（固体力学专业论文）碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能研究.pdf

成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 垒云母o b d 年月矽日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 日饰时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名喜、碑导师签名：掘班弦f 。年6 月f 。日 能研究 本文主要工作有：( 1 ) 采用粉末冶金法制备了不同基体粒径和增强颗 粒的s i c a 1 材料，对粉末冶金工艺进行了探索。( 2 ) 分析基体尺寸和增强 颗粒粒径变化对材料力学性能的影响。( 3 ) 建立有限元模型，讨论增强颗 粒分布、颗粒形状和颗粒尺寸效应对材料力学行为的影响。本文取得的成 果主要包括以下几个方面： 1 ) 采用粒径分别为7 5 微米、3 6 微米、1 8 微米的纯铝粉制备两种不同增 强颗粒的复合材料。探索了粉末冶金制备s i c a l 的工艺，指出烧结工艺宜采 用分段烧结模式，烧结温度宜在6 0 0 - - - 6 3 0 。c 。通过金相显微镜分析材料的 微观组织，发现基体粒径越小，增强颗粒在基体中越容易分散；大颗粒的 增强颗粒可均匀的分散在基体中，并对基体进行有效的细化。 2 ) 利用拉伸试验、压缩试验研究了基体和增强颗粒尺寸对材料力学性 能的影响。试验结果表明，对于小粒径增强颗粒，采用小粒径的基体可以 有效的提高材料的力学性能；对大粒径增强颗粒，采用小粒径的基体可以 提高材料的强度，但塑性性能提高有限。通过断口分析发现，材料的破坏 主要有三种：一种是基体孔洞、形核、生长聚集引发的塑性破坏；二是沿 着增强颗粒和基体的界面脱黏和断裂；三是增强颗粒脆性断裂。 3 ) 用a b a q u s 大型通用有限元软件分析了增强颗粒分布和颗粒形状对 材料内部应力的影响，采用绕增强相颗粒周围变形强烈不均匀导致的局部 硬化的模型，解释了增强颗粒的尺寸效应。 关键词：金属基复合材料基体颗粒尺寸尺寸效应增强机理 m a t r i xa n d e n h a n c e dp a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yp o w d e rm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s ，f u r t h e rt h e p r o d u c i n gp r o c e s sw a se x p l o r e d t h e n ，a n a l y s i st h em a t r i xp a r t i c l es i z ea n d e n h a n c e dp a r t i c l es i z ee f f e c t so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tl a s tt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l sw e r ed i s c u s s e dt h ep a r t i c l e d i s t r i b u t i o n , p a r t i c l es h a p ea n dp a r t i c l e s i z e 。e f f e c to nm e c h a n i c a lb e a v i o r t h e s er e s u l t si n c l u d e ： 1 ) w i t hp a r t i c l es i z e7 5m i c r o n s ，3 6m i c r o na n d 18m i c r o no fp u r e a l u m i n u m s ，d i f f e r e n tm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e du s i n gd i f f e r e n ts i z e o fs i cp a r t i c l e sw i ld i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o n t h ep o w d e rm e t a l l u r g ys i c a i t e c h n o l o g yw a se x p l o r e d ，a n di t w a sp o i n t e do u tt h a tt h es i n t e r i n gp r o c e s s s h o u