematrix and the boundary strength and it is very difficult to strengthenthe compositeswhen yield stress of the matrix goes beyound a certain critical value.Key words:composites;fracture;strengthening颗粒增强金属基复合材料(PRMM Cs)具有重量轻,比强度、比刚度高和优良的耐磨性等优点,被认为是一种较理想的结构材料,将在航空、汽车和电子工业得到广泛的应用13。然而,由于对该类材料的室温力学性能,断裂和强化机理的研究目前尚无令人满意的结果,阻碍了其工程产业化的进程4,5。本文作者对由两种不同基体组成的SiC颗粒增强铝合金基复合材料的室温拉伸性能,断裂和强化机理进行了实验研究,并与文献中的实验结果进行了比较,揭示了影响PRMM Cs室温强度的因素和导致材料断裂的原因。该项研究丰富了复合材料力学性能数据库,深化了对PRMM Cs断裂行为的认识,为合理使用该类材料提供了依据。1实验材料、设备和方法实验材料为用PM法制备的A l2Cu2M g和A l2Cu基复合材料,基体成份如表1所示。增强体选用平均粒度为10m的SiC颗粒,其体积分数为5%、10%、15%和20%四种。为进行比较,制备了相应基体成份的铝合金试样。表1基体的化学成份Table 1Chem ical composition of matrixvol.%M atrixCuM gSiFeA lA l2Cu2M g4.500.60 0.10 0.50其余A l2Cu5.000.00 0.300.15其余试样采用正挤压制备,挤压温度为520,挤压速度为0.035 mm?s,毛坯表面施加石墨润滑剂,挤压比R=12,凹模锥角=120。毛坯挤压后按GB796387加工成 5mm25mm标准拉伸试样。室温拉伸实验在Instron 1195万能材料实验机上进复 合 材 料 学 报ACTA MA TER I A E COM POSITA E SI N ICA第18卷 第4期 11月 2001年Vol.18No.4November2001行,拉伸速度为1 mm?m in。断口分析在AM RA Y21000B型扫描电镜上进行。为证明结果的一般性并通过分析得出正确结论,引用了有关文献中的实验数据,与本文的实验结果进行了比较。2实验结果与分析2.1室温拉伸力学性能图1显示了两类PRMM Cs的主要拉伸力学性能。由图中可见,随SiC体积分数的增加,不同基体PRMM Cs的弹性模量E值线性升高,伸长率 值单调下降。以A l2Cu2M g为基体的PRMM Cs屈服强度0.2和抗拉强度 b随SiC体积分数的增加单调下降(图1(a),SiC颗粒的加入降低了材料的强度;以A l2Cu为基体的PRMM Cs的 0.2和 b随SiC体积分数的增加呈上升趋势(图1(b),SiC颗粒的加入起到了增强作用。图1材料的力学性能Fig.1M echanicalproperties of the materials分析上述实验结果,随增强体颗粒增加,材料弹性模量升高具有一般性。这是因为材料弹性模量和刚度是增强体颗粒和金属基体的平均表现,属于结构不敏感特性,是由整体的量所决定的6。随SiC颗粒增加,材料增强与否是有条件的。这是因为材料强度属于结构敏感特性,是由局部的量决定的6,SiC颗粒的加入,造成了变形的区域化,区域化程度的差别及基体与增强体间界面状况的不同便产生了增强与降强的相反效果7,8。2.2拉伸断口分析及断裂机理研究2.2.1宏观断口分析图2显示了A l2Cu2M g基体及其PRMM Cs拉伸试样的宏观断口特征,由上至下依次为基体、5%SiC、10%SiC、15%SiC和20%SiC复合材料试样。由图中可见,加入SiC颗粒后,宏观断口由45 斜断转变为平断。基体断口平行于最大剪应力平面,为宏观剪应力引起的切断断口;SiC体积分数大于5%的复合材料断口垂直于拉伸轴线,宏观上表现为断裂失效引起的正断断口,断裂前几乎没有颈缩现象产生;SiC含量为5%的复合材料断口介于切断和正断之间,宏观上表现为复合断口。A l2Cu基体PRMM Cs试样的宏观断口特征与之类似。图2材料的宏观断口Fig.2M acro2fracture of the materials2.2.2微观断口分析图3显示了两类PRMM Cs的微观拉伸断口形貌。