金属基复合材料1资料

（b) Al基体和四种 SiCp/Al 复合材料的抗拉强度和屈
服强度如图
从图中可以看出抗拉强度和屈服强度有相
同的变化规律，即颗粒尺寸越小，复合材 料的屈服强度、抗拉强度均越高。
（c）Al基体和四种 SiCp/Al 复合材料的延伸率如图：
从图中可以看出复合材料的塑性均较基体大
幅度降低。复合材料的延伸率随着颗粒尺寸 的增加而增加，但当颗粒尺寸增加到 56μm 时，复合材料的延伸率反而下降。其中， MMC1 复合材料的延伸率最低(11.14%)，只 有纯 Al 延伸率的近 化来定性表征热残余应 力。复合材料基体(200)面间距与增强体颗粒尺寸 的关系如图：
（4）颗粒尺寸对复合材料拉伸性能的影响
（a）SiCp/Al 复合材料及纯 Al 拉伸的应力-应变曲 线如图所示：
由图可知复合材料的流变应力比纯 Al 的高，
且颗粒尺寸越小，流变应力提高的越明显； 颗粒尺寸越小，复合材料的加工硬化率越高。
（1）用粉末冶金方法制备体积分数为 20％ 的四种不同颗粒尺寸(1μm、5 μm、20 μm 和 56 μm)的 SiCp/Al 复合材料； (2）观察复合材料的微观组织结构； (3)测试含不同颗粒尺寸复合材料的室温拉伸 性能；
不同尺寸的SiC颗粒形貌：
粉末冶金法制备复合材料流程图：
实验结果及分析
（2） 颗粒尺寸对基体中位错密度的影响
由于 Al 基体与 SiC 颗粒热膨胀系数的巨大差
异，在复合材料热挤压完毕后由高温冷却到 室温时，基体与颗粒界面处产生较大的热错 配应力。随着冷却的不断进行，热错配应力 逐渐增大，当错配应力超过 Al基体的屈服强 度时，颗粒附近的基体会发生屈服变形，使 热错配应力得以部分松弛，同时会在近界面 区的基体中产生高密度的位错。
表面处理对颗粒表面形貌的影响
原始颗粒与不同方法处理后的颗粒表面形貌如下图：
上图表明：
方法1处理的颗粒钝化效果明显； 方法2处理的颗粒表面有众多蚀坑和锯齿状的刻 痕，比表面积增大，实现了颗粒粗化； 方法3处理的颗粒棱角有所钝化。
表面处理对颗粒物相组成的影响
3种方法处理后的SiC颗粒X射线衍射图谱如下：
由图可知： 方法1处理的SiC颗粒X射线衍射图谱中没有
出现SiO2的衍射峰，但在SiO2衍射峰位置 出现了弥散峰。 方法2 处理的SiC颗粒X射线衍射图谱中氟 锆酸钾（K2ZrF6)的衍射峰强度比较低但是 比较明显， K2ZrF6在SiC颗粒表面析出。 方法3处理的SiC颗粒X射线衍射图谱中无氧 化硅及其他杂质存在。
表面处理对复合材料组织的影响
用不同方法处理的SiC颗粒制备的复合材料金相组织如图：
由上图可以看出，用原始态SiC颗粒制备的复
合材料颗粒团聚现象严重，而经过3种表面处 理后的复合材料中颗粒分布的均匀性都有明 显的改善。
结论
（1）酸洗+高温氧化处理使SiC颗粒明显钝化，表 面被一层非晶态的SiO2膜包裹，颗粒表面状态得 到了改善； （2）碱洗+氟酸盐处理使SiC颗粒表面粗化， K2ZrF6在颗粒表面结晶析出； （3）碱洗+酸洗处理后SiC颗粒表面平直、干净， 棱角有所钝化； （4）SiC颗粒经各种工艺表面处理后，与原始态相 比，团聚现象明显减少。
（1）SiC颗粒尺寸对颗粒分布均匀性的影响
SiCp/Al 复合材料中的颗粒分布 （a）MMC1; (b) MMC5; (c) MMC20; (d) MMC56
从图中可以看出，制备出的复合材料中碳化
硅颗粒比较均匀的分布在基体中。增强体颗 粒尺寸越大，颗粒间距越大，分布越均匀。 对小尺寸的增强体颗粒，团聚现象也不太明 显。
• （5）拉伸断口形貌如图所示：
从图中可以看出，颗粒尺寸越小，复合材料
断口的韧窝和撕裂棱越多。 56μm 大颗粒增 强的复合材料呈现脆性断裂特征，颗粒的解 理断裂比较严重。
结论
a、复合材料的位错密度和热残余应力随着颗粒 尺寸的增大而减小。 b、复合材料的抗拉强度和屈服强度均随着颗粒 尺寸的增大而减小。 C、颗粒尺寸通过两种方式影响复合材料的变 形行为：位错强化机制和大颗粒断裂损伤弱 化机制。
2、影响颗粒增强金属基复合材料组织 性能的因素：
基体金属种类、增强体形貌和含量，界面结 合情况等是影响复合材料性能的主要因素。
（3）本报告研究内容：
通过实验分别研究SiC颗粒的尺寸及表面处理
对SiCp/Al复合材料组织性能的影响。
一、颗粒尺寸对SiCp/Al力学性能的 影响
实验内容：
颗粒尺寸及表面处理对 SiCp/Al 复 合材料组织性能的影响
综述
1、颗粒增强金属基复合材料特点：
（1）与传统材料相比，比强度高、刚度高、耐 疲劳、耐磨损、热膨胀系数低、尺寸稳定性 好。
（2）与其它增强体(长纤维、短纤维、晶须) 相比，成本低、制备和加工比较容易。
（3）性能的可设计性。可通过选择不同的基体、 增强体、生产和加工工艺、热处理工艺、增 强体颗粒的体积分数、颗粒形状和颗粒尺寸 等来改变复合材料的力学性能与热物理性能。
方法1（酸洗+高温氧化处理）：40%HF溶液 （40℃）酸洗3h+1100 ℃高温氧化10h.
方法2（碱洗+盐处理）：饱和NaOH溶液 (80 ℃恒 温)碱洗30min+80 ℃饱和氟锆酸钾（ K2ZrF6）溶液 恒温浸泡2h.
方法3（碱洗+酸洗）：20% NaOH溶液(80 ℃恒温) 碱洗30min+25%HCl溶液（50 ℃恒温）酸洗30min.
（二） SiCp表面处理对SiCp/6066Al 组织性能的影响
实验过程：
（1）实验材料:基体6066Al，增强体SiC为βSiC颗粒，平均粒度10μm； （2）采用3种方法对SiC颗粒进行表面处理； （3） SiC颗粒表面形貌分析； （4）制备复合材料； （5）复合材料组织分析及性能测试。
对SiC颗粒表面处理的3种方法：
利用 XRD 线性分析可以对样品的位错密度进
行表征，结果如下：
（3）颗粒尺寸对复合材料热残余应力的 影响
热残余应力的表征方法： 复合材料中的热残余应力是一种微观残余 应力，直接测量其大小是困难的。可用基 体的晶面间距变化表征复合材料基体中的 热残余应力。
利用 X 射线测量不同颗粒尺寸增强复合材料中基