l da d o p tt h es u b - s i n t e r i n gw a y , t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r es h o u l db ei nt h e r a n g e o f 6 0 0 - - 6 3 0 c t h r o u g hm i c r o s c o p ea n a l y s i s o ft h em a t e r i a l m i c r o s t r u c t u r e ，i tw a sf o u n dt h a tt h es m a l l e rt h em a t r i xp a r t i c l es i z e ，t h ee a s i e r t h e r e i n f o r c i n gp a r t i c l e sw e r ed i s p e r s e di nt h em a t r i x t h el a r g e e n h a n c e d p a r t i c l e sc a l l b eu n i f o r m l yd i s p e r s e di nt h em a t r i x ，a n de f f e c t i v er e f m e dt h e m a t r i x 2 ) a c c o r d i n gt ot h et e n s i l et e s t sa n dc o m p r e s s i o nt e s t s ，t h ei n f l u e n c eo f m a t r i xs i z ea n de n h a n c e dp a r t i c l es i z e so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a ss t u d i e d d e b o n d i n gf r o mt h em a t r i xa l o n gt h e i ri n t e r f a c e ；t h et 1 1 i r di st h eb r i t t l ef r a c t u r i n g d u et oi t ss t r e n g t hl i m i t 3 ) a p p l y i n ga b a q u ss o f t w a r et h el a r g ed e f o r m a t i o n f i n i t ee l e m e n t a n a l y s e st h er a i n f o r c i n gp a r t i c l e sd i s t r i b u t i o na n dp a r t i c l es h a p eo nt h ei n t e r n a l s t r e s s ，u s i n gt h em o d e lo fa r o u n dt h er e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e sw i t hs t r o n g i n h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o nl e a dt ot h el o c a lh a r d e n i n g ，e x p l a i nt h ee n h a n c e d e f f e c to f p a r t i c l es i z e e f f e c t k e y w o r d s ：m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ；m a t r i xp a r t i c l es i z e ；s i z ee f f e c t , e n h a n c e dm e c h a n i s m m 1 1 引言1 1 2s i m 复合材料的制备工艺l 1 2 1 制备工艺2 1 2 2 制备工艺评价3 1 3 增强机理研究4 1 3 1 载荷传递机制4 1 3 2 位错强化4 1 3 30 r o w a n 强化5 1 3 4 晶粒细化强化o o o0 0 ”5 1 3 5 亚晶强化i oolo0q ooo0 0q o 5 1 3 6 加工硬化强化5 1 4 断裂机理研究6 1 4 1 基体破坏6 1 4 2 增强相断裂m ooolo bbo o 6 1 4 3 界面破坏j r r j o q 0 8 b - 6 1 5s i a l 复合材料力学行为有限元模拟7 1 6 本文研究的主要内容8 第二章材料的制备工艺和金相显微组织1 0 2 1 引言1 0 2 2 粉末冶金原理g 