可见,SiC颗粒增强铝合金基复合材料拉伸断裂有基体韧断、界面脱开和颗粒断裂三种方式8,9。电镜观察表明:A l2Cu2M g基体类PRMM Cs的断裂方式主要为界面脱开;A l2Cu基体类PRMM Cs的断裂方式主要为基体韧断;三种断裂方式常常会在这两类材料中同时出现。2.2.3断裂机理研究由上述宏观和微观断口分析可见,SiC颗粒的加入使得PRMM Cs宏观断口平齐,表现出脆性断裂的特征;但就微观角度来看,这两类材料断裂时均未出现解理面,断口中存在着不同大小和深浅的韧55郭成,等:SiC颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理图3PRMMCs拉伸断口形貌Fig.3Tensile fractograph of the PRMMCs窝,呈现出韧性断裂特征。分析这些韧窝形成的方式有两种,一种是大韧窝,其尺寸和形状都与增强体颗粒有关,韧窝内既发现完整的颗粒(图3(b),界面脱开引起韧窝),也有断裂的颗粒(图3(c),颗粒断裂产生韧窝),另一种韧窝存在于基体上,在撕裂棱上分布着轮廓清晰、尺寸较小的小韧窝,大小一般在3m以下(见图3(a)。从上述断口分析可见,PRMM Cs的断裂过程为:韧窝可能在夹杂或基体塑性变形位错缠结点处形核;也可能在增强体颗粒处形核,形成方式主要为界面脱开或颗粒断裂。韧窝形成后,前者随变形过程逐步长大,变形局限在颗粒间的基体内,一旦界面破坏便告断裂;后者形成的韧窝大且不均匀,这类大韧窝很容易吸收由基体韧断产生的小韧窝,并相互连贯、聚集、直至断裂。因此,PRMM Cs的断裂也属于一种空洞或韧窝形成、长大和聚集的MN G断裂模式。由于硬质颗粒不参与变形,基体小韧窝形成后一旦穿过界面便迅速扩展;由界面脱开或颗粒断裂形成的大韧窝很容易吸收基体的小韧窝。故不论是那一种断裂方式,其韧窝形成后的长大和聚集都较基体材料快,从宏观上便表现出具有脆性断裂的特征,材料的塑性变形能力有所降低。2.3实验结果比较与强化机理研究2.3.1实验结果比较与分析表2和图4是由文献912提供的几组SiC颗粒增强铝合金基复合材料的强度性能数据,与本文实验结果的规律性完全一致,即当基体的强度较低时,SiC颗粒的加入起到了增强的作用;当基体的强度较高时,SiC颗粒的加入起到了降强的作用。可见,基体强度的高低是影响该类材料增强与否的主要因素之一。表2基体与复合材料强度性能比较911Table 2Strength of the matrixes and composites材料0.2?M Pab?M Pa6061基体(T6)2753106061?SiCP?15 vol.%(T6)342364A356基体(T6)205280A356?SiCP?15 vol.%(T6)3293362014基体(T6)4765242014?SiCP?15 vol.%(T6)466493A l2Cu2M g(T6)353538A l2Cu2M g?SiCP?15 vol.%(T6)284497图4复合材料强度性能与增强率12Fig.4Strength and reinforced efficiency of the composites2.3.2界面强度对复合材料强度的影响基体和增强体颗粒通过界面结合在一起构成了PRMM Cs整体。因此,界面结合状态和强度是影响复合材料增强与否的又一主要因素。有关研究表明,为保持形变的连续过渡,界面所承受的应力必然要比基体所受应力高出许多。对含20%SiC的SiCP?65复合材料学报6061A l系复合材料,在拉伸方向,界面所受拉应力要比铝合金基体侧的拉应力高出24倍13。对于弱基体PRMM Cs,由于基体材料屈服强度低,基体发生塑性变形时吸收大量能量,可使界面处的高应力得以释放或部分释放,界面不易破坏,容易达到增强的目的;对于强基体PRMM Cs,由于基体材料屈服强度高,在高出数倍于基体所受应力作用下界面易发生破坏,对于这一类材料,要达到增强的目的,必须大幅度提高界面的强度。2.3.3PRMM Cs的强化机理文献9中指出,增强体?基体界面结合力是铝合金基复合材料性能的控制因素,是复合材料强化还是弱化的根本原因。本文作者通过实验验证、比较和理论分析研究认为:复合材料的强化效果主要取决于基体强度与界面强度的匹配关系,而并非完全由界面结合力来控制。如图5所示,当基体屈服强度较低时,复合材料抗拉强度由基体的韧断机制控制,SiC颗粒的加入提高了基体内的位错密度并阻止滑移进行,从而起到了增强作用;当基体屈服强度较高时,界面受到数倍于基体的高应力作用,在基体尚未发生塑性变形前便破坏,故其抗拉强度由界面脱开机制控制。