SiC颗粒增强铝基复合材料薄板轧制工艺研究
纳微米双尺度SiC颗粒增强铝基复合材料的性能研究
第１０卷㊀第２期Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．２㊀㊀智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ㊀㊀２０２０年２月㊀Ｆｅｂ．２０２０㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号：２０９５－２１６３（２０２０）０２－０３６０－０５中图分类号：ＴＧ２９２．９文献标志码：Ａ纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的性能研究王㊀京，孙安娜，东星倩（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海２０１６２０）摘㊀要：采用真空吸铸工艺制备了单一纳米㊁单一微米以及纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料，分析研究了ＳｉＣ颗粒的质量分数和尺度大小对增强铝基复合材料的微观结构和力学性能的影响规律㊂结果表明：随着纳米ＳｉＣ颗粒含量的增加，纳米ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的硬度和抗拉强度及伸长率呈先增大后减小的变化趋势㊂当加入纳米ＳｉＣ颗粒质量分数为２％时，硬度和抗拉强度分别达到了８１．２ＨＶ和２８５．９ＭＰａ，较基体（６２．５ＨＶ和２１５．２ＭＰａ）分别提高了２９．９％和３２．８％㊂纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒作为增强体时，复合材料中的均匀分散性得到改善，增强铝基复合材料的硬度和抗拉强度达到了９８．６ＨＶ和２９８．２ＭＰａ，较基体（６２．５ＨＶ和２１５．２ＭＰａ）分别提高了５７．７％和３８．５％㊂对比单一纳米及单一微米ＳｉＣ颗粒作为增强体时，纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒增强铝合金复合材料表现了更好的综合性能㊂关键词：制备工艺；纳／微米ＳｉＣ颗粒；ＳｉＣ／ＺＬ２０４Ａ复合材料；质量分数；力学性能Ｓｔｕｄｙｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎａｎｏ／ｍｉｃｒｏｎｔｗｏ－ｓｃａｌｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＷＡＮＧＪｉｎｇ，ＳＵＮＡｎｎａ，ＤＯＮＧＸｉｎｇｑｉａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）ʌＡｂｓｔｒａｃｔɔＳｉｎｇｌｅ－ｎａｎｏ，ｓｉｎｇｌｅ－ｍｉｃｒｏｎａｎｄｎａｎｏ／ｍｉｃｒｏｎｄｕａｌ－ｓｃａｌｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｖａｃｕｕｍｓｕｃｔｉｏｎｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄｓｉｚｅｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｓａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓ，ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏ－ＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｎａｎｏ－ＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏｎｔｅｎｔ．Ｗｈｅｎｔｈｅｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｎａｎｏ－ＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｓ２％，ｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅａｃｈ８１．２ＨＶａｎｄ２８５．９ＭＰａ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈａｒｅ２９．９％ａｎｄ３２．８％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｍａｔｒｉｘ（６２．５ＨＶａｎｄ２１５．２ＭＰａ），ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｗｈｅｎｎａｎｏ／ｍｉｃｒｏｎｄｏｕｂｌｅ－ｓｃａｌｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓａｒｅｕｓｅｄａｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅａｃｈ９８．６ＨＶａｎｄ２９８．２ＭＰａ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍａｔｒｉｘ（６２．５ＨＶａｎｄ２１５．２ＭＰａ）．Ｔｈｅｙｉｎｃｒｅａｓｅｂｙ５７．７％ａｎｄ３８．５％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｎａｎｏ／ｍｉｃｒｏｎｄｕａｌ－ｓｃａｌｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｘｈｉｂｉｔｂｅｔｔｅｒｏｖｅｒａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｓｉｎｇｌｅ－ｎａｎｏａｎｄｓｉｎｇｌｅ－ｍｉｃｒｏｎＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓａｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ．ʌＫｅｙｗｏｒｄｓɔｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｎａｎｏ／ｍｉｃｒｏｎＳｉＣ；ＳｉＣ／ＺＬ２０４Ａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ哈尔滨工业大学主办科技创见与应用●作者简介：王㊀京（１９９５－），女，硕士研究生，主要研究方向：真空吸铸㊁铝基复合材料；孙安娜（１９９３－），女，硕士研究生，主要研究方向：特种金属铸造㊁塑性变形；东星倩（１９９５－），女，硕士研究生，主要研究方向：真空吸铸㊁碳纤维复合材料㊁铸造自动化㊂收稿日期：２０１９－１１－１５０㊀引㊀言随着科学技术的不断进步，诸如航空业㊁交通运输业㊁电子信息业和军事等多领域获得了高速发展㊂一些普通金属材料已经难以满足现如今人们的需求㊂因此，开创新型技术以及更加先进的复合材料成为国内外材料业研究的首要任务㊂ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料，在性能上一直有较高的比强度㊁比模量㊁耐磨损耐腐蚀效果好㊁导电导热功能好㊁大小比例合适等优异的综合性能，这不仅在新型材料的探索上，更在性能需求上非常符合现代科技的发展要求，因此受到了广泛的关注［１－３］㊂ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的优势非常明显，不仅在制备方面简便多样，而且在成本方面也更加低廉，尤其适合大批量生产㊂同时，还能通过自身的尺度㊁质量分数等参数在整体上调整其复合材料的性能㊂因此，在未来电子和航空航天技术的不断发展以及各种制备工艺的持续创新形势推动下，ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料将会越来越多地被人们应用到生活的各个领域㊂近年来，已有众多学者在对金属基复合材料进行各种研究分析，其中的研究热点则集中在塑性和强度两方面㊂然而在一些特定因素中，又会选择从增强体的质量分数㊁颗粒尺度㊁制备工艺㊁颗粒分布等方面详细研究其在力学性能上的价值和可创造性㊂在以往的各种研究分析中可以看到，加入微米ＳｉＣ颗粒后，改变颗粒尺寸和质量分数，会对复合材料的力学性能产生显著影响㊂添加适量的微米ＳｉＣ颗粒虽然可以提升复合材料的强度，然而却是以牺牲塑性为代价，而加入纳米ＳｉＣ颗粒能起到强度的提升，同时在塑性上则与金属基体同等或更高［４］㊂由于纳米ＳｉＣ颗粒尺寸小，比表面能高，分散不均匀导致颗粒堆积在一起出现团聚现象，所以在增强效果上不太理想㊂若在组分设计上转换思路加以研究，选用纳／微米ＳｉＣ颗粒作为增强体，展现其双尺度增强体共同作用的优势㊂然而在关于双尺度增强复合材料方面的研究上还不够完善，增强体颗粒尺寸和各种工艺参数方面都有所欠缺㊂所以，站在综合性能优越的角度上更深入地对纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒复合材料进行探索研究，这在学术研究上则有着重要的理论意义及实用价值㊂本文论述的目的是研究不同工艺参数对ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的影响规律，旨在优化新型复合材料来提高综合性能㊂首先，利用真空吸铸技术，制备了ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料㊂其次，改变ＳｉＣ颗粒的质量分数和尺度大小，使用扫描电镜㊁万能材料试验机等配置，通过不同工艺参数对复合材料的微观结构㊁力学性能的影响进行精细测试和分析㊂最后，得到结论来判断其规律对未来新型材料应用发展的适用性㊂１㊀试验材料和过程１．１㊀试验材料及试样制备方法基体合金粉末选用ＺＬ２０４Ａ，纯度（质量分数）＞９９．８％，其标准化学成分组成见表１㊂试验中添加的ＳｉＣ颗粒作为增强体，ＳｉＣ颗粒尺寸分别为６０ｎｍ和１５μｍ㊂本实验选取的设备为高真空电弧熔炼和吸铸系统，如图１所示㊂真空吸铸的具体步骤如下㊂电磁感应器熔钛坩埚熔炼室熔炼坩埚金属型模具石墨吸口吸铸室吸铸坩埚充氩气抽真空图１㊀底漏式真空吸铸设备结构示意图Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｂｏｔｔｏｍｌｅａｋａｇｅｖａｃｕｕｍｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｃａｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ表１㊀ＺＬ２０４Ａ铝合金的化学成分（质量分数／％）Ｔａｂ．１㊀ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＺＬ２０４Ａａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／％）ＣｕＭｎＴｉＣｄＡｌＦｅＳｉＭｇ４．６－５．３０．６－０．９０．１５－０．３５０．１５－０．２５余量０．１２０．０６０．０５㊀㊀（１）将ＳｉＣ颗粒增强体与ＺＬ２０４Ａ基体按比例混合后放入熔炼室内㊂（２）经过２ ４个熔化和凝固循环后，材料熔炼成具有光滑表面的合金铸锭㊂再用磁力搅拌器将样品熔化２ ３次，直到合金锭的组成变得均匀㊂（３）将合金锭加入抽吸装置坩埚，在吸入阀打开的情况下熔化成液态㊂在重力和吸力之间的负压差的共同作用下，合金液体通过石墨端口快速吸入铜模具中以获得复合材料试样㊂将实验获得的试棒进行热处理，固溶６ｈ，时效４ｈ㊂１．２㊀复合材料的组织及性能测试方法试样经过热处理后，通过线性切割加工制成标准的金属拉伸试样，显微硬度测试实验在ＭＨＶＤ－１０００ＩＳ显微硬度测试仪上进行，拉伸试验在万能试验机上进行㊂拉伸试样如图２所示㊂拉伸试验结束后，将金相试样经过８００㊁１０００㊁１５００和２０００等级的砂纸粗磨和精细研磨后，再通过用ＭＰ－２Ｂ双盘变速研磨机来抛光切片表面，直到表面犹如光滑的镜子为止㊂为了更直观地观察复合材料的整体微结构，蚀刻抛光表面㊂本实验腐蚀试剂的成分为：５０ｍｌ蒸馏水，５ｍｌＨＮＯ３，３ｍｌＨＦ，腐蚀的时间为３ｓ㊂为了避免金相试样被氧化，应用清洁剂洗涤和无水乙醇快速干燥㊂最终得到的试样要在金相显微镜㊁扫描电子显微镜（ＳＥＭ）上观察试样组织和增强体的分散情况㊂图２㊀试样拉伸示意图Ｆｉｇ．２㊀Ｔｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ２㊀试验结果与讨论２．１㊀单一纳米颗粒增强铝基复合材料的显微组织观察图３显示了改变纳米ＳｉＣ颗粒的质量分数，复合材料的金相试样进行扫描电镜观察所得的纳米ＳｉＣ颗粒的分布形貌㊂当纳米ＳｉＣ颗粒的质量分数为０．５％和１％时，少量单独的纳米ＳｉＣ颗粒均匀地分散在小区域中，如图３（ａ）㊁（ｂ）所示㊂当纳米ＳｉＣ颗粒的质量分数为２％时，ＳｉＣ颗粒分布得更离散㊁更均匀，分布的形式均以单个纳米ＳｉＣ颗粒，没有出现颗粒堆积在一起而产生团聚的现象，如图３（ｃ）所示㊂这也说明了采用真空吸铸工艺制备试样的方法１６３第２期王京，等：纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的性能研究解决了ＳｉＣ颗粒在基体材料中的分散性问题㊂然而当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数持续增加到５％时，纳米ＳｉＣ颗粒在基体内并没有随着质量分数的增加而分散得更加均匀，反而在局部区域内颗粒堆积在一起而产生了严重的团聚现象，如图３（ｄ）所示㊂究其原因就在于，在真空吸铸熔化以及凝固循环的过程中，质量分数过高会使纳米ＳｉＣ颗粒依附在表面带动熔体在坩埚中翻滚，导致熔体把加进去的颗粒大面积包裹住，在熔炼过程中颗粒无法均匀分散开，以单个颗粒的形式存在困难，颗粒堆积在一起产生团聚的概率大幅度增加㊂通过此实验结果显示，质量分数对纳米ＳｉＣ颗粒在基体内的均匀分散性问题来说是一个重要参数㊂纳米ＳｉＣ颗粒均匀分散能使复合材料的综合性能提高，而颗粒堆积在一起发生团聚现象会降低复合材料的综合性能，因此，选择最佳的质量分数保证颗粒在基体内的均匀分散性对研究纳米ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料起关键性作用［５－６］㊂（ａ）０．