0 0go eooa l o 2 2 1 高能球磨法1 0 2 2 2 粉末烧结原理1 2 2 3 常规粉末冶金制各s i c a 1 工艺1 3 2 3 1 试验原料1 4 2 3 2 粉末混合工艺1 4 i v 1 5 1 5 1 6 1 7 1 7 - 1 8 2 3 2 4 2 4 2 4 3 2 1 试样几何尺寸2 4 3 2 2 拉伸实验测试方法2 5 3 3 拉伸性能及结果讨论2 6 3 3 1 不同晶粒尺寸纯铝的拉伸性能2 6 3 3 2 基体粒径对拉伸性能的影响2 8 3 3 3 不同基体粒径下增强颗粒的尺寸效应3 1 3 3 4 断裂机理分析3 4 3 4 压缩性能3 6 3 4 1 试验几何尺寸和测试方法3 6 3 4 2 纯铝压缩性能3 7 3 4 3 基体粒径对压缩性能的影响3 7 3 4 4 不同基体粒径下增强颗粒尺寸效应3 9 3 4 5 拉压性能比较4 0 3 5 本章小结4 1 第四章s i c l 复合材料拉伸数值模拟4 2 4 1 引言4 3 4 2 二维有限元模型4 4 4 3 材料属性和边界条件4 5 4 4 数值模拟结果及讨论4 6 4 4 1 颗粒分布对应力场的影响4 6 v “4 8 q qoo is 10 00 90 q oo oo o goq 4 9 0 0 0 5 l og mi i p o i 0 00goo 5 3 ge l 0 00 5 5 0 1 00 ( 3 1 so0 o o g 6 2 一系列优异的的物理特性和力学性能，比如低密度、高比强度、比刚度等，碳化 硅颗粒增强铝基复合材料的密度仅为钢的1 3 ，强度比纯铝和中碳钢都高，并且有 较高的耐磨性，能在3 0 0 3 5 0 的高温下稳定工作。其优异的特性在航空航天、 军事领域及汽车、电子仪表等行业显示出了很大的应用前剥。上世纪8 0 年初， 欧美各国开始研发这类新型材料，对材料的制备工艺、微观组织、力学性能、增 强机理与断裂机理等方面进行了许多基础性研列阉。目前，在美国和欧洲等发达 国家，碳化硅颗粒增强铝基复合材料已经进入应用开放阶段，其工业应用已经开 始。而我国对该材料的发展还处于实验研究阶段，制备工艺还不成熟，相关的基 础研究还需要完善 4 - 0 3 。 颗粒增强金属基复合材料的一个重要优越特点在于功能和性能都可以通过设 计进行实现。包括选择不同的基体、增强体、增强体的颗粒形状、颗粒尺寸、体 积分数和制各工艺等方面来改变材料物理和力学性能。在不增强增强颗粒体积分 数下，改变基体和增强颗粒的颗粒粒径大小可以有效的改变材料的微观结构，提 高材料的物理和力学性能。但目前相关的基体和增强颗粒粒径尺寸研究认识还比 较肤浅，缺乏系统的了解，对基体和增强体颗粒粒径尺寸的选择还比较盲目，有 必要对其进行进一步的深入研究。 本文采用不同粒径的纯铝和1 0 微米、5 0 微米的s i c 制备体积分数为1 0 的金 属基复合材料，通过试验对其微观组织、力学性能进行分析，并结合有限元模拟 其微观结构对材料力学行为的影响，加深了对基体和增强颗粒尺寸对材料性能影 响的认识。 1 2sic a l 的制备工艺 粉末冶金法是以金属粉末为原料制造金属制品的工艺和技术，粉末冶金法的 一个很大优点是可以任意调节增强相的体积分数，并且可以比较准确的控制其成 分比，增强颗粒的粒径可在纳米至微米范围内调节，增强相体积分数最高可达7 0 0 5 。 目前采用机械粉末冶金法制备，可以得到增强颗粒分布均匀、界面结合良好的复 合材料，该方法制备的复合材料其力学性能良好，制备工艺也较为成熟，缺点是 粉末冶金制备时须在密封、真空或保护气氛下进行，对设备的要求比较高，生产 成本也相应较高，另外，粉末冶金法制备的零件其结构和尺寸受限制，生产工艺 程序多，制备周期长【4 ，妒】。 2 搅拌熔铸法 搅拌熔铸法是将s i c 增强颗粒放入熔融的铝液中，通过搅拌使其分散，燃烧 铸造成型。该方法工艺简单，成本低，可以实现规模化生产【4 1 。这种方法的缺点在 于s i c p 增强体颗粒与铝溶液润湿性差，通过搅拌使增强体颗粒分布均匀较为困难， 同时增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此界面结合也较差。此外， 加入的增强体颗粒的粒径通常大于1 0 微米，体积分数一般不超过2 5 ，与其他方 法相比，该方法制备的复合材料力学性能较差 7 , g , l o i 。袁广江f 8 】等采用真空搅拌铸造 法很好的解决了s i c 颗粒与铝溶液的润湿问题，制备了颗粒在基体中弥散分布均 匀的复合材料，并获得了良好的力学性能。 3 压力铸造法 压力铸造法是将增强体制成预制块，对液态金属施加压力使其渗入预制块内 制成复合材料【3 ，1 0 1 。该工艺的主要优点是：可制造形状与最终制品形状相同或相近的 制件，浸渍时间短，液态冷却快，可有效的改善增强体和基体的润湿性，消除或 减轻颗粒界面反应，增强体体积分数可调范围大。