微米级SiC颗粒对铝基复合材料拉伸性能与强化机制的影响_郝世明

《热变形SiC_p增强2024铝基复合材料的显微组织与力学性能》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，对于材料性能的要求越来越高。

在众多材料中，铝基复合材料因其优异的力学性能和良好的加工性能，得到了广泛的应用。

其中，SiC_p（硅碳化物颗粒）增强2024铝基复合材料因其高强度、高硬度、良好的耐热性和抗蠕变性等特性，在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。

本文将重点研究热变形SiC_p增强2024铝基复合材料的显微组织与力学性能。

二、材料制备与实验方法本实验采用热变形工艺制备SiC_p增强2024铝基复合材料。

首先，选用优质的2024铝合金作为基体，SiC颗粒作为增强相。

在熔炼过程中，将SiC颗粒均匀分布在铝合金中。

随后，经过铸造、轧制、热处理等工艺过程，得到所需尺寸和形状的复合材料。

为了研究其显微组织和力学性能，我们采用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段进行观察和分析。

同时，通过拉伸试验、硬度测试和疲劳试验等方法，对材料的力学性能进行评估。

三、显微组织分析1. 显微组织结构通过OM和SEM观察，我们发现SiC_p增强2024铝基复合材料具有典型的金属基复合材料结构。

SiC颗粒均匀分布在铝合金基体中，两者之间结合紧密，无明显界面反应。

此外，铝基体中还存在一定数量的晶界和亚晶结构。

2. 晶粒形貌与分布通过TEM观察，我们可以更清晰地看到晶粒的形貌和分布情况。

SiC颗粒的加入使得晶粒尺寸减小，晶界更加清晰。

同时，SiC颗粒对晶粒的生长起到了阻碍作用，使得晶粒分布更加均匀。

四、力学性能分析1. 拉伸性能实验结果表明，SiC_p增强2024铝基复合材料具有较高的拉伸强度和延伸率。

这主要得益于SiC颗粒的加入使得材料在受力过程中能够更好地传递应力，从而提高材料的拉伸性能。

此外，热处理工艺也能显著提高材料的拉伸性能。

2. 硬度性能该复合材料的硬度明显高于纯2024铝合金。

SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺及性能研究中期
报告
中期报告主要介绍了SiC颗粒增强铝基复合材料的制备工艺和性能研究的进展情况。

具体内容如下：
1. 研究背景和意义
本文研究的是SiC颗粒增强铝基复合材料，这种材料因其轻质、高强度、高刚性、耐腐蚀等特点被广泛应用于航空、汽车、船舶等领域。

通过研究该材料的制备工艺和性能，可以提高材料的性能，为材料的应用提供支持。

2. 研究方法
本文首先使用球磨机对铝粉和SiC颗粒进行混合，然后采用压力机将混合物压制成坯料，最后通过热压烧结技术制备铝基复合材料。

对制备过程中的参数进行了系统的优化，研究了不同加热温度、保温时间、加压力度等对材料性能的影响。

3. 成果与分析
经过优化，最终制备出了质量稳定的SiC颗粒增强铝基复合材料，并对其力学性能和热性能进行了测试。

结果表明，SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能和热性能均显著优于纯铝材料，其中强度和硬度分别提高了40%和60%以上。

4. 存在的问题和展望
目前研究中存在一些问题，例如坯料压制不够均匀、材料中存在气孔等。

未来将着重优化制备工艺，提高材料的性能，并探索材料在不同应力条件下的性能表现。

总之，本文研究了SiC颗粒增强铝基复合材料的制备工艺和性能，为该材料的应用提供了基础性支持。

SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的研究徐国智，郭威帅，张 鹏（沈阳理工大学，辽宁　沈阳　１１０１６８）摘 要：研究了颗粒增强铝基复合材料的室温拉伸性能与断裂机理。

结果表明，由于材料变形的区域化及残余应力的存在，使应用传统的测量均匀材料强度的方法来测量颗粒增强金属基复合材料（ＰＲＭＭＣｓ）强度会产生一定的误差。

断口分析显示，ＰＲＭＭＣｓ的断裂也属于ＭＮＧ断裂模式。

关键词：复合材料；力学性能；断裂；中图分类号：ＴＢ３３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０１６）１９－０１８４－２Study on tensile properties of SiC Particles Reinforced Aluminum Matrix CompositesXU Guo-zhi,GUO Wei-shuai,ZHANG Peng（Ｓｈｅｎｇｙａｎｇ　ｌｉｇｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０１６８，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｂａｓｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，　ｄｕｅ　ｔｏ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｓｓ，　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　（ＰＲＭＭＣｓ）　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｅｒｒｏｒ．　Ｆｒａｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＭＮＧ　ａｌｓｏ　ｂｅｌｏｎｇｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＰＲＭＭＣｓ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｍｏｄｅ．Keywords: ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；　ｆｒａｃｔｕｒｅ；颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)自身的特点是优良的耐磨性，比刚度、比强度高以及重量轻等，被很大一部分人看作是一种相对理想的结构材料,以至于在汽车工业、航空工业上扮演了至关重要的角色。