５％㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）１％（ｃ）２％㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｄ）５％图３㊀不同质量分数的纳米ＳｉＣ颗粒在基体内的分布形貌Ｆｉｇ．３㊀ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＳｉＣｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｍａｔｒｉｘ２．２㊀纳／微米颗粒增强铝基复合材料的显微组织观察图４显示了ＳｉＣ颗粒质量分数为２％时，改变ＳｉＣ颗粒的尺度，复合材料的金相试样进行扫描电镜观察所得的ＳｉＣ颗粒的分散情况㊂纳米ＳｉＣ颗粒作为增强体时，晶粒分布均匀，晶粒细化，无明显团聚现象，如图４（ａ）所示㊂这是由于在真空吸铸过程中，纳米ＳｉＣ颗粒阻碍基体合金的晶粒长大，同时有利于促进吸铸过程中的再结晶形核㊂微米ＳｉＣ颗粒和纳／微米ＳｉＣ颗粒作为增强体时，在复合材料的分布形貌上两者有相似之处㊂微米ＳｉＣ颗粒均为菱形条状，均匀分散在基体内，但纳／微米ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料具有更细的晶粒，如图４（ｂ）㊁（ｃ）所示㊂这种现象的主要原因与２种ＳｉＣ颗粒的尺度有关，在纳米ＳｉＣ颗粒的晶粒细化的同时，２种尺度的ＳｉＣ颗粒混合在一起，可以嵌插在基体合金中的ＳｉＣ颗粒大于单一尺度，这样不同尺度的颗粒混合穿插方式，不仅有利于减少空隙缺陷的产生，而且在基体内分散得更加均匀㊂图４（ｄ）为ＳｉＣ颗粒尺度为６０ｎｍ＋１５μｍ时复合材料中的小型颗粒团聚㊂由于基体中无Ｃ元素，Ｃ元素全部来源于增强体中，因此通过颗粒团聚处ＥＤＳ能谱分析图以及图４（ａ） （ｃ）中ＳｉＣ颗粒的形状，即可得到图４（ｄ）中的小型团聚为ＳｉＣ颗粒㊂㊀㊀㊀（ａ）６０ｎｍ㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）１５μｍ㊀㊀（ｃ）６０ｎｍ＋１５μｍ㊀㊀㊀（ａ）６０ｎｍ㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）１５μｍ㊀㊀（ｃ）６０ｎｍ＋１５μｍ（ｄ）ＳｉＣ／ＺＬ２０４Ａ中的颗粒团聚㊀（ｅ）颗粒团聚处ＥＤＳ能谱分析（ｄ）Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓ㊀（ｅ）ＥＤＳｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｉｎＳｉＣ／ＺＬ２０４Ａ㊀㊀ｏｆｐａｒｔｉｃｌｅａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ图４㊀不同尺寸ＳｉＣ颗粒在基体内的分布形貌及能谱分析Ｆｉｇ．４㊀ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓｉｎｍａｔｒｉｘ２．３㊀单一纳米ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的硬度及力学性能图５显示了改变纳米ＳｉＣ颗粒的质量分数时复合材料的硬度值测量结果㊂结果显示不同的质量分数体现在复合材料的硬度值方面也拥有不同的作用效果㊂当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数从０．５％增加到２％时，复合材料的硬度值得到大幅度提升，并在质量分数为２％时测得硬度最大值（８１．２ＨＶ），与基体材料（６２．５ＨＶ）相比增加了２９．９％㊂当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数继续增加到５％时，硬度值下降，归因于纳米ＳｉＣ颗粒质量分数过大而堆积在一起出现了团聚现象，减弱了增强效果［７－８］㊂图６显示了改变纳米ＳｉＣ颗粒的质量分数，复合材料对抗拉强度和断裂伸长２６３智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第１０卷㊀率的影响规律㊂复合材料的机械性能随质量分数的增加较基体均有提高，呈先增大㊁后减小的变化趋势㊂当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数为２％时，复合材料的抗拉强度和断裂伸长率最高，达到２８５．９ＭＰａ和５６％，与基体材料（２１５．２ＭＰａ和４５％）相比增加了３２．８％和２４．４％㊂其原因是质量分数为２％的纳米ＳｉＣ颗粒在基体内均匀分散，没有出现颗粒堆积在一起而产生大型团聚的现象，能够有效地阻止复合材料晶粒的长大，表现为硬度及力学性能的提高㊂当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数继续增加到５．０％时，复合材料的抗拉强度降低，并且断裂伸长率只有３７％，这是因为纳米ＳｉＣ颗粒超过一定量时，在晶界处出现饱和状态，阻碍纳米ＳｉＣ颗粒对晶粒细化的作用［９］㊂此外，纳米ＳｉＣ颗粒尺寸小，比表面能高，质量分数太高时易于聚集在一起，分散不均匀，严重影响和损伤复合材料的性能㊂而拉伸载荷作用使复合材料团聚处容易出现裂纹源，不断扩展长大，导致复合材料在较小的应力作用下即可发生断裂，表现为复合材料强度下降和伸长率的下降［１０－１１］㊂858075706560纳米S i C 颗粒质量分数/%硬度/H V12345图５㊀单一纳米ＳｉＣ颗粒不同质量分数增强复合材料的硬度Ｆｉｇ．５㊀Ｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｎａｎｏ－ＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓ706050403020012345纳米S i C 颗粒质量分数/%290280270260250240230220210抗压强度/M P a抗拉强度断裂伸长率断裂伸长率/%图６㊀单一纳米ＳｉＣ颗粒不同质量分数增强复合材料的抗拉强度及伸长率Ｆｉｇ．６㊀Ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｎａｎｏ－ＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓ２．４㊀纳／微米ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的硬度及力学性能图７是质量分数为２％，加入不同尺度的ＳｉＣ颗粒作为增强体时，复合材料的硬度测量结果㊂该结果显示加入纳／微米ＳｉＣ颗粒作为增强体时，复合材料的硬度值最高（９８．６ＨＶ），其次是微米ＳｉＣ颗粒（８７．２ＨＶ），最后是纳米ＳｉＣ颗粒（８１．２ＨＶ）㊂复合材料的硬度值较基体材料分别增大了５７．２％㊁３９．０％和２９．５％㊂这是因为微米ＳｉＣ颗粒尺寸较大，直接承受载荷，起到了一个骨架支撑的作用，从而其硬度值有明显的提高［１２］㊂纳米ＳｉＣ颗粒主要由于强化作用对硬度值产生影响，而纳／微米ＳｉＣ颗粒在增强铝基复合材料时，在２种不同尺度的ＳｉＣ颗粒作为增强体对复合材料的协同作用下，硬度的增强效果要高于单一尺度ＳｉＣ颗粒的㊂图８是加入不同尺度的ＳｉＣ颗粒作为增强体时，复合材料的抗拉强度以及伸长率的测量结果㊂从图８中可以得知，加入纳／微米ＳｉＣ颗粒增强时，复合材料抗拉强度最高（２９８．