主要缺点是制备增强体成形比 较困难，强度不高，预制块在压力渗透过程中容易崩溃，金属熔体不易充分渗入 2 广西大国昀页士掌位论文磅订艺嗣翻页粒增强铝基复合4 。j 4 n - 的力学性能研究 颗粒。最近的研究表明，增大压力可以使金属液体有效的渗入预制件中网。 4 喷射沉积法 喷射沉积法是一种新型的凝固技术，它是将液态金属在高压下雾化，在液态 金属流出时，将增强颗粒喷射入金属液体中，两相混合的雾化液体在容器中沉积 成形【1 1 1 。其突出的优点是可以直接由液态金属雾化沉积成形，冷却速度快，界面 反应受到抑制，颗粒分布也较为均匀，材料空隙数量少。制造成本在粉末冶金法 和挤压铸造法之间。但增强颗粒和基体金属是机械结合，材料的抗拉强度受到一 定限制【9 】。 一 5 无压渗透法 无压渗透法也称l a n x i d e 工艺，是预先把增强体用粘结剂粘结形成预制件，在 金属模具内浇注金属液体，利用金属液态自重压力和表明压力使其渗入预制件中， 凝固成形1 4 】。这种方法工艺相对简单，便于操作，金属液体能较好的浸润增强体的 表面，增强颗粒和基体界面结合良好。但预制件的预热临界温度很难控制。目前 这种工艺已实现工业规模制备搞体积分数的颗粒增强铝基复合材料【4 8 9 】。 1 2 2 制备工艺评价 表1 1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料制各方法评价【4 1 特性粉末冶金搅拌熔铸压力铸造喷射沉积无压渗透 微观结构多样性 12222 增强体最高含量 7 0 3 0 2 0 左右3 0 7 0 n 5 增强体尺寸纳米至微米1 0 微米5 微米微米级纳米至微 米 增强体均匀性非常均匀一般 一般宏观不均匀非常均匀 界面结合状况良好一般般良好良好 气孔率很小 1 很小很小较小 力学性能 1422l 低成本潜力4 1221 半机械化生产能力 3l411 工艺成熟性 1241l 注：数字表示定性级别，1 表示级别最高 从表1 1 可以看出，粉末冶金法制备的m m c s 增强颗粒分布均匀，界面结合良 好，材料的力学性能最高，工艺也较为成熟但成本高。搅拌熔铸法制备的m m c s 3 碳化硅颗粒增强铝墓复合材料的力掌性能研究 增强颗粒和铝液的润湿性较差，难以实现增强颗粒的均匀分布，同时界面反应强 烈，界面结合性能也较差。该方法制备的m m c s 力学性能较差但成本比较低，压 力铸造法、喷射沉积法和无压渗透法介于上述两种方法之间。 1 3 增强机理的研究 m m c s 的增强一般是指其屈服强度、抗拉强度、弹性模量和加工硬化率的提 高，基体性能、增强相性能、增强相颗粒形状、颗粒粒径、体积分数和制备工艺 等方面都会影响m m c s 的增强效果，目前对m m c s 增强机理可以归纳为以下几个 方面。 1 3 1 载荷传递机制 碳化硅颗粒强度很高，其弹性模量远大于纯铝的弹性模型，复合材料在承受 载荷时，由于变形协调的作用，碳化硅颗粒将承受较大的应力，而金属基体承受 较小的应力。按这样的载荷传递的机制，材料的承载能力能够得以提高。这也是 连续介质力学对复合材料力学性能的理论解。假定m m c s 中增强颗粒颗分布均匀， 界面结合完好，那么只要体积分数相同，材料的强度应该是一样的，材料的强度 和颗粒尺寸及形状无关。但实际上是增强颗粒尺寸增大，m m c s 的强度下降，增 强相的加入会引起基体金属的微观结构发生重大变化，从而影响其增强机制，载 荷传递机制并不能完全解释m m c s 的增强机理【1 2 】。 1 3 2 位错强化 实验观察发现【1 2 1 ，m m c s 的基体中存在高密度的位错，一般基体中位错密度 是未增强基体的1 0 1 0 0 倍。位错产生的原因主要是增强颗粒和基体金属间的热 膨胀系数有很大的差异，常温下，s i c 颗粒的热膨胀系数为4 7 x 1 0 击，而纯铝的 热膨胀系数约为2 5 3 x l o 。6 。m m c s 在从制备或热处理温度冷却下来时，热胀系 数差异会产生热错配应力，当热错配应力大于基体的屈服强度时，会释放出位错 环来松驰。位错密度在m m c s 中基本呈梯度分布，在增强颗粒界面处的位错密度 高，距离界面越远其位错密度随之减小，位错强化是金属基复合材料一种重要的 4 硝“匕硅颗粒增强铝基复合衣h 斗的力掌目。范司阳恕 强化机制，它跟增强颗粒的体积分数和尺寸有很大的关系。 1 3 3o r o w a n 强化 m m c s 的增强相为小粒径的弥散颗粒时，材料的增强可能更多是增强相的加 入引起的位错运动受阻，这种机制一般称为o r o w a n 模型【1 4 1 。根据o r o w a n 理论弥 散颗粒的间距越小，颗粒对位错运动的阻碍越大，材料的强度就越高。只有当增 强颗粒粒径小于1 微米时，这种机制才会起作用。 1 3 4 晶粒细化强化 在对材料热机械加工过程中，材料会发生再结晶。当粒子直径大于l 朋时， 粒子会促发形核1 7 1 。