收稿日期:2004-09-16基金项目:教育部跨世纪优秀人才培养计划项目;国家自然科学基金资助项目(50474084;辽宁省科技计划项目(2004221010・作者简介:贺春林(1964-,男,辽宁葫芦岛人,东北大学博士后研究人员,沈阳大学教授;刘常升(1963-,男,内蒙古奈曼旗人,东北大学教授,博士生导师;孙旭东(1961-,男,吉林磐石人,东北大学教授,博士生导师;才庆魁(1944-,男,黑龙江绥化人,沈阳大学教授,博士生导师・第26卷第6期2005年6月东北大学学报(自然科学版Journal of Northeastern University (Natural Science Vol .26,No .6Jun .2005文章编号:1005-3026(200506-0554-04纳米SiC 颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能贺春林1,刘常升1,孙旭东1,才庆魁2(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004;2.沈阳大学材料科学与工程系,辽宁沈阳110044摘要:用粉末冶金法制备了纳米SiC 颗粒增强纯Al 基复合材料(Al MMCs ,对该材料的微观结构和拉伸性能进行了研究・结果表明,纳米SiC 颗粒在含量很少时即对Al 有明显的强化作用,此时,纳米颗粒在基体中的分散比较均匀;当含量较高时则纳米颗粒易于团聚,团聚会使SiC 颗粒对Al 的强化作用降低・纳米SiC 颗粒含量发生变化,SiC p /Al MMCs 的断裂机制也有所改变・关键词:Al ;纳米SiC 颗粒;金属基复合材料;结构;拉伸性能中图分类号:TB 331文献标识码:A颗粒增强铝金属基复合材料(Al MMCs 的性能与增强相的尺寸有很大关系,广泛使用的颗粒大都在3~30μm 之间・研究表明,增强相尺寸越小,则增强效果越好[1~3]・这是因为小颗粒不仅自身很少存在结构缺陷,而且其周围还具有更高的热错配位错密度[2~4]・也有人发现,0.15μm 的亚微米Al 2O 3颗粒增强Al MMCs 虽然具有较高的强度和塑性,但材料组织中不存在由热错配引起的位错,Al MMCs 的强化机制有所改变[5] ・纳米颗粒对Al 也表现出良好的强化作用[6,7],但因细小颗粒易于团聚,因而使其增强效果大为降低[7,8];而且,纳米颗粒的体积分数一般都很小(<3% [7,8],当体积分数达到5%时,已不能制备出合格的拉伸样品[8]・为了便于理论分析,本文拟采用纯Al 为基体,选取纳米级SiC 颗粒为增强体,对Al MMCs 的拉伸性能、组织结构进行研究,并对复合材料的增强机制进行探讨・1实验材料与方法1.1纳米SiC p /Al MMCs 的制备本实验所用的基体原料为惰性气体雾化纯铝粉,Al 粉平均粒度为6μm ,纯度为99.9%・增强相SiC 粉由激光诱导化学气相沉积法制备,平均尺寸为25nm ,纯度为98%~99%,为β晶型・纳米SiC 粉体在具有较好分散性的丙酮和异丙醇混合液中超声波分散30min 后,立即将其倒入装有钢球和铝粉的球磨罐中,并用行星式球磨机进行湿混,球磨机转速为130~160r /min ,球磨时间为8h ・球磨后的粉体,于真空干燥箱中干燥・为了比较,纯Al 也经过相同的球磨湿混过程・球磨混合粉经过冷压成型,真空除气处理和630℃,10-3Pa 条件下真空热压40min 后,即制得相对密度达90%以上的坯锭・烧结坯锭经机加工后,封装于工业纯铝的包套内,于420℃进行热挤,挤压比为40∶1,挤出的复合材料直径为14mm 的棒材・1.2纳米SiC p /Al MMCs 的拉伸试验试样由经过挤压的棒材车削加工而成,轴向与挤压方向平行・标距长度和直径分别为40mm 和8mm ・在电子拉伸试验机上进行拉伸实验,应变速率为4.17×10-4s -1・1.3纳米SiC p /Al MMCs 的拉伸断口和组织观察对拉伸断口进行SEM 观察,以确定复合材料的微观断裂机制・取SiC p /Al MMCs 纵断面,在SEM 下观察微观组织结构・2实验结果2.1纳米SiC p /Al MMCs 组织SiC p (25nm /Al MMCs 在SiC 中的体积分数为1%时,分散性很好,没有团聚,但有些区域颗粒偏少(见图1a・由图可见,纳米颗粒沿挤压方向(图中箭头指向有规律地呈纵队排布・当SiC 体积分数提高至3%时,局部出现小的团聚(见图1b・继续提高至5%时,虽然一些区域颗粒分散较均匀,但大部分区域颗粒团聚非常明显,团聚体较大(见图1c・团聚体长轴沿挤压方向(图中箭头指向排列,类似于一个大颗粒的行为・然而,二者之间却有明显不同,大颗粒不能变形,只能作整体旋转使自己与轴向尽量取向一致;而团聚体因内部疏松,在挤压过程中,依靠其自身发生变形,使团聚体颗粒伸长,而不是通过整体旋转・可以预见,SiC的大量团聚会使MMCs的拉伸强度下降,塑性变差・图1不同体积分数的SiC p(25nm/Al MMCs SEM组织(箭头表示MMCs挤压方向Fig.1SEM images of microstructure of SiC p(25nm/Al MMCs with different volume fractions (a—φ(SiC p=1%,均匀分布;(b—φ(SiC p=3%,部分团聚;(c—φ(SiCp=5%,严重团聚・2.2SiC p/Al MMCs的拉伸断裂行为SiC p(25nm/Al MMCs和纯Al的拉伸性能见表1・由表1可见,纳米SiC颗粒对纯Al的增强效果明显・MMCs屈服强度和最大拉伸强度随SiC p含量的增加均线性增加・SiC p体积分数为1%,3%和5%的纳米SiC p/Al MMCs的屈服强度和最大拉伸强度较基体纯Al分别提高了7.7%, 