２ＭＰａ），其次是纳米ＳｉＣ颗粒（２８５．９ＭＰａ），最后是微米ＳｉＣ颗粒（２７５．７ＭＰａ）㊂分别较基体（２１５．２ＭＰａ）提高了３８．５％㊁３２．８％和２８．１％㊂在基体中加入ＳｉＣ颗粒后，颗粒增强型复合材料的强化机制主要是位错强化和Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ强化以及Ｏｒｏｗａｎ强化等等，根据Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ的公式：ΔσＨａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ＝Ｋｙ（ｄ－１／２ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ－ｄ－１／２ｍａｔｒｉｘ）．（１）㊀㊀其中，Ｋｙ为材料常数，取决于材料的晶体结构；ｄ－１／２ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ为颗粒增强复合材料的晶粒尺寸；ｄ－１／２ｍａｔｒｉｘ为基体合金的晶粒尺寸；ΔσＨａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ为材料的屈服极限增量）㊂研究可知，晶粒的尺寸越小，材料的强化效果越好［１３］㊂基体60n m15μm 15μm +80n m1009590858075706560S i C 颗粒尺寸硬度/H V图７㊀不同尺寸ＳｉＣ颗粒增强复合材料的硬度Ｆｉｇ．７㊀ＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓ㊀㊀从图４（ａ）㊁（ｂ）可以看出，纳米ＳｉＣ颗粒作为增强体的平均晶粒尺寸比微米ＳｉＣ颗粒作为增强体的３６３第２期王京，等：纳／微米双尺度ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的性能研究平均晶粒尺寸小，因此起到了明显的细化和抗拉强度提升的作用㊂纳／微米ＳｉＣ颗粒作为增强体时，对复合材料的强度方面和塑性均方面有很大的提高，综合性能方面最强㊂比单一纳米㊁微米ＳｉＣ颗粒作为增强体的强化效果要明显得多，弥补了单一纳米㊁微米ＳｉＣ颗粒在强度或者塑性方面增强效果的不足㊂在先前的研究中，当添加微米ＳｉＣ颗粒作为增强体时，复合材料强度通常增加，但是以牺牲塑性为代价㊂而加入纳米ＳｉＣ颗粒在基体中会均匀分散以及晶粒细化，使得复合材料的晶界处会产生相对较小的应力集中，很难再有裂纹的产生，使得复合材料伸长率有所提高，这说明了在本次研究中采用真空吸铸技术制备，添加纳／微米ＳｉＣ颗粒作为增强体，与此同时复合材料的强度和塑性也都得到相应的改善㊂7060504030断裂伸长率/%300280260240220200S i C 颗粒尺寸基体60n m15μm 15μm +60n m抗拉强度断裂伸长率抗拉强度/M P a图８㊀不同尺寸ＳｉＣ颗粒增强复合材料的抗拉强度及伸长率Ｆｉｇ．８㊀ＴｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓ３㊀结束语（１）纳米ＳｉＣ颗粒在基体内的分散性随质量分数改变而发生变化㊂当其质量分数为２％时，纳米ＳｉＣ颗粒在基体中是呈有序分散的状态，无明显团聚现象㊂当纳米ＳｉＣ颗粒的质量分数继续增大时，缺陷增多并且均匀分散程度明显下降㊂（２）当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数发生改变时，复合材料的硬度㊁抗拉强度和断裂伸长率呈先增大后减小的变化趋势㊂当纳米ＳｉＣ颗粒质量分数为２％时，复合材料的硬度㊁抗拉强度和断裂伸长率最高，达到了８１．２ＨＶ㊁２８５．９ＭＰａ和５６％，与基体材料（６２．５ＨＶ㊁２１５．２ＭＰａ和４５％）相比增加了２９．９％㊁３２．８％和２４．４％㊂（３）纳／微米ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料时，硬度㊁抗拉强度和伸长率分别为９８．６ＨＶ㊁２９８．２ＭＰａ和５８％，与基体相比，分别提高了５７．２％㊁３８．５％和２８．８％㊂强度和塑性的增强效果都远远高于增强体为单一纳米㊁单一微米ＳｉＣ颗粒的铝基复合材料，纳／微米ＳｉＣ颗粒作为增强体复合材料综合性能最佳㊂参考文献［１］吴星平，石锦罡，吴昊，等．真空搅拌铸造制备ＳｉＣ颗粒增强ＡＤＣ１２铝基复合材料及其力学性能表征［Ｊ］．材料工程，２０１４（１）：６．［２］李书志，王铁军，王玲．ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的研究进展［Ｊ］．粉末冶金工业，２０１７，２７（１）：６４．［３］ＧＵＯＷｅｉ，ＷＡＮＧＱｕｄｏｎｇ，ＹＥＢｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔａｎｄｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＭｇ－ＳｉＣＰｎａｎｏ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｃｙｃｌｉｃｅｘｔｒｕｓｉｏｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２０１２，５５６：２６７．［４］向兆兵，聂俊辉，魏少华，等．热处理及ＳｉＣ颗粒尺寸对１５％ＳｉＣ＿ｐ／６０６１Ａｌ复合材料性能的影响［Ｊ］．稀有金属，２０１５，３９（１１）：９９８．［５］ＭＡＭｉｎ，ＨＵＯＰ，ＬＩＵＷＣ，ｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｌ／Ｔｉ／Ａｌｌａｍｉｎａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｒｏｌｌｂｏｎｄｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２０１５，６３６：３０１．［６］陈刚，万佳，贺宁，等．基于增强相分布均匀性的颗粒增强铝基复合材料的强化机制（英文）［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，２０１８，２８（１２）：２３９５．［７］ＮＩＥＫＢ，ＷＡＮＧＸＪ，ＷＵＫ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍｍａｔｒｉｘｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｓｅｍｉｓｏｌｉｄｓｔｉｒｒｉｎｇａｓｓｉｓｔｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，２０１１，５０９（３５）：８６６４．［８］沈明杰．不同尺寸ＳｉＣＰ增强ＡＺ３１Ｂ镁基复合材料的制备及组织性能［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１４．［９］李传鹏．纳米碳化硅颗粒增强镁基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１７．