加入纳米s i c 颗粒，会阻碍基体晶粒的生长，产生了更多 的晶界钉扎，从而使得材料性能得到很大的提高。 1 3 5 亚晶强化 增强颗粒的体积分数与直径之比匕d 大于某一临界值时，亚晶对m m c s 的 强度会有所贡献，强度增量可以根据h a l l p e t c h 关系来估算1 5 】。由于亚晶强化也会 在再结晶后的m m c s 产生，因此很难根据d 和k 来估算其对强度增量的贡献。目 前，对于基体中亚晶尺寸大小的变化的具体强化机制研究还不是很清楚。 1 3 6 加工硬化强化 m m c s 变形时，增强颗粒和基体的变形差异很大，增强颗粒刚度大，变形小， 而基体相对较软，变形大，基体的二次滑移会集中在颗粒四周，增强颗粒与基体 界面附近有会增加许多位错，并且位错密度随着应变增加迅速增大。这些位错阻 碍原有滑移位错的运动，从而提高材料的强度。 上面几种强化机制彼此相互作用，一般都是联合共同作用增强材料性能，而 且增强作用不能简单叠加。另外，预测复合材料强度时，还应考虑热残余应力的 影响，在制备过程或者热加工过程中，由于增强颗粒和基体的热膨胀系数差异， 5 碣“匕司翻贸粒增强铝墓复合材料的力掌憎- j 皂研究 会产生热残余应力，基体的热残余应力为拉应力，因此m m c s 的拉伸强度通常小 于压缩强度【2 喇。 1 4 断裂机理的研究 目前对m m c s 断裂机制的研究可以总结为三类【2 3 3 0 】：( 1 ) 基体中产生孔洞的 形核、生长和聚合引起的延性破环。( 2 ) 增强颗粒的脆性破坏。( 3 ) 孔洞在在基 体和增强颗粒界面形成，并沿界面的脱粘，造成增强颗粒从基体中拔出。 1 4 1 基体破坏 对于许多金属基复合材料，基体中孔洞的形核、生长和聚合而引起的塑性 破坏是主要断裂机制。由于增强相颗粒和基体热膨胀系数的差异，两者变形的不 协调，会使基体塑性应变集中和热收缩不均匀。特别是在增强相的团簇或者尖角 处区域，会产生很高的应力应变集中，在应力应变集中区域，孔隙易于形核。对 于增强颗粒粒径小于5 微米且体积分数不大的m m c s 一般都是基体破坏失效 - 2 6 】。 1 4 2 增强相断裂 增强颗粒的尺寸，分布和形状都对材料的微观破坏机制有重要的影响，在恒定 塑性应变下，大颗粒比小颗粒容易发生断裂。l l o y d 发现增强颗粒粒径大于2 0 微 米，颗粒解理断裂的数量明显增大，颗粒断裂是m m c s 发生断裂的重要机制，而 当颗粒小于5 微米时很少有颗粒断裂出现，基本是基体的韧性断裂。大颗粒自身 的缺陷和损伤比小颗粒多，更容易发生断裂。不规则的颗粒对周围基体的束缚能 力比球形颗粒要强，自身承受的载荷也相应增大，发生解理断裂的概率也随之增 大。 1 4 3 界面破坏 m m c s 中增强颗粒和基体是通过结合界面来传递载荷，界面的结合情况决定 了载荷传递的效果和界面的破坏形式，一般来说，界面结合强m m c s 的孔隙多起 6 硝订艺硅颗粒增强铝基复合材料的力掌口；能萄愧 源于增强颗粒周围基体内，而界面粘结较弱的m m c s 断裂多始于界面处【3 1 1 。因此 控制界面破坏可以有效的改变m m c s 性能，比较常用的方法有：1 ) 对增强相进行 热处理或者增加涂层：2 ) 对m m c s 进行热处理。增强相和基体的化学反应、沉淀 反应以及颗粒团簇等都对界面产生不利的影响，导致界面不净洁，从而易于产生 孔隙和裂纹。同时增强相的表面粗糙，其尖锐的边角构成了几何上的缺陷，会加 快材料的破坏过程。在粉末冶金法制备的m m c s 过程中，混合粉末中常含有细小 的氧化物颗粒，热压烧结时若不能将其分散开，它们可能会在界面处聚集，当材 料受载时，界面会容易脱粘例。 1 5s i c a i 复合材料力学行为有限元模拟 细观尺度：细观尺度的模型主要是采用表征细观结构的代表性单胞单元，分 析单胞单元在载荷作用下的力学行为，建模方式主要有两种：1 ) 基于几何建模的 周期性单胞模型，该模型中增强颗粒的分布形式主要有单颗粒轴对称或者多颗粒 随机分布。s h e n 3 q 比较了多颗粒3 d 单胞模型、多颗粒2 d 单胞模型，结果发现三 维模型的微观应力和应变分布不同于二维模型，建议采用多颗粒三维模型来准确 预测材料的力学行为。康国正【3 2 j 采用2 d 和3 d 单胞模型分析了s i c a i 单轴棘轮行 为，结果表明2 d 和3 d 单胞模型在预测棘轮演变规律基本相同，但棘轮应变不同。 b o r b e l y t 3 3 】通过二维多颗粒模型研究了增强颗粒分布和方向对材料在单轴拉伸载荷 作用下的影响：a r r a y 3 4 】等采用二维模型分析了增强颗粒分布和强度对材料拉伸行 为的影响，指出颗粒均匀分布时，l v i l v i c s 的强度最高；l d 3 5 】等用多颗粒模型了模 拟了m i v i c s 的硬化和破坏方式；c h e n l 3 6 】采用二维细观模型分析了颗粒几何形状对 m m c s 强度的影响。