11.8%,26.8%和8.3%,21.3%,30.6%・由于SiC含量较低,因纯Al颗粒表面的Al2O3而引起的MMCs强度变化,经计算发现可忽略不计・由表1还可看出,SiC p/Al MMCs延伸率随SiC p含量的增加明显降低・这主要是由于本研究所使用的超细颗粒极易发生团聚,当外应力作用时,裂纹优先在颗粒团聚处形核,并迅速长大・结果在较小的应变下,MMCs即发生断裂・可见,SiC p/Al MMCs的强度增加是以牺牲塑性为代价的,强度增加越高,塑性降低往往越大・表1复合材料的拉伸性能Table1Tensile properties of the composites材料σ0.2/MPaσb/MPaδ/%纳米SiC颗粒体积分数为1%,3%和5%的SiC p/Al MMCs的拉伸断口形貌见图2・由图2可见,纳米MMCs的断口上分布着尺寸不等的韧窝,说明断裂是通过微观延性断裂机制进行的・但纳米颗粒含量不同,断口形貌也不尽相同・图2不同体积分数的SiC p(25nm/Al MMCs拉伸断口形貌Fig.2SEM images of tensile fracture of SiC p(25nm/Al MMCs with different volume fractions(a—φ(SiC p=1%;(b—φ(SiC p=3%;(c—φ(SiC p=5%・体积分数为1%的纳米SiC p/Al MMCs的断口韧窝大小混合出现,在大的韧窝中分布几个圆形小韧窝,韧窝底部不见SiC颗粒,见图2a・大视场内也不见SiC团聚体,表明SiC颗粒分散较好・555第6期贺春林等:纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能体积分数为3%的纳米SiC p/Al MMCs的断口韧窝尺寸明显较1%纳米MMCs 的小,韧窝也更浅,韧窝尺寸也更均匀,见图2b,在韧窝底部找不到SiC颗粒・由于纳米SiC颗粒细小,数量较大,又很少有明显大的团聚体,使得颗粒间基体的变形空间减小,界面上的三维约束力较高,因而导致韧窝较浅较小,并多数彼此分开,很少出现相互嵌套现象・但也可见局部有大韧窝出现,能谱分析确认此处多含SiC,为纳米SiC颗粒团聚体・在MMCs受拉应力时,团聚体颗粒垂直于应力轴方向开裂,形成大而浅的韧窝・从严格意义上说这些大“韧窝”可能不算韧窝,因为这更近于脆断・在大团聚的SiC颗粒中央处出现二次裂纹,说明团聚体疏松,而处于团聚SiC边缘的颗粒与Al 基体结合良好・因此,SiC 颗粒团聚体行为类似于一个具有临界裂纹尺寸的较大的SiC颗粒・纳米颗粒体积分数增至5%时的SiC p/Al MMCs的断口韧窝数目较多,且形状不规则・能谱分析确认,大韧窝由SiC团聚引起,在团聚SiC 中央常出现与断口垂直的二次裂纹,如图2c的中心处,说明团聚的SiC有利于大韧窝及二次裂纹形核・也发现韧窝中团聚SiC与基体结合良好,未发现界面撕脱现象,这表明Al MMCs的断裂首先从SiC团聚体开始・因此,5%纳米MMCs 的断口具有团聚SiC的脆断和基体的韧性断裂混合特征・这说明高含量的纳米颗粒对Al增强效果会因SiC的团聚而大打折扣・3结果讨论3.1SiC p/Al MMCs的屈服强度Orowan机制引起的材料强度增量可用式(1来预测[9]:Δσor=2Gb/λ・(1式中,λ为颗粒间距,b为Burgers矢量,G为剪模量,对纯Al,b=0.286nm,G=2.64×104MPa・假设增强相为等轴粒子,并以简立方形式均匀分布于基体中,则[7]λ=π6φ(SiC p(13d≈0.806φ(SiC p(-13・d・(23.2SiC p/Al MMCs的最大拉伸强度、延性和拉伸断口形貌纳米颗粒增强Al MMCs,因弥散强化作用,使其拉伸强度达到较高的值・但因SiC含量较高,细小颗粒不可避免地出现团聚现象・由于在Al MMCs压制压力和烧结温度下,SiC颗粒团聚体不能被压实,也不能实现烧结,所以,团聚体内部会存在大量细小的孔隙・当MMCs受力时,外力就会由基体通过结合良好的界面传递给这些大的团聚体,其结果因团聚体内部疏松的结构而在外应力较低时即率先开裂・于是其他未团聚区域受力骤然增加,引起MMCs的过早断裂・结果使MMCs的最大拉伸强度降低,塑性明显下降,断口特征为团聚体的脆性开裂,并有二次裂纹生成,而基体则后于团聚体发生韧性断裂,形成众多小韧窝・由此可见,团聚体对MMCs的拉伸性能的影响,类似于具有临界裂纹尺寸的大颗粒的行为[2,3]・4结论(1纳米SiC颗粒在含量很少时即对纯Al 有明显的强化作用,此时纳米SiC颗粒在基体中的分散比较均匀;当含量较高时则易于出现团聚,团聚会使SiC颗粒对Al的增强效果明显降低・(21%SiC p(25nm/Al MMCs断裂机制为基体的韧性断裂;而当体积分数达到5%时,Al MMCs断裂机制为基体的韧性断裂和SiC团聚体的脆性断裂・参考文献:[1]吕毓雄,毕敬,陈礼清,等・SiC p尺寸及其基体强度对铝基复合材料破坏机制的影响[J]・金属学报,1998,34(11:1188-1192・(L¨u Y X,Bi J,Chen L Q,et al.E ffects of p article size andmat rix strength on the failure mechanism of SiCpreinforce d aluminum matrix composit es[J].Acta Metal l Sin,1998,34(11:1188-1192.[2]Doel T J A,Bowen P.T ensile properties of part ic ula tereinforced met al matrix composites[J].Com posites Pa rt A,1996,27A(8:655-665.