［１０］ＫＯＬＬＯＬ，ＢＲＡＤＢＵＲＹＣＲ，ＶＥＩＮＴＨＡＬＲ，ｅｔａｌ．Ｎａｎｏ－ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｉｕｍｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｈｉｇｈ－ｅｎｅｒｇｙｍｉｌｌｉｎｇａｎｄｈｏｔｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２０１１，５２８（２１）：６６０６．［１１］肖攀．纳米ＳｉＣ＿ｐ／Ａ３５６复合材料的制备技术及组织性能研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１６．［１２］郝世明，谢敬佩，王行，等．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［Ｊ］．材料热处理学报，２０１４，３５（２）：１３．［１３］张龙江．微米㊁纳米ＳｉＣ＿ｐ／Ａｌ２０１４复合材料的制备及组织性能［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１５．（上接第３５９页）［２］欧良．基于流量分析的应用识别系统研究与实现［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１３．［３］汤伟．基于数据流特征向量识别的Ｐ２Ｐ僵尸网络检测方法研究［Ｄ］．青岛：中国海洋大学，２０１４．［４］鲁刚．基于机器学习的流量分类算法研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．４６３智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第１０卷㊀。
SiC颗粒增强铝基复合材料磨削温度的研究
SiC颗粒增强铝基复合材料磨削温度的研究李德溥【摘要】采用人工热电偶法,对SiC颗粒增强2024Al复合材料的磨削温度进行实验研究.测量了距离加工表面不同深度处的磨削温度,研究了加工参数对磨削温度的影响,并分析了加工温度对表面质量的影响.结果表明:磨削温度随着主轴转速、磨削深度、进给速度的增大而增大；加工中过高的磨削温度会造成加工表面上铝基体熔化和重铸,并引起已加工表面氧化.%This paper studied on the grinding temperature of SiC particle reinforced aluminum matrix composites with artificial thermocouple method. The grinding temperature at difference depth beneath the machined surface, analyzed the effect of processing parameters on grinding temperature, and the influence of temperature on the machining quality. The results indicated that the grinding temperature increased with increasing of spindle speed, feed speed and grinding depth, the exorbitant grinding temperature induced re-costing , melting and oxidation of machined surface.【期刊名称】《哈尔滨商业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(027)004【总页数】3页(P638-640)【关键词】颗粒;复合材料;磨削;温度;参数【作者】李德溥【作者单位】哈尔滨商业大学轻工学院,哈尔滨150028【正文语种】中文【中图分类】TG156.33颗粒增强铝基复合材料具有优良的力学性能，但同时也是一种典型的难加工材料，难以对其进行后续加工是这种材料大规模推广应用的主要障碍［1－3］.目前，切削加工是颗粒增强铝基复合材料的主要加工方法，但由于大多数刀具材料的硬度都低于增强颗粒(SiC、Al2O3等)，切削加工中刀具磨损剧烈，造成加工成本过高［4－6］.磨削是加工金属和陶瓷材料的重要方法，但应用于颗粒增强金属基复合材料加工的研究较少，在磨削温度、磨削加工机理等方面有待于进行系统深入的研究［7－8］.本文通过人工热电偶法测量Al2O24/SiCp复合材料的磨削温度，分析加工参数对其影响规律，以及磨削温度对加工表面质量的影响，为进一步深入研究颗粒增强铝基复合材料磨削加工技术及其应用奠定基础.1 实验设计采用人工热电偶法测量磨削温度.实验时在工件上加工直径为3 mm的盲孔，孔底距离被加工表面0.5 mm.将K类热电偶装入孔中，保证热电偶金属丝与孔底紧密接触，用室温固化胶305封闭孔口，如图1所示.热电势信号采集装置由计算机、A/D卡，采集信号放大电路组成.信号放大电路如图2所示，图中AD623为仪表级信号放大器，HY6021为A/D卡.图1实验材料主要参数见表1.电镀金刚石砂轮参数见表2.图2 信号放大电路表1 实验材料的主要参数)50 10 271.3 199.8 0.431 2.90表2 电镀金刚石砂轮的主要参数/mm 120#粒度砂轮直径/mm 砂轮厚度20.6 10 2 结果与分析2.1 磨削加工温度影响因素在磨削加工中，当工件材料和砂轮一定时，影响温度的主要因素是加工参数，即磨削深度、砂轮转速和进给速度.图3～5为不同加工条件下，磨削温度的随主轴转速(n)、进给速度(f)和磨削深度(ap)的变化情况.从图3可以看到磨削温度随主轴转速的增大而增大.这是因为:增大砂轮旋转速度，单位时间内工作的磨粒数量增多，切屑厚度变薄，切削变形能增大，产生更多的热量.同时，磨粒与工件之间摩擦加剧，随着摩擦作用的加剧，热量传导到工件的比例增大，也促使工件温度上升.图3 主轴转速对磨削温度的影响增大进给速度，磨屑厚度增大，变形力和摩擦力增大，产生更多的热量，使温度升高.但是，随着进给速度的增大，热源在工件表面上作用的时间缩短，使工件表面温度有所下降.从图4可以看出，随着进给速度的增大，磨削温度有较大的升高，说明随着进给速度的提高产生了更多的热量，而热源移动速度的影响不大.图4 进给速度对磨削温度影响从图5可以看出，随着磨削深度的增大，加工表面温度提高.在加工过程中，随着磨削深度的增加，材料去除量相应增大，需要消耗更多的能量.在加工过程中所消耗的能量大部分转化为接触弧区内的热量，导致加工温度升高.另外，从图3～5也可以看出，在磨削区域内沿着深度方向温度的分布特点，即表面温度明显高于工件内部的温度，这是因为冷却液迅速将磨削产生的热量带走的缘故.图5 磨削深度对磨削温度影响2.2 磨削加工温度对表面质量影响磨削加工的表面温度直接影响加工表面的质量，进而影响零件的使用性能.从图3～5可以看到在不同的加工条件下，加工表面的温度情况(磨削深度接近0时的磨削温度).在实验所采用的加工参数条件下，最高温度达到了700℃以上，最低温度为90℃左右.