a e c k s c h l a g e l d 3 7 采用w e i b u u 形式的颗粒断裂概率分析了单轴 拉伸作用下m m c s 的损伤演化；d r a b e k 3 8 】引入非局域平均化的塑性损伤模型有效 消除模型计算对网格划分的依赖性。2 ) 基于材料实际微观结构的有限元模型， c h a w l a l 3 9 等利用先进的图像处理技术和有限元结合，更真实的反应了复合材料内 部颗粒的形貌和分布，预测m m c s 的弹性模量和应力应变关系更为准确。a g r a w a l 4 0 利用真实微观结构二维有限元模型分析了颗粒分布对裂纹扩展路径的影响。 宏观尺度：宏观尺度的有限元模拟能够描述加工过程中材料的变形情况，对材 7 广西大学硕士学位论文磅“匕硅颗釉漕强铝墓复合材年事的力学性能研究 料的热变形工艺的制定、模具设计及加工设备的选择都有重要的指导作用。国内 外目前对这方面的研究报道还不是很多，现有的研究主要是通过本构关系来描述 颗粒的作用效果，而忽略增强颗粒的几何形状、尺寸、分布等对微观结构的影响。 程羽【4 1 】等采用回归方程方法，将颗粒增强金属基复合材料视作粘塑性材料，构造 出材料的本构方程；徐绯【4 2 1 给出了一个能描述增强颗粒体积分数、颗粒形状和基 体性能的本构方程。 经典的弹塑性理论不包含任何尺度，因此不能反应增强颗粒尺寸对材料力学性 能的影响。为了表征增强颗粒的尺寸效应，s q u 4 3 】等利用应变梯度塑性理论结合 有限元研究了增强颗粒的尺寸效应，并考虑了基体淬火硬化和界面脱粘的影响， 模拟结果和l l o y d 的试验结果比较吻合。y a n l 4 4 1 等用t a y l o r 非局部应变梯度理论和 有限元结合的方法研究了增强颗粒大小对m m c s 强度和内部应力的影响。 1 6 本文研究的主要内容 目前的研究很多都集中在讨论增强颗粒的颗粒尺寸、形状和体积分数对材料 微观结构和力学性能的影响。事实上增强颗粒要均匀的分布在基体中并与基体进 行良好的结合，必须考虑基体也必须提供足够多的结合面与增强相进行结合。本 文采用了不同粒径的基体制备s i c a 1 ，对基体粒径大小对材料的微观组织和力学 性能进行研究，并结合数值模拟进行分析。主要的工作包括以下几个方面： 1 ) 分别采用2 0 0 目、4 0 0 目、8 0 0 目的铝粉分别制备增强颗粒粒径为1 0 微米、 5 0 微米，体积分数为1 0 的金属基复合材料。通过金相显微镜分析材料的微观组 织结构，观察增强颗粒在基体中分布和界面结合情况，对材料的制备工艺提出建 议。 2 ) 通过拉伸和压缩试验，分析不同基体尺寸以及增强颗粒尺寸对材料力学性 能的影响，分析其增强机理，着重讨论基体粒径变化对材料塑性变形的影响。通 过断口形貌分析材料的破坏方式。 3 ) 在实验分析的基础上，建立了增强颗粒不同分布的二维有限元单胞模型， 分析不同分布状况下的应力变化，比较球形和立方体增强颗粒增强效果的差异； 8 研究 9 细观 目前对粉末冶金制备工艺的研究表明，充分的球磨时间和一定的球磨转速能 得到更好性能的材料，纯铝的熔点为6 6 0 ，由于增强相的存在，烧结过程中会出 现局部过热现象，因此烧结温度一般在6 1 0 6 3 0 左右为宜，同时增大烧结压力 可以获得致密性更高的材料。 本章先对高能球磨法的基本原理和粉末冶金方法的基本烧结理论作简单介 绍，主要工作是对粉末冶金方法的制备s i c a 1 工艺进行探索。采用粒径分别7 5 微 米、3 6 微米、1 8 微米的铝粉制备了1 0 微米和5 0 微米两种不同s i c 粒径，体积分 数均为1 0 的s i c a 1 复合材料。然后利用金相显微镜观察材料的显微组织，分析 增强颗粒在基体中分布的均匀性和不同粒径基体的晶粒尺寸变化。 2 2 粉末冶金相关原理 2 2 1 高能球磨法 高能球磨法，又称机械合金化。高能球磨可以使得金属粉末混合物相互碰撞， 发生变形、断裂、扩散或者发生固态反应形成合金粉末。1 9 6 0 年代末期美国的 b e n j a m i n 等人率先将高能球磨法应用于机械合金化工艺脚4 刀。1 9 9 0 年m a u r i c e 等 人定义了球碰撞速度、温度和时间等参量，建立了碰撞过程的粉末变形、断裂和 l o ( a ) 规则运动；( b ) 无规则运动 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o v e m e n tw h e nt h eb a l lm i l l i n g ( a ) r e g u l a re x e r c i s e ；( b ) n or e g u l a re x e r c i s e ab 图2 - 2 粉末变形示意图( a ) 镦粗( b ) 剪切 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp o w d e rd e f o r m a t i o n ( a ) u p s e t t i n g ( b ) s h e a r 如图2 1 ，2 2 所示。在球磨过程中，金属粉末颗粒、钢球和瓶壁相互发生强 烈的碰撞，使粉末发生变形。图2 1 为磨球运动示意图，可见只有磨球为异向运动 时，球和球才会发生碰撞( 如图2 1 b ) ，使得粉末颗粒受力发生镦粗和剪切变形( 如 图2 2 ) ，而如果磨球都是有规则的同向运动，球和球之间不会发生碰撞，粉末颗 粒不会发生变形( 如图2 1 a ) 。樊建, 9 1 4 8 】等人对球磨后颗粒分布的均匀性研究表明， 高能球磨法可以使增强颗粒均匀分布在基体中，是实现增强颗粒均匀分布的有效 方法。常规干混时有最佳混粉时间，而对于湿混条件下，混料的均匀度随着时间 物) 作为原料，将增强体与金属粉末按设计要求的比例在适当的条件下混和均匀， 经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及其它类型制品的工艺技术，常用 于制备与成形非连续增强体( 短纤维、晶须或颗粒) 增强金属基复合材料。 粉末首先被压制成粉末压坯。每个粉末颗粒都有它的自由表面能。压坯的表 面能是大量粉末自由表面能的总和。在烧结过程中，粉末压坯从高能状态向低能 状态过渡，也就是向只有一个外表面的致密材料的低能状态过渡。过渡的途径是 减小粉末的自由表面，从而降低整个压坯的表面能。颗粒的并合可以消除一部分 颗粒表面，另一方面，压坯中的孔隙内表面是由多个粉末颗粒挤压在一起形成的 孔隙，孔隙的收缩或者消失，粉末颗粒的外表面逐渐减小乃至消失，从而整个压 坯的表面能减小。这是对烧结过程不断进行的能量解释。粉末粒径越小，压坯具 有的表面能越大，烧结需要的驱动力就越大。 常用两球模型作为推导烧结物质迁移机理的基本模型。两个球是两个球形粉 末颗粒的模型化，两球接触部位称为烧结颈，以烧结颈的扩展、拓宽和生长，以 及两球心距离的缩短表示烧结过程的进行。 烧结刚开始时，在压力的作用下，颗粒的接触点会形成冶金结合点两颗粒 之间的连接点称为烧结颈( 见图2 3 a ) ，这一阶段称为烧结颈形成阶段。这个阶段颗 粒只是形成了结合点。颗粒未发生移动，压坯收缩不大，但强度有了实质性的变 化，其导电导热性也有了相当大的变化。 当温度升高到一定温度时，烧结颈由点向面发展即烧结颈的长大，这一阶段 称为烧结颈长大阶段( 如图2 - 3 b ) 。随着烧结颈的长大，两个颗粒合并成一个颗粒， 颗粒界面成为晶界面。烧结继续进行，晶界会发生迁移，原先颗粒接触面的晶界 消失，形成晶粒的组织结构，此时烧结完成。在烧结过程中，颗粒中心间距离的 缩短，烧结体发生收缩使得烧结体密度提高，其力学性能和物理性能也会得到 较大提高。 硝“匕硅颗粒增强铝基复合材料的力掌a 巨研究 a 后若继续保温，颗粒间的孔隙会在最小表面能 结体密度变化不大但由于孔隙的球化，其力学 间过长会发生晶粒的粗化，反而对材料力学性能 馕翁蜀 b a 烧结颈形成b 烧结颈部 图2 3 烧结颈示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n t e r i n gn e c k 2 3 常规粉末冶金制备s i c a l 工艺 碳化硅颗粒增加铝基复合材料的工艺流程图如下： 图2 4 粉末冶金工艺流程 f i g 2 - 4p o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s 先将铝粉和s i c 颗粒放入高能行星球磨机，加入纯工业酒精作为分散剂，以 3 0 0 转分钟的速度混匀8 小时，然后在真空6 1 0 温度和3 5 m p a 压力下在石墨模 具中进行烧结，烧结时间共计2 0 分钟，其中恒温保温时间1 0 分钟，得到5 0 2 4 碳化司啊页粒增强铝蓉复合材料的力掌性能研究 x5 m m 的矩形试件。下面将详细介绍本实验采用的原料和制备工艺。 2 3 1 试验原料 1 s i c 颗粒 本试验选择了两种不同粒径的口s i c 颗粒，平均粒径分别是1 0 微米和5 0 微米。 s i c 颗粒形状为不规则的多面体，s i c 颗粒的物理性能如下表： 表2 1s i c 颗粒物理性能 化学特性：抗磨，耐高温，特别耐热震，耐腐蚀，耐辐射。 2 铝基体 选用2 0 0 目、4 0 0 目、8 0 0 目三种不同粒径铝粉基体，粒径分别为7 5 微米，3 5 微米，1 8 微米，分析纯，纯度9 9 o 。铝的熔点6 6 0 。 2 3 2 粉末混合工艺 根据粉末的理论密度，将粉末的体积比转化为质量比： 即孝m 协。 m 。- - m - m 口 ( 2 2 ) 式中m p 、m 。和m 分别为s i c 颗粒、铝基体和m m c s 的质量，b 和成分别为 s i c 颗粒和铝基体的密度。 