[3]Varma V K,Kamat S V,Kutumbarao V V.Tensilebe havior of powder me tallurgy processed(Al-Cu-Mg/SiC pcom posit es[J].M ater S ci Technol,2001,17(1:93-101.655东北大学学报(自然科学版第26卷[4]Arsen ault R J ,Shi N .Dislocation g eneration du e to differe nces between th e coefficients of ther mal expansion [J ].Mater Sci Eng ,1986,81(2:175-187.[5]武高辉,赵永春,马森林・亚微米级Al 2O 3颗粒增强L D 2铝合金复合材料的拉伸性能与强化机制[J ]・复合材料学报,1998,15(3:21-26・(Wu G H ,Zhao Y C ,Ma S L .Tensile properties and stre ngthening mecha nisms of LD 2Al alloy composit es reinforced wi th submicron Al 2O 3part iculat es [J ].Acta M ater Com p Sin ,1998,15(3:21-26.[6]M alch ere A ,Grosbras M ,Demenet J L ,et al .Study of an Al composi tes reinforced with nanometric SiC particles ,produced by mec hanical alloying [J ].M ater Sci Foru m ,1996,225-227:763-768.[7]M a Z Y ,Li Y L ,Liang Y ,et al .Na nometric Si 3N 4particulate -reinforced 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of Materials Science and Engineering ,Shenyang University ,Shenyang 110044,China .Correspondent :HE Chun -lin ,professor ,E -mail :chunlinhe @hotmail .com Ab s tra ct :The SiC nanoparticle reinforced pure aluminum metal matrix composites (Al MMCs were prepared through a powder metallurgy technique .Their microstructures and tensile properties were investigated .The results showed that SiC nanoparticles enhance the strength of pure aluminium significantly even if their content is very low ,with the nanoparticles uniformly dispersed in the Al matrix .However ,when the content becomes higher ,the SiC nanoparticles are easily agglomerated to lower their strength enhancement effect on aluminum .The tensile fracture showed that the damage mechanism of the Al MMCs changes with the changing content of SiC nanoparticles .Ke y w o rd s :Al ;SiC nanoparticle ;metal matrix composite ;microstructure ;tensile property(Received September 16,2004待发表文章摘要预报浮游球衣菌的分离及其对铅离子的吸附性能秦玉春,关晓辉,魏德洲,沈岩柏利用改进后的菌种分离方法,从某污水中分离得到一菌株・研究了该菌株的菌落形态特征、菌株形态特征、生理生化特性、生长曲线、菌种保藏方法及其对Pb 2+的吸附特性・经研究确定该菌株为第十四群鞘细菌类(sheathed bacteria 球衣菌属(Sphaerotilus 浮游球衣菌(Sphaerotilus natans ・吸附实验结果表明:浮游球衣菌对Pb 2+有很好的吸附效果,在10min 内即可达到吸附平衡;在pH 值约为5.5,菌的质量浓度为0.6g /L ,铅离子初始质量浓度不大于20mg /L 时,Pb 2+去除率接近100%・微生物絮凝剂BS -5的筛选及其特性胡筱敏,董怡华,李亮从河水底泥中筛选出一株高效稳定的微生物絮凝剂产生菌BS -5・对该菌培养条件进行优化后,BS -5产生的絮凝剂对高岭土悬浮液的絮凝率可达97.5%・研究了微生物产生菌BS -5培养时间与其培养液絮凝性能的关系,培养液中絮凝活性的分布・以高岭土悬浮液为研究对象,考察了MBFBS -5的用量、pH 值对絮凝性能的影响和热稳定性能・结果表明,MBFBS -5具有培养时间短,用量小,pH 值应用范围广,热稳定性能高等优点・啤酒废水的净化处理结果表明,BS -5产生的絮凝剂具有良好的絮凝作用,COD Cr 去除率可达79.2%・755第6期贺春林等:纳米SiC 颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能。