图6分别为加工表面形貌和化学元素能谱分析结果，实验结果是在主轴转速为8000 r/min、进给速度为500 mm/min和磨削深度为0.05 mm条件下得到(此时加工表面温度为720℃，超过了2024铝合金的熔融温度).从图6中可以看出，在加工表面上铝基体熔化后重新结晶，并且加工表面层O2的含量较高，说明加工过程中产生的高温使表面产生氧化.在本文中的其他实验下工件已加工表面上未发现铝基体熔化后重新结晶情况，也没有严重的氧化现象.图6 铝基体重铸3 结论使用标准热电偶测量距离加工表面不同位置处的磨削加工温度，研究了加工参数对磨削温度的影响，并分析了加工表面温度对表面质量的影响，得出以下结论.1)磨削温度随着主轴转速、磨削深度、进给速度的增大而增大.在实验采用的加工参数条件下，加工表面最高温度达到了700℃以上，最低温度为90℃左右;2)应选择合理的工艺参数以控制加工表面的温度，避免加工表面发生铝基体熔化、重铸和氧化现象.3)由于冷却液的作用，加工表面温度明显高于磨削区域工件内部的温度.参考文献:［1］DING X.W，LIEW Y H.Evaluation of machining performance in of MMC with PCBN and PCD tools［J］.Wear，2005，259:1225－1234. ［2］QUAN Y M，ZHOU Z H.Tool wear and its mechanism for cutting SiC particle-reinforced aluminium matrix composites［J］.Journal of materialsprocessing technology，2000，100:194－199.［3］ERRIC R.Calzavarini［J］.Journal of materials processing technology，2001，119:257－260.［4］KURIYAGAWA，KATSUO S，HIDEO O.Grinding temperature within contact arc between wheel and workpiece in high-efficiency grinding of ultrahard cutting tool materials［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，136:39－47.［5］DAVIM J P.Diamond tool performance in machining metal-matrix composites［J］.Journal of materials processing technology，2002，128:100－105.［6］MULLER F.Non-conventional machining of particle reinforced metal matrix composites［J］.Journal of Materials processing Technology，2001，118:278－285.［7］ANTONIOMATIA D.A comparison between conventional abrasives and superabrasives in grinding of SiC-aluminium composites.International ［J］.Journal of machine tool and manufacture，2000，40:173－184.［8］ZHANG W Z .Grinding of alumina/aluminum composites［J］.Journal of materials processing technology，2002，123:13－17.。
纳米SiC颗粒增强2024铝基复合材料的力学性能研究
由于 1 % n2SiCp/ 2024Al 中的纳米 SiC 具有大的
表面积 , 使它们和 2024 基体的结合界面多 , 纳米
SiC 颗粒对 2024 基体的约束作用更强 , 另外还由于
有小的颗粒间距 , 大量弥散分布的纳米 SiC 颗粒起
到了钉扎位错的作用 , 因而使材料的屈服强度显 著提高 。
L = (π6 φ) - 1/ 3 dm
(2)
其中 , L 是 增 强 粒 子 的 颗 粒 间 距 , φ 和 dm 同 式
(1) 。通过计算可知 , 1 % n2SiCp/ 2024Al 的 SiC 颗粒
间距是 1. 5μm , 而 15 %SiCp/ 2024Al 的颗粒间距是
15μm , 二者相差 10 倍 。
temperature
材料成分 1 % n2SiCp/ 2024Al
15 %SiCp/ 2024Al
状态 挤压 T4 挤压 T4
Rm/ MPa 360 570 320 565
Rp0. 2/ MPa 282 447 212 284
A/ % Z/ %
11 2310
10 1010
8
1110
SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究
SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究杨雅静;李付国;袁战伟【摘要】SiC颗粒的加入使SiC增强铝基复合材料拥有了优异的综合性能,从而成为具有广泛使用价值的先进复合材料.本文综述了SiC颗粒增强铝基复合材料的第二相特征及其对使用性能的影响规律.特别是对近年来倍受关注的SiC颗粒形状、尺寸、体积分数、颗粒分布和界面特征等对复合材料宏、微观性能的影响进行了详细论述.%The second phase characteristics of Silicon carbide particles reinforced Al matrix composites and its influence law on the performance have been overviewed in the text. The influence of silicon carbide particle factors, including particle shape, particle size, volume fraction, particles distribution and interface characteristics between particjle and matrix, on macro and micro performance of matrix composites have been expounded in detail.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】7页(P82-88)【关键词】复合材料;SiCp/Al;性能;综述【作者】杨雅静;李付国;袁战伟【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+11 前言SiCp/Al基复合材料由于具有高比强度、高刚度、耐疲劳、耐磨损、热膨胀系数低、优良的尺寸稳定性、较强的可设计性等优异的综合性能，已成为具有广泛使用价值的先进复合材料。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料
许婉芬 张文静 王笑尘 孙冬冬
目录
基体及性质
增强体及性质