细粉末混合容易产生团聚，影响材料的最终性能，因此尽可能地将增强体均匀 的散布在基体中是混料好坏的关键。先将s i c 粉末和铝粉按质量比例配好，倒入 装有氧化锆球体和树脂磨罐中，加入适量的工业纯酒精，然后将球磨罐固定到行 星式球磨机上进行湿混，球磨速度为3 0 0 转分钟，球磨时间8 小时。球磨完成后， 取出氧化锆球体，将粉末和酒精一同装入烧杯，然后放入真空烘干箱中进行烘干， 1 4 究 图2 - 6 粉末冶金采用的模具图 f i g 2 - 6m o l du s e di np o w d e rm e t a l l u r g y 图2 8 红外测温计 f i g 2 8 i n f r a r e dt h e r m o m e t e r 图2 7 腾龙热压烧结炉 f i g 2 7s i n t e r i n gf u r n a g , e 图2 - 9 采用热压烧结方法所得材料 f i g m a t e r i a lf r o ms i n t e r i n gm e t h o d 图2 - 4 、2 5 、2 6 是粉末烧结的主要设备和仪器，球磨后的粉末在真空6 1 0 温度和3 5 m p a 压力下在石墨模具中进行烧结，烧结时间共计2 0 分钟，其中恒温保 温时间l o 分钟，得到5 0 x 2 4 x 5 m m 的矩形试件。 2 3 4 粉末冶金法工艺探索 本文中尝试多种方法进行烧结，最初采用烧结温度5 8 0 c ，烧结压力2 5 m p a ， 升温5 分钟，持温1 0 分钟，5 分钟降温，制备7 0 x1 2 x 7 m m 的长条形试样，试验 表明，材料的抗拉强度很低，基本都是脆性断裂，材料内部还有粉末存在，烧结 碳化司翻页粒增强铝蓉复合材料的力学性能研究 未完全。随后升高烧结温度到5 9 0 ，烧结压力3 5 m p a ，制备5 0 1 2 x8 m m 的长 条形试样，材料的性能虽然相对有所提高，抗拉强度和塑性变形仍比较低。其原 因主要是：( 1 ) 烧结温度不足，烧结持温时间不足。铝的熔点是6 6 0 ，在持温时 间只有1 0 分钟的情况下，胚体内部的温度达不到烧结温度，材料内部结合主要是 机械结合。( 2 ) 烧制长条形试件，试件两端受压相对中间小，形成局部不平，造 成局部薄弱。 根据烧结规范和试验经验，对纯金属铝粉采用粉末冶金法制备的s i c a i 复合 材料，宜采用分段式烧结的模式，避免升温过快造成流料现象；烧结温度应低于 各金属元素的共晶温度；烧结温度宜在6 1 0 - - - 6 3 0 c 为宜，持温时间应超过3 0 分钟， 最好在等静压下进行烧结。 我们采用如下方法命名材料( 参见表2 2 ) ，以不同目数的铝粉命名其制备的 纯铝，如2 0 0 目纯铝粉制备的纯铝表示为2 0 0 目纯铝；以m m c 起始，阿拉伯数 字分别代表材料粒径，和基体材料的目数。如包含l0 微米颗粒基体颗粒尺寸为2 0 0 目纯铝的材料表示为m m c l 0 2 0 0 。 2 4 试样密度测定 分别将试样在空气中和在已知密度的液体中称重，应用阿基米德原理，由测 得的试样的质量按下式求得密度： p = m 岛i c m - m _ f ) ( 2 - 3 ) 式中m 和仉分别为复合材料在空气和在蒸馏水中的质量，岛为蒸馏水在2 0 c 时的密度。测试用的分析天平精度为0 1 9 。测试结果取三次平均值。假设在烧结过 程中组分间不发生反应得到其理论密度公式为： 绳论= 易+ ( 2 - 4 ) 式中、分别是是试样中增强颗粒和基体的体积分数，伟、氏是增强颗粒 和基体的理论密度。 1 6 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性j 皂研究 体积分数为1 0 的s i c a 1 的理论密度为2 7 5 g m m 3 ，由表2 2 可见，所有材料 的实际密度都达到理论密度的9 9 以上，表明采用粉末冶金法可以获得比较致密 的材料，空隙很少。 2 5 材料的微观组织 2 5 1 金相试样加工 对复合材料进行金相观察，是观察材料中s i c 颗粒分布情况、界面结合情况 及材料冶金质量的有效方法【5 们。金相试样制备是金相研究非常重要的一部分， 它包括试样的截取、试样的镶嵌、试样的磨光、试样的抛光、腐蚀和金相显微 组织的显示。截取试样、用牙膏粉镶嵌后，用粗砂纸先对试样进行粗磨，从2 8 0 # 砂纸起磨致2 0 0 0 # ，然后采用不同粒径的研磨膏对试样进行抛光，最后采用腐蚀液 进行腐蚀，腐蚀后的试样在金相显微镜下进行观察。 图2 - 9 研磨机 f i g 2 - 9g r i n d i n gm a c h i n e 1 7 图2 1 0 金相显微镜 f i g 2 1 0m e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e 图2 1 12 0 0 目纯铝金相照片 f i g 2 - 112 0 0m