第３８卷２００２年９月第９期１００６１００８贾仓扁学绞ＡＣＴＡＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＳＩＸＩＣＡＶ０１．３８Ｎｏ．９Ｓｅｐｔ．２００２ＰＰ．１００６１００８ＳｉＣｐ尺寸对铝基复合材料拉伸性能和断裂机制的影响＋肖伯律毕敬赵明久马宗义（中国科学院金属日工究所，沈阳１１００１６）摘要对粉末冶金法制备的不同尺寸ＳｉＣｐ增强铝基复合材料的拉伸性能进行了研究结果表明，小尺寸ＳｉＣＰ（＜７ｐｍ）复合材料断裂以界面处基体撕裂为丰，强度较高人尺寸ＳｉＣｌ，增强复台材料断裂以ＳｉＣＰ解理为主，强度较低，但坦性比小尺寸颗粒增强复台材料要高体积分数为１７％．尺寸为７ａｍ颗粒复合材料拍伸【生能最好关键词铝基复台材料，格｝熹冶金法，颗粒Ｒ寸，断裂机制中图法分类号ＴＢ３３３．ＴＧｌｌ３２５．ＴＦｌ２文献标识码Ａ文章编号０４１２—１９６１｛２００２）０９—１００６—０３ＥＦＦＥＣＴＳｏＦＳｉＣｐＳＩＺＥｏＮＴＥＮＳＩＬＥＰＲｏＰＥＲＴＹｏＦＡＬＵ—ＭＩＮＵＭＭＡＴＲＩＸＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤＢＹＰｏＷＤＥＲＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＭＥＴＨｏＤｘ¨ＯＢｏｌｉｉ．ＢＩ．１ｉｎｇ，ＺＨＡ０ＭｉｎｇＪ２“，ＭＡＺｏｎｇｙｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６Ｃ０７，ｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＸＩＡ０Ｂｏｌｉｉ．Ｔｅｌ：ｆ０２五１２３８４３５３１，５５１７１．Ｆｏｚ：（ｏｚ４）２３８９１３２０．Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｌｘｉａｏ＠ｌＴＭ·．ｎｃ．ｃｎＭａｎｕｓｃｒｉｐｔｒｅｃｅｉｖｅｄ２００１１２１９，ｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２００２０４２６ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅａｌｎｍｉｎｉｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄｂｙｔｈｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｓｉｚｅｓｗｅｒｅｆ＇ａｂｒｉｃａｔｅｄｖｉａｐｏｗｄｅｒｌｎｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄｔｈｅｉｒｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅ（＜７＃ｍ）ｐｏｓｓｅｓｓｈｉｇｈｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ．ｔｈｅｉｒｂｒｅａｋａｇｅｉｓｄｕｅｔｏｔｅａｒｉｎｇｏｆｍａｔｒｉｘｎｅａｒｉｎｔｅｒｆａｃｅＴｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｐｏｓｓｅｓｓｌＯＷｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｉｒｆａｉｌｕｒｅｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｃｌｅａｖａｇｅｃｒａｃｋｏｆＳｉＣｐ，ｂｕｔｔｈｅｙｈａｖｅｈｉｇｈｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅＴｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈｔ７％ＳｉＣｕ（７Ⅳｍ）ｈａｓｔｈｅｂｅｓｔｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙＫＥＹＷｏＲＤＳａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．ｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｍ－ｇｙＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ．ｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ碳化硅颗粒增强铝基复合材料（ＳｉＣ。

SiC泡沫陶瓷／SiCp混杂增强Al基复合材料的性能赵龙志;赵明娟;曹小明;张劲松【期刊名称】《特种铸造及有色合金》【年(卷),期】2008()1【摘要】以SiC泡沫陶瓷和SiC颗粒(7、15、20μm)为混合增强体,用挤压铸造法制备出SiC泡沫陶瓷/SiCp混杂增强Al基复合材料,研究了SiCp颗粒尺寸对复合材料压缩强度和弯曲性能的影响,以及金属基体的韧性对复合材料压缩行为的影响。

结果表明,随着SiC颗粒尺寸的增大,复合材料的压缩强度和弯曲强度降低,最大挠度减小,这是因为随着SiC颗粒尺寸的增大,颗粒间距随之增大,SiC颗粒的强度降低,使SiC颗粒的增强效果减弱。

随着基体韧性的提高,复合材料的塑性变形明显增大,但压缩强度和模量降低。

【总页数】4页(P50-53)【关键词】混合增强复合材料;颗粒尺寸;力学性能;基体韧性【作者】赵龙志;赵明娟;曹小明;张劲松【作者单位】华东交通大学机电工程学院;中国科学院金属研究所【正文语种】中文【中图分类】TB333;TG113.25【相关文献】1.SiC泡沫陶瓷/SiCp/Al混杂复合材料的导热性能 [J], 赵龙志;何向明;赵明娟;曹小明;张劲松2.SiCp与Gr混杂增强Al基复合材料的制备和摩擦磨损性能 [J], 卢德宏3.SiC泡沫陶瓷/SiCp/Al复合材料的热膨胀行为 [J], 赵龙志;赵明娟;曹小明;张劲松4.陶瓷颗粒增强SiCp/Al铝基复合材料制备和性能研究 [J], 郝世明;毛建伟;谢敬佩;刘佳斌5.SiC_(sf)/Si_3N_(4p)混杂增强BAS陶瓷基复合材料的制备及其结构与性能的研究 [J], 马静梅;叶枫;刘利盟;张海礁;于杰;孟庆昌;张新梅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能
贺春林;刘常升;孙旭东;才庆魁
【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2005(026)006
【摘要】用粉末冶金法制备了纳米SiC颗粒增强纯Al基复合材料(Al MMCs),对该材料的微观结构和拉伸性能进行了研究结果表明,纳米SiC颗粒在含量很少时即对Al有明显的强化作用,此时,纳米颗粒在基体中的分散比较均匀;当含量较高时则纳米颗粒易于团聚,团聚会使SiC颗粒对Al的强化作用降低纳米SiC颗粒含量发生变化,SiCp/Al MMCs的断裂机制也有所改变.
【总页数】4页(P554-557)
【作者】贺春林;刘常升;孙旭东;才庆魁
【作者单位】东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004;东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004;东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004;沈阳大学,材料科学与工程系,辽宁,沈阳,110044
【正文语种】中文
【中图分类】TB331
【相关文献】
1.纳米SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺进展 [J], 余志勇;郝斌;崔华;周香林;张济山
2.SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的研究 [J], 徐国智;郭威帅;张鹏
3.应变率对SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的影响 [J], 宫能平;周元鑫;夏源明
4.亚微米级SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能与强化机制 [J], 才庆魁;贺春林;赵明久;毕敬;刘常升
5.纳米SiC颗粒增强ADC12铝基复合材料的制备及性能 [J], 高飞鹏;刘世英;张琼元;韦彦锦;李文珍
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第33卷第9期1999年9月西安交通大学学报JOURNAL OF XI c AN JIAOTONG UN IVERSITYVol.33l9Sep.1999SiC颗粒增强Al基复合材料拉伸性能与断裂机理的研究程羽,郭生武,郭成,朱建民,陈金德(西安交通大学,710049,西安)摘要:研究了颗粒增强铝基复合材料的室温拉伸性能与断裂机理.结果表明,由于材料变形的区域化及残余应力的存在,使应用传统的测量均匀材料强度的方法来测量颗粒增强金属基复合材料(PRMM Cs)强度会产生一定的误差.断口分析显示,PRM MCs的断裂也属于MNG断裂模式.关键词:复合材料;力学性能;断裂中国图书资料分类法分类号:TG304Tensile and Fracture Properties of Al Matrix CompositesReinforced by SiC ParticlesCheng Yu,Guo Shengw u,G uo Cheng,Zhu J ianmin,Chen J inde(Xi c an Jiaotong U niversity,Xi c an710049,C hi na)Abstract:Ex am ined are the tensile and fracture properties of aluminum alloy matrix composites rein-forced by SiC particles at room temperature.T est results show that particles reinforced metal m atrix composites(PRM MCs)exhibit a progressive transition from local plastic flow to bulk flow.T herm al residual stresses were induced by the difference in the coefficient of thermal expansion.Deviations are found for the conventional0.2%(proof)yield stress for the PRM MCs.Fractography shows that frac-ture evolution entails a process of microvoid nucleation,grow th and coalescence for the PRMM Cs. Keywords:composites;mechanical p rop erties;f ractur e颗粒增强金属基复合材料(PRM MCs)由于具有重量轻,比强度、比刚度高和优良的耐磨性等一系列优点,被普遍认为是一种较理想的结构材料,将在航空工业、汽车工业上得到广泛的应用[1,2].为了更好地利用这类具有突出优点的新材料,需要明确该材料的室温机械性能和断裂机理.有关这方面的研究目前尚无令人满意的结果[3,4].本文对一种SiC颗粒增强金属基复合材料的室温拉伸性能和断裂机理进行了实验研究,揭示了影响PRM MCs室温强度的因素和导致材料断裂韧性较低的原因.这些研究深化了对PRMM Cs断裂行为的认识,为合理使用该材料提供了一定的理论依据.收稿日期:1998O09O16.作者简介:程羽,男,1962年9月生,机械工程学院模具与塑性加工研究所,讲师.基金项目:西安交通大学科学研究基金资助项目;机械结构强度与振动国家重点实验室开放研究基金资助项目.1 试验材料、设备和试验方法试验所用材料为PM 法制备的A-l Cu -Mg 基复合材料(相当于2014Al),基体成分如表1所示.增强体采用SiC 颗粒,名义尺寸为10L m,体积分数为15%.为进行比较,制备了相应基体成分的Al 合金试样.表1 基体的化学成分质量分数 %Cu M g F e Si Al 4.50.6<0.45<0.1其余试样采用正挤压,挤压温度为520e ,挤压速度为0.035mm/s,毛坯表面施加石墨润滑剂,挤压比R =12,凹模锥角A =120b .毛坯挤压后按GB7963-87加工成标准拉伸试样,尺寸如图1所示.图1 拉伸试样形状与尺寸室温拉伸试验在Instron1195万能材料试验机上进行,拉伸速度为1mm/m in,由函数记录系统自动记录拉伸O 位移曲线,以获得PRM MCs 与相应基体材料的室温拉伸性能.拉伸后的断口分析在AM-RAY-1000B 型扫描电镜上进行.2 试验结果与分析2.1 PRMMCs 的室温拉伸力学性能试验所得PRM MCs 及相应基体合金的室温拉伸应力O 应变曲线如图2所示,2种材料的弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度和延伸率见表2.从图2可看出,PRMM Cs 的弹性模量明显高于相应基体的弹性模量,增加程度达到29.2%.这主要由于在PRM MCs 的基体中存在着大量的刚性第二相,大大提高了PRM MCs 的刚性.但PRM MCs表2 PRMM Cs 与基体合金的力学性能材料E /GPa R 0.2/M P a R b /M Pa E f /%PRM M Cs 112203.7320.8 4.2基体79.3290.2471.410.69图2 PRM M Cs 与基体合金的室温拉伸应力O 应变曲线的屈服强度约比基体低29.8%,在文献[5,6]关于2014Al+Al 2O 3复合材料与2124Al+SiCp 复合材料的研究中也发现了相同的趋势,这与人们一般认为PRM MCs 应该表现出强化特征的观点正好相反.对此现象可作如下解释:在PRMM Cs 中由于存在着大量不规则的增强体,使得增强体周围产生高的局部应力,基体应力分布的不均匀,必然导致塑性屈服的不同时性,屈服将首先在增强体附近高局部应力处发生,因此当施加的应变尚小于使相应基体合金(无增强体)发生整体屈服时,材料就已偏离了弹性应力O 应变关系,故表现为PRMM Cs 的整体屈服强度降低.这也说明,用传统的R 0.2来表示PRM MCs 的屈服强度存在着不真实性.另外,由于增强体与基体之间的热膨胀系数有较大的差别,使基体中存在着残余拉应力,该应力与外加拉伸应力相叠加,也必然导致拉伸屈服强度的降低.表3列出了PRMM Cs 拉伸与压缩的机械性能,从表中可看出,拉伸与压缩的弹性模量基本一致,但压缩屈服强度却高出15.2%,因此从屈服强度来看,PRM MCs 更适用于构件受压的场合.PRM MCs 抗拉强度较低的原因,是由于在变形表3 PRMM Cs 的拉伸和压缩力学性能项 目E /G Pa R 0.2/M Pa 拉伸变形112203.795第9期 程 羽,等:SiC 颗粒增强Al 基复合材料拉伸性能与断裂机理的研究过程中产生了大量损伤(颗粒断裂或剥离),使得有效承载面积减小所致.2.2 PRMMCs 断裂机理的分析拉伸断裂试样的断口形貌如图3所示.从图3a 中可看出,PRM MCs 断裂平面垂直于拉伸轴,没有颈缩现象产生,这与其拉伸塑性变形量很小相一致,拉伸断裂呈宏观脆性解理断裂特征.图3b 为相应基体合金的断口形貌,其断口与拉伸轴呈45e ,且有颈缩出现,显示材料呈宏观韧性断裂特征.(a)P RM M Cs (b)基体合金图3 拉伸断裂试样的宏观形貌图4为PRMMCs 的微观断口形貌图.由图可见,断口中存在着大量的韧窝(见图4a),因此从微观上来看,PRM MCs 呈现韧性断裂特征.其韧窝的形成方式主要有2种:一种是大韧窝,这种韧窝的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(意味着由颗粒的剥离引起韧窝),也有断裂的颗粒(见图4b 、c),断裂的颗粒一般尺寸较大,其断裂平面垂直于拉伸轴,表明在拉伸变形过程中,大尺寸增强体颗粒的断裂机率较大,这主要是由于颗粒愈大,增强体周围的残余拉应力及增强体中所含裂纹的机率也愈大,因此在拉应力的作用下容易沿拉应力垂直方向发生断裂.第二种韧窝存在于增强体颗粒之间的基体上,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3L m 以下(见图4a).从以上断口分析可以看出,PRMMCs 的断裂过程为:空洞首先在增强体颗粒处形核,形成方式主要为颗粒的断裂或剥离(取决于界面强度和增强体强度),形成原因是增强体颗粒处存在着残余拉应力、刚性体与塑性体变形不协调以及外加应力的共同作用.空洞形成后,在随后的变形过程中进一步长大,但尺寸长大很少(见图4a,b),最后变形被局限在大空洞之间的基体内,并在基体中形成小空洞,这些小空洞继续长大、聚集,直至试样最终断裂.因此,PRM MCs 的断裂也是属于一种空洞形成、长大、聚集的断裂模式及M NG 断裂模式,只是由于变形被严重地局部化,大大加速了基体空洞形成、长大和聚集的过程,从而导致了材料塑性变形能力的极大降低.(a)断口微观形貌(b)颗粒剥离 (c)颗粒断裂图4 PRM M Cs 的断口微观形貌图96西 安 交 通 大 学 学 报 第33卷为了进行比较,本文还研究了相应基体合金的断口,见图5.从图中可看出,其断口韧窝的大小比较均匀且尺寸较大,有些韧窝内还有小夹杂存在,显然为典型的韧性断裂,也属于M NG 的断裂模式,只是其空洞扩展期较PRMM Cs 长,且变形所受第二相约束较少,导致变形比较均匀,所有这些必然表现为基体合金宏观塑性变形量远大于PRMMCs.图5 基体合金断口表面3 结 论(1)室温拉伸试验显示,2014Al+SiCp 复合材料的弹性模量高于其相应基体合金的弹性模量,但强度和塑性均低于相应基体试样.主要原因是变形的区域化,基体中存在着残余拉应力以及颗粒的损伤,使得应用传统的测量均匀材料强度的方法来测量PRMMCs 的强度会产生一定误差.(2)断口分析显示,该材料的断裂属于MNG 断裂模式.空洞首先在增强体颗粒处形成,形成方式有颗粒剥离和颗粒断裂2种.空洞形成后有少量的长大,随后在颗粒之间的基体处,由于变形的严重局部化,使小空洞快速形成、长大,最终聚集断裂.参考文献:[1] Ibrahim I A.Particulate reinfor ced metal matrix compo Osites-a review.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.机械工程材料,1996,20(5):30~33.[3] David L ,M cdanel S.Analysis of str ess -strain,fracture,and ductility behavior of aluminum matrix composites containing discontinuous silicon car bide reinfor cement.M atall T rans,1985,16A(5):1105~1115.[4] Zheng W M ,Lesperance G,Suery M.Effect of thermo -mechanical pr ocessing on the microstructure and mechan-ical properties of A-l M g/SiC and A-l M g/A l 2O 3composite Par t 3.F racture M echanisms of t he Composites,M ater Sci &Eng,1996,214A(1):104~114.[5] R edani M ,gariboldi E.Damage and ductility of particu -late and short -fiber A-l A l 2O 3composites.Acta M ater,1996,44(8):3070~3088.[6] P rangnell P B,Downes T ,Stobbs W M.T he deforma -tion of discontinuously reinforced MM Cs O Ñ,the initial yielding behav iour.A cta Mater,1994,42(10):3425~3436.(编辑 葛赵青)(上接第93页)时,工件的收缩及翘曲变形较大,随着扫描间距的增大,变形程度明显减小;不同扫描方式下工件的变形有明显的区别.因此,在扫描加工过程中,综合考虑加工精度与加工效率,合理配置各个加工参数,可以使得光固化快速加工实现高效、高精度的目标.在实际加工过程中,选择扫描速度及扫描间距曲线中较平坦的部分(如扫描速度在800~1500mm/s,扫描间距为0.1~0.2mm),扫描方式采用变形较小的X O Y 或XYSTA 方式时,可以获得较小的零件变形.参考文献:[1] 王素琴,曹瑞军,段玉岗.激光快速成型中的光化学过程与应用.见:卢秉恒,唐一平,王平编.RP 技术与快速模具制造.西安:陕西科技出版社,1998.176~180.[2] 石利英,毕常青.传感技术.上海:同济大学出版社,1995.[3] 张如一,陆耀桢.实验应力分析.北京:机械工业出版社,1984.[4] [美]柯林斯E A ,贝勒司J,毕尔梅耶F W.聚合物科学实验.王盈康,曹维孝译.北京:科学出版社,1983.(编辑 葛赵青)97第9期 程 羽,等:SiC 颗粒增强Al 基复合材料拉伸性能与断裂机理的研究。