复合（合成与制备方法）
复合后性能应用基体源自简介• 银白色轻金属。有延性和展性。 商品常制成棒状、片状、箔状、 粉状、带状和丝状。在潮湿空气 中能形成一层防止金属腐蚀的氧 化膜。铝粉和铝箔在空气中加热 能猛烈燃烧，并发出眩目的白色 火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐 酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液， 不溶于水。相对密度2.70。熔点 660℃。沸点2327℃。铝元素在 地壳中的含量仅次于氧和硅，居 第三位，是地壳中含量最丰富的 金属元素。航空、建筑、汽车三 大重要工业的发展，要求材料特 性具有铝及其合金的独特性质， 这就大大有利于这种新金属铝的 生产和应用。 应用极为广泛。 •
增强体碳化硅物理特性
合成与制备方法
增强体碳化硅简介
• 碳化硅包括黑碳化硅和绿 碳化硅，其中：黑碳化硅 是以石英砂,石油焦和优质 硅石为主要原料,通过电阻 炉高温冶炼而成。其硬度 介于刚玉和金刚石之间,机 械强度高于刚玉,性脆而锋 利。绿碳化硅是以石油焦 和优质硅石为主要原料,添 加食盐作为添加剂，通过 碳化硅的硬度很大，具有优良 电阻炉高温冶炼而成。其 的导热和导电性能，高温时能 硬度介于刚玉和金刚石之 间,机械强度高于刚玉。 抗氧化。
基体铝简介 • 铝以其轻、良好的导电和导热性能、高反射性和 耐氧化而被广泛使用。做日用皿器的铝通常叫“ 钢精”或“钢种”。
增强体碳化硅简介
• 碳化硅又称金钢砂或耐火 砂。碳化硅是用石英砂、 石油焦(或煤焦)、木屑(生 产绿色碳化硅时需要加食 盐)等原料在电阻炉内经高 温冶炼而成。目前我国工 业生产的碳化硅分为黑色 碳化硅和绿色碳化硅两种， 均为六方晶体，比重为 3.20～3.25，显微硬度为 2840～3320kg/mm2。
SiC颗粒增强铝基复合材料物理及力学性能研究进展
Ｆ ｕ ｄ ｙ Ｅ ｇｉ ｅ ｒｌ 暑 ｏｎｒ ｎ ｎｅ ｎ
Ｓ 颗粒 增 强铝 基 复合材 料物 理及 力学性 能研 究进展 ｉ Ｃ
聂 小武 （ 南 铁 路 科 技职 业技 术 学 院 机械 工 程 系 ， 湖 南 株 洲 铝基复合材料既保持 了金 属特有 的 良好延展性 、传热等特点 ，又具有 陶瓷 的耐 高温性、耐磨损的要 求。综述 了ｓ ｃ ｉ颗粒增强铝基复合材料 的物理及 力学性能，ｓ ｃ ｉ颗粒增 强铝基复合材料强化 的物理模型主要 有两种 ，即剪切滞后模型与Ｅ ｈ １ｙ － 。 ｓｅ ｂ Ｊ ￣ Ｅ 关键词 ：铝基复合材料 ；ｓ ｃ ｉ颗粒；力学性 能
Ｎｉ ａｏ ｕ ｅ Ｘｉ ｗ
（ ｅ ａｔ ｎ ｏ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｈ ｎ ｎＶ ｃ ｔ ｎ ｌ ｏｌｇ ｆ ａｌ ｙＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｄ ｐｒ ｍｅ ｔ ｆ Ｍｅ ｈ ｎｃ ｇｎ ｅｉ ， ｕ ａ ｏ ａｉ ａ ｌ ｅｏ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ， ａＥ ｎ ｏ Ｃ ｅ Ｒ ｗａ ｇ Ｚ ｕ ｈ ｕ １ ０ ０ Ｈｕ ａ ， ｈｎ ） ｈｚ ｏ ０ ， ｎ ｎ Ｃ ｉ ４２ ａ
能 够 增 加 热 传 导 性 ， 国 际 航 天 站 就 使 用Ａ１ ｉ ． Ｃ压 Ｓ 缩 ＨＯ Ｇ印刷 电路 板 热沉 ，一 种Ａ１ ｉ 通 讯 光 电封 Ｐ ． Ｃ Ｓ 装 使 用ＨＯＰ Ｇ嵌 入 以提 高热 扩 散 性 。 同时 ，Ａ１ ｉ ．Ｃ Ｓ
的性 能 ， 是 ＿种 非 常 理 想 的增 强 物 。其 热 膨 胀 系 数 （ Ｅ）在 ５ １ ～ １ × １ －Ｋ。之 间 可 以任 ＣＴ × ０ ６ ’ ８ ０ 意 调节 。 铝 是 一种 常 见 的廉 价 金 属 材 料 ， 在提 高 比强 度 、 比模 量 上 有 很 大 的潜 力 ，其 作 为 基 片材
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第33卷第5期Vol133 No15 FORGING&STAMPINGTECHNOLOGY2008年10月Oct.2008
SiC颗粒增强铝基复合材料薄板轧制工艺研究韩亚利1,刘劲松1,2,张福全2(1.空军航空维修技术学院机电工程系,湖南长沙410124;
2.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082)
摘要:研究了轧制方式、轧制温度等对SiC颗粒增强铝基复合材料显微组织和力学性能的影响。轧制温度为410℃,沿平行于挤压方向进行交叉轧制可以制备出高质量、高性能的薄板。轧制态7075/SiCp复合材料薄板的力
学性能为:
σ
s=542151MPa,σb=666109MPa,δ=4191%。轧制变形对挤压过程中形成的SiC颗粒条带状不均匀
分布也具有改善的作用:轧制过程中,SiC颗粒破碎,尺寸明显变小,形貌呈钝化趋势,随着轧制变形量的增加,
SiC颗粒分布趋于均匀。关键词:SiC颗粒增强复合材料;轧制;薄板中图分类号:TG33518 文献标识码:A 文章编号:100023940(2008)0520064203
StudyonsheetrollingprocessofSiCpparticulatereinforcedaluminummatrixcompositeHANYa2li1,LIUJin2song1,2,ZHANGFu2quan2(1.DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,AirForceAeronauticalandServiceTechnical
College,Changsha410124,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)
Abstract:Theeffectsofrollingprocessonthemicrostructureandmechanicalpropertiesoftheextrudedsprayco2depos2ited7075/SiCpcompositewereinvestigated.Theextrudedthicksheetexhibitsexcellentformabilityalongtheextrusiondirection.Crossrollingprocesscanenhancetheformabilityandmechanicalpropertiesofthe7075/SiCpsheet.Further2more,theoptimalpropertiesofthesheetareasfollows:σs=542151MPa,σb=666109MPa,andδ=4191%.Astheresultsofexperiment,therollingprocessleadstotherefinementofSiCparticlesandthedistributionstatealso.Keywords:SiCpparticulate2reinforcedAlcomposites;rollingprocess;sheet