显然,只有基体与界面强度的合理匹配,才能使该类复合材料性能达到最佳。图5PRMMCs的强化机理Fig.5Strengthening mechanism of the PRMMCs基体与界面强度的匹配关系受到多种因素的影响,其中主要有基体和增强体性能,基体与增强体的润湿性及界面结合力,基体和增强颗粒形状、尺寸、含量及分布方式,材料制备工艺等14,15。虽然通过合金化、预涂层、化学镀和激光预处理等方法可以改善基体和增强体的化学与力学相容性,提高界面的结合强度,从而在一定程度上达到调整和控制基体强度与界面强度匹配关系之目的。然而,如表2、图4和图5所示,当基体材料的屈服强度超过某一临界值时(对于铝合金基体而言,临界值约为290M Pa),再要想通过添加增强体颗粒来强化这类材料是非常困难的。3结 论(1)本研究所涉及的SiC颗粒增强复合材料的断裂包括基体韧断、界面脱开和增强体颗粒断裂三种方式,属于MN G模式,包括韧窝形成、长大和聚集的完整过程。(2)PRMM Cs的强化效果取决于基体强度与界面强度的匹配关系,本文中所研究的铝合金基复合材料基体屈服强度超过290M Pa时,通过添加增强体颗粒来强化材料是非常困难的。参考文献:1Ibrahi m IA.Particulate reinforced metalmatrix compositesa review J.J M ater Sci,1991,26(1):1137-1156.2桂满昌.颗粒增强铝基复合材料在汽车上的应用J.机械工程材料.1996,20(5):30-33.3郭洪光.光电器件用金属基复合材料研究进展J.兵器材料科学与工程.1996,19(4):67-72.4DavivalM S.Analysis of stress2strain,fracture,and ductilitybehavior of alum inum matrix composites containing discontinuoussilicon carbide reinforcementJ.M atall T rans,1985,16A(5):1105-1115.5ZhengW M,Lesperance G,SueryM.Effect of thermomechan2icalprocessing on them icrostructure andmechanicalpropertiesofA l2M g?SiC and A l2M g?A l2O3composite,part 3:Fracturemechanism s of the compositesJ.M ater Sci&Eng,1996,214A(1):104-114.6张双寅.复合材料结构的力学性能M.北京:北京理工大学出版社,1992.110-113.7Prangnell P B,Downes T,StobbsW M.The deformation ofdiscontiuously reinforcedMMCs21,the initial yielding behaviourJ.A ctaM ater,1994,42(10):3425-3436.8程羽,郭生武,郭成.SiC颗粒增强A l基复合材料拉伸性能与断裂机理的研究J.西安交通大学学报,1999,33(9):95-97.9陈尚平,解念锁.非连续增强铝合金复合材料的力学性能J.材料科学与工程,1997,15(4):72-78.10岳珠峰,吕震宙.颗粒增强金属基复合材料塑性响应的一种唯象模型J.机械工程材料,1995,19(6):11-14.11 L ioyd D J.Particle reinforced alum inum and magnesium matrixcompositesJ.IntM ater Rev,1994,39(1):1-21.12权高峰.非连续体增强铝基复合材料强化机理与优化设计D:西安:西安交通大学,1994.13李寰,李家宝.SiCP?6061A l复合材料基体相及增强相的实际外载应力J.材料研究学报,1996,10(2):215-219.14张国定,赵昌正.金属基复合材料M.上海:上海交通大学出版社,1996.1-6,49-87.15于春田.金属基复合材料M.北京:冶金工业出版社,1995.3-6,105-135.75郭成,等:SiC颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理