收稿日期:2007211216;修订日期:2008201220
作者简介:韩亚利(1956-),男,学士,副教授电子信箱:5473748@1631com
1 引言7075/SiCp铝基复合材料是极具吸引力的低密
度结构材料,弹性模量可达100GPa,强度可达700MPa以上,广泛应用于制造飞机结构及要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件。目前,对颗粒增强铝基复合材料的研究主要集中在复合材料的制备工艺、力学性能、摩擦磨损性能、显微组织、增强颗粒分布等方面[126],但是,这
些研究所使用的材料多为挤压态,对轧制态复合材料薄板的研究较少。在航空、航天、交通等实际工程应用领域中,对轧制态铝基复合材料薄板的需求越来越大,因此,开展轧制态颗粒增强铝基复合材料薄板的研究具有重要的应用意义和实用价值。本文主要研究了喷射共沉积法制备的7075/
SiCp复合材料沉积坯的后续轧制等过程中的成形性
能及影响因素;研究了SiC颗粒在塑性加工过程的流动与分布规律,为制备出具有优异综合性能的7075/SiCp复合材料薄板提供参考。
2 试验方法211 试验材料试验所用基体合金为7075铝合金,Al26%Zn23%Mg2118%Cu,另加少量Cr,Ti,基体合金成分组成如表1所示。增强相为15%(体积分数)的SiCp,
颗粒尺寸大小在1～10μm之间。采用喷射共沉积法制坯,经挤压、轧制加工成111～113mm的薄板。
表1 7075/SiCp的化学成分(%,质量分数)
Table1 Chemistryelementof7075/SiCpcomposite(%,massfraction)ZnMgCuNiZrMnCrAl511～611211～219112～210018～1120180130118～0128余量
212 试验流程试验具体流程如图1所示:(1)喷射共沉积法制坯;(2)对7075/SiCp喷射共沉积坯料采用挤压工艺进行致密化加工,为后续的轧制工艺准备板材;
(3)轧制加工成111～113mm的薄板;(4)在轧制态薄板上取小块样品进行显微组织分析和力学性能测试。图1 7075/SiCp复合材料轧制工艺流程图Fig11 Rollingprocessexperimentalflowchartof7075/SiCpcomposite3 试验结果与分析311 轧制后的组织
喷射沉积法制备的坯料在压力加工过程中,其组织和性能发生了一系列变化,图2为各试样的金相照片。从微观组织来看,经过挤压后的组织与喷射沉积态坯料相比,挤压态材料的显微缺陷明显减少,微观组织致密,基本消除了孔洞,基体与颗粒达到了冶金结合,颗粒呈挤压流线分布,基本没有发生破碎,
颗粒形状也没有很大变化,颗粒分布更趋向于均匀。轧制态材料颗粒破碎现象比较严重,在轧制过程中发生了MgZn2相向MgZn相的转变,这种转变主要是由于变形过程中材料经历加工硬化与动态回复和动态再结晶软化过程交替进行的结果。
图2 7075/SiCp复合材料在不同加工条件下的显微组织照片Fig12 Microstructuresof7075/SiCpcompositepreparedbythreemethods
312 轧制工艺参数31211 道次变形量轧制过程的道次变形量是轧制工艺中必须严格控制的关键参量。在一般的颗粒增强复合材料轧制过程中,首次变形量不能太大,一般在15%～30%之间,最高可达40%。而喷射共沉积7075/SiCp复合材料挤压毛坯致密度仅为9715%。虽然该状态挤压坯也有较好的塑性,但采用常规的道次压下制度,在前面的几个道次会产生材料分层或张口,使材料报废。经过多次试验,最后发现若采用小道次压下量多道次轧制,特别是前面第1到第3道次的压下量要小,即可有效避免材料分层或张口现象。31212 轧制方式的影响除道次变形量外,轧制过程中对产品成形具有最直接影响的工艺参数还包括轧制温度和轧制方式[7]。取喷射沉积坯,在Ф360mm×600mm双辊热轧机上进行多道次热轧,轧制方式分别采用纵轧(垂直于挤压方向)、横轧(平行于挤压方向)和交叉轧制(在平行于和垂直于挤压方向的两个方向上交替进行)。在轧制道次之间加热坯料,加热温度为410℃,加热时间为30min左右。对不同轧制方式在410℃下所得板材线切割取样,经460℃保温20min固溶后淬火,然后在120℃下进行20h时效处理,得到试样的拉伸强度数据如表2所示。
表2 不同轧制方式对材料力学性能的影响Table2 Effectsofrollingprocessonmicrostructureof7075/SiCpcomposite
试样编号σs/MPaσb/MPaδ
/%E/GPa
横轧试样563147638144310282170
纵轧试样499162573144312990174
交叉轧制试样533106658148411491165
从表中的数据可知:(1)经过大的轧制变形后,
SiCp/7075复合材料薄板的抗拉强度可达670MPa左右,延伸率可达5%左右;(2)不同轧制方式制得的薄板性能存在差异,薄板的屈服强度经横轧后比其它轧制方式制得的薄板要高,但抗拉强度和延伸率在交叉轧制后较优于其它两种方式制得的薄板。总之,在平行于挤压方向取样时,采用交叉轧制的方式所得的板料性能显著优于其他两种轧制方式。
56第5期韩亚利等:SiC颗粒增强铝基复合材料薄板轧制工艺研究 31213 轧制温度的影响轧制能否顺利进行,关键在于轧制温度的确定。因为开轧温度对金属的塑性有较大影响,而终轧温度直接影响产品的组织与性能。合金的塑性图是确定轧制温度的主要依据,第2类再结晶图主要作为控制轧制品的组织和性能的参考。如图3所示为7075Al合金静态和动态变形时的塑性图,图中显示7075Al合金最佳塑性变形时的温度为350～470℃。参照该图选择了370,390,410和430℃进行试验,
考察了不同轧制温度对板料轧制成形性的影响。
图3 7075Al合金的塑性图Fig13 Plasticchartof7075Alcomposite
将不同变形温度的试样选择同样的轧制方式,即交叉轧制,按照基本相同的压下制度轧制成厚度110～112mm的薄板,热处理后检测力学性能数据见表3。
表3 轧制温度对材料力学性能的影响Table3 Effectsofrollingtemperatureonmicrostructureofthe7075/SiCpcomposite轧制温度/℃σs/MPaσb/MPaδ
/%
3704091364961921199390516103596187313841054215166610941914305061265501102109
从表中可见,410℃轧制时板材的性能,包括屈服强度、抗拉强度、延伸率都比其它各温度轧制时的性能高出很多。轧制温度为410℃时,基体金属流动性较好,能够充填到破碎颗粒间的间隙中去,
使颗粒与基体结合良好,颗粒细化及破碎对性能的作用达到最优化的效果,因此轧制温度为410℃时所得板材的性能最好。
4 结论(1)对喷射共沉积法制备的7075/SiCp复合材
料的轧制加工工艺进行了研究和分析,并成功制备了厚度在111～112mm的薄板。在平行于挤压方向取样时,采用交叉轧制的方式所得的板料成形性能显著优于其他两种轧制方式的成形性能。(2)轧制温度为410℃,交叉轧制,多道次小
变形量。采用以上工艺生产的板材性能优异,轧制态薄板经热处理后抗拉强度最高可达666109MPa。参考文献: