SiC颗粒增强铝基梯度复合材料的制备与性能.pdf

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1、 第 3 8卷 2 0 0 2年9月 第 9期 9 9 8 1 0 0 1页 仓 扁 学 级 ACTA M ETALLURGI CA SI NI CA、1 3 8 NO 9 S e pt 20 02 P P 9 9 8 1 0 0 1 S i C颗粒增强铝基梯度复合材料的制备与性能 许 富民 齐民 朱世 杰 赵杰 王富岗 (大连理工大学材料工程系，大连 1 1 6 0 2 4)李守新 王 中光(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室，沈阳 1 1 0 0 1 6)摘要 采用粉末冶金法制备了S i C颗粒增强铝基梯度复合材料(F GMMC)，研究了该梯度复合材料的微观组织和力学性能，

2、对 FGMM C 的显微组织观察表明，由于铝基体熔合成一体，因此层间没有明显的界面，具有基体的连续性尽管 基体是连续的，但是当疲劳裂纹从高 S i C 含量层 向低 S i C 含量层扩展时，在过渡区发生延滞现象 通过断 口和裂纹扩展路径的分析解释 了此延滞 现象 关键词梯度功能材料，碳化硅颗粒，粉末冶金，疲劳裂纹扩展 中图法分类号T G 3 3 1，T F 1 2 文献标识码A 文章编号0 4 1 2-1 9 6 1(2 0 0 2)0 9 0 9 9 8 0 4 PRo CESSI N G A N D PR0PERTI ES oF FU N CTI oN ALI GRA DED ALU M

3、 I N U M M ATRI X CoM Po SI TES REI N FoR CED W I TH Si C PARTI CULATE xU F u mi n Q 1 Mi n Z H U S h i j i e Z HA o d i e wA NG F u g a n g D e par t m e nt o f M a t e r i a l s En gi ne e r i ng，Dal i an U n i v e r s i t y of Te c hno l og y，D a l i a n 1 1 60 2 4 Ll S ho u x i nw ANG Z h o ng g

4、 ua n g She ny an g N a t i o na l Labo r a t o r y f or M a t e r i a l s Sc i e nc e，I ns t i t u t e o f M e t a l Re s e ar c h，The Chi ne s e Ac a de my o f Sc i e nc e s Sh en y an g 1 1 00 1 6 Co r r e s p o n d e n t：X U F u mi n。T e l：(o 4 1 1)4 7 o s 4 3 9 Fa x：(0 4 1 1)4 7 0 8 1 1 6。E ma

5、i l：f g mmc y a h o o c o rn M a nu s c r i pt r e c e i v e d 20 01 11-1 2，i n r e v i s e d for m 2 0 02-03-08 ABSTRACT F n c t i o n a l l y g r a d e d a l u mi n u m ma t r i x c o mp o s i t e s f FGMMCs 1 r e i n f o r c e d wi t h S i C pa r t i c ul a t e we r e f a b r i c a t e d b y po w

6、d e r me t a l l ur g y Th e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c ha ni c a l p r o pe r t i e s o f t h e FGM M C we r e s t u di e dThe r e i s no o b vi o us i n t e r f a c e be t we e n di r e nt l a y e r s s i n c e Al m a t r i x wa s m e l t e d t o g e t h e r Ho we v e r，t he r e t a r d

7、a t i o n o f f a t i g u e c r a c k gr o wt h oc c u r r e d f r o m t he r e g i o n wi t h hi g h v o l ume fra c t i o n o f S i C t o t he l o w S i C r e g i o ns The r e t a r da t i o n wa s e xp l a i ne d b y t he a na l ys i s a n d o bs e r v a t i o n o f fra c t u r e s ur f a c e a n

8、d c r a c k g r o wt h pa t h K EY WoR D S f u nc t i o na l l y g r a d e d a l umi n um m a t r i x c o m p os i t e S i C pa r t i c u l a t e po wd e r me t a l l u r g y，f a t i g u e c r a c k gr o wt h 近年来，研究与开发梯度功能材料(F GM)受到国内 外材料界极大的重视 1-4 j，因为 FGM 实现 了化学成分 从表面到中心的连续变化，从而即可满足表面耐高温、耐 磨等要求，又可

9、避免温度变化产生的热应力而导致的材料 开裂【l F GM 作为一种复合材料，不仅继承了传统复 合材料的组分优势互补与成分和显微结构可设计、可控制 的主要优点，而且还引入了与传统均匀复合材料截然不同 收到初稿 日期：2 0 0 1 1 1 1 2，收到修改稿 日期：2 0 0 1 0 3 0 8 作者简介：许富 民，男，1 9 6 4年生，博士生 的组成和功能梯度化的设计思想及显微结构控制方式，克 服了传统复合材料宏观界面的不利影响但是，对 F GM 力学性能特别是疲劳裂纹扩展的研究不多，这无疑阻碍着 F GM 的工程应用 金属基复 合材料 已经成功地应用于汽车、电子等工 业，如汽车发动机用的活

10、塞 5-s j 如果能用 F G M 的概 念将其制备成增强体从表面到中心梯度分布，既可提高表 面耐磨性又可保持芯部的高韧性，从而提高部件的使用寿 命 为此，本文实验选择 S i C颗粒增强铝基复合材料系，研究 F GM 的疲劳裂纹扩展等力学行为，从而发现 F G M 维普资讯 http:/ 9期 许富民等：S i C颗粒增强铝基梯度复合材料的制备号 性能 9 9 9 的优点和在设计及应用上需要改善的问题 1 实验方法 本实验采用的铝粉由中国有色金属研究总院制造，平 均粒径 7 4 m，增强体是 S i C 颗粒，平均粒径为 7 m 梯度复合材料设计成 6层，S i C 含量(体积分数，)分别

11、为 5，1 0，1 5，2 0，2 5，3 0，其中 5 和 3 0 两层厚度为 4 mm，其余各层为 0 5 mm各层粉 末分别采用球磨混粉工艺混合均匀由于粉末的粒度相差 较大，混粉时为保证混合均匀，采用酒精作分散剂的湿混 方式，混粉 1 4 h，然后烘干、除气接着按设计成分依次 将不同配比的粉末填铺在冷压模具中，然后在 U HP 4 D 一 1 0 0试验机上压制成坯最后冷压的毛坯在 HP一 1 1型 自 动化热压炉中热压烧结，采用流动高纯氩气保护由于采 用的是石墨模具，为防止 C 与 A l发生反应，也为防止 A l 浸蚀石墨模具，在模具的内壁上涂一层 BN B N 作为 高温润滑剂，还

12、可以减小由于摩擦而造成的压力降，也便 于脱模 为避免 由于梯度材料各层弹性后效不同而产生附 加应力引起试样开裂，在 4 0 0保温 2 0 mi n后再升温到 6 0 0，旌加压力为 2 3 MPa 显微组织观察采用线切割机切出 5 mm 5 mm 1 0 mm 的小块，试样经 S i C 磨料粗磨，金刚石研磨膏抛光 后，在 ME F 一 3型光学显微镜上观察试样的显微组织由 于 A l 与 S i C对可见光反射率差别较大，不用腐蚀即可观 察密度测定根据 GB 5 1 6 3 5 1 6 5 8 5可渗透性金属材料 密度测定的方法，用静水力学法(A r c h i me d e s法)，采用

13、 精度为 0 1 mg的 TG3 2 8 G 型分析天平分别测定均匀复 合材料和梯度复合材料试样的密度由于试样基体硬度 比 较低，测定了 F GMMC 的显微维 氏硬度，载荷 0 4 9 N，加载时间 3 0 S 疲劳裂纹扩展试验采用尺寸为 5 mm 1 0 mm5 0 mm 的三点弯曲试样，在 S h i ma d z u疲劳试验 机上进行，三点弯曲下支点的跨距 为 4 0 mm，载荷控制下 正弦波加载，频率为 2 0 Hz，应力比 0 1 采用可移动读数 显微镜观测裂纹长度，其测量精度为 0 0 1 mm 2 实验结果与讨论 2 1显微组织特征 粉 末冶金法制 备的梯度 材料要具 有 良好

14、 的力学性 能，显微结构必须满足 2个要求：(1)含有不同体积分数 增强体的相邻两层的界面必须要保持 良好的完整性；f 2)每一层中的增强体要均匀分布 对 F GMMC 的显微组 织观察表明，S i C看起来象在 A l 颗粒的周围形成了连续 的网状，除 3 0 S i C 层在 S i C 团聚区域有较多空洞外，其他层空洞不明显(图 l a)，3 0 S i C层的空洞既可能由 于热压条件不合适，也可能来源于机械抛光时 S i C 被拉 出 F GMMC 的基体相是连续的，即使在梯度层界面处 也是相互连续的，保持 了界面的完整性，说 明铝基体在热 压中完好的熔合成一体(图 1 a)，而且 S

15、 i C在基体中的分 图 1 F GMMC 的微观组织 Fi g 1 M i c r o s t r uc t ur e s of Si C-A1 FG M M C(a)n e a r i n t e r f a c e o f 2 5 S I C a n d 3 0 S I C l a y e r s (b)mi c r o s t r u c t u r e i n 2 5 S I C l a y e r 布也是比较均匀的 f 图 1 b)2 2 密度与硬度分布 致密复合材料的密度一般可采用下式 混合定律来计 算 Dc=DM(1一，v)+，v (1)式 中，Dc，DM，Df 分别为复合材料

16、、基体和增强体的密 度，v为增强体的体积分数 纯铝的密度为 2 7 g c m3，S i C为 3 2 g c m0，因此，均匀复合材料的密度随 S i C含 量的增加而增大；相对密度随 S i C含量增加而降低，计算 后发现，当 S i C含量为 1 5 时，空洞体积分数为 2，相 对密度 9 9 ；当 S i C含量为 3 0 时，空洞体积分数为 4 2 2，相对密度 9 5 8 测定结果如图 2所示，可见，由 于基体中空洞数量增加导致相对密度大幅度下降 说 明这 个烧结工艺比较适合于 S i C含量小于 1 5 的复合材料 梯度复合材料的硬度测定结果见图 3，可见随 S i C含量增 加

17、，硬度值逐渐增大，因为复合材料的硬度取决于 S i C颗 粒的含量和 S i C 与基体的结合强度，按照复合材料的混 合定律 HV c=HV M(1 一，v)+HV f ，v (2)式中，H，H，日 分别为复合材料、基体和增强体 的硬度，理论上，复合材料的硬度应该随 S i C体积分数增 维普资讯 http:/ 1 0 0 0 金属学报 3 8 卷 加而线性增加但是 由于空洞数量增多等原因，复合材料 硬度变化呈抛物线形如图 3所示 图 2 S i C A1 系复合材料密度(De)和相对密度(D R)随 S i C 含量的变化 F i g 2 D e n s i t y(DC)a n d r e

18、 l a t i v e d e n s i t y(DR)v e r s u s v o l ume f r a c t i on of Si C p ar t i c u l a t e s i n S i C A1 c o mpo s-i t e s 仍 o n，C 仍 C e n，5 图 3 S i C A1 系梯度复合材料各层的硬度分布曲线 Fi g 3 D i s t r i b ut i o n pr o fil e o f h a r dn e s s i n FG M M C 2 3疲劳裂纹扩展行为 疲劳裂纹从 3 0 S i C 层向 5 S i C 层方 向扩展时共 有

19、6层，但是 由于三点弯曲实验本身的限制，本实验中 疲劳裂纹穿过 了 3层，进入到 1 5 S i C 层后失稳断裂 图 4为梯度材料疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围(d a d N一 )关系曲线，从图 4上可以看出，裂纹尖端 到达 F GMMC相邻两层的过渡区时，都出现了裂纹扩展 速率随 K 升高而减慢的止裂或延滞现象，在曲线上表 现出比较明显的转折(A，B，C处)，裂纹扩展速率在转折 处呈现出一个平台为了理解 d a d N-AK 曲线上层间 过渡区的裂纹扩展延滞现象，对断口和裂纹扩展路径进行 了观察和分析图 5是 3 0 S i C 层到 2 5 S i C层的过渡 区断 口形貌，其它层

20、间过渡区断口类似，都存在台阶。断 口在宏观上呈现脆性断口特征，但是微观上铝基体中存在 韧窝 在 S i C体积分数低的层中有时可观察到疲劳条纹，但总体上不多见对裂纹扩展路径的观察发现，层间过渡 区的台阶是由于裂纹扩展方向的变化造成的(图 6)另 图 4 疲劳裂纹扩展的 d a d N 一K 关系曲线 F i g 4 V a r i a t i o n i n f a t i g u e c r a c k g r o w t h r a t e(d a d N)w i t h n o mi n a l s t r e s s i n t e n s i t y r a n g e(AK)R：k

21、 m i m a x：0 1，f=2 o H z A b e t we e n 3 0 Si C a nd 25 Si C l a y e r B b e t we e n 2 5 S i C a n d 2 0 S i C l a y e r C b e t w e e n 2 0 S i C a n d 1 5 S i C l a y e r 图 5 F GMMC疲 劳断 口形貌 Fi g 5 F at i gu e frac t u r e s u r f ac e i n t he t r an s i e n t r e gi on f r o m 3 0 t o 2 5 S I C

22、 l a y e r i n F GMMC(c r a c k p r o p a g a t i o n d i r e c t i o n i n d i c a t e d b y a n a r r o w)外，在过渡区裂纹有分枝现象 裂纹扩展方向的偏析及裂纹分枝都会导致裂纹扩展 速率降低【l u J 由于铝基体是一体的(图 l a)，因此层间 没有真正的界面，但增强体含量不同，导致形变和断裂抗 力也不同裂纹从一层进入另一层时，裂纹尖端的应力 一 应变场发生了变化 本研究中，裂纹从强度高到强度低的 方向扩展，由于塑性变形能力降低，裂纹会易于 向最大剪 切力方向(4 5。方向)扩展，这可

23、能是导致裂纹偏折的主要 原因之一 对此，今后需要进行详细的力学分析和计算 由 这一现象可以看出梯度复合材料的优点，既不象层状材料 存在界面而使界面容易开裂，又导致了裂纹扩展延滞 维普资讯 http:/ 9期 许富民等：S i C颗粒增强铝基梯度复合材料的制备与性能 图 6裂纹扩展路径 Fi g 6 Cr ac k gr o wt h p a t h s h o w i ng c r ac k de fle c t i on an d b r a n c h i n g(i n d i c a t e d b y a n a r r o w)i n t h e t r a n s i e n t

24、 r e g i o n f r o m 3 0 t o 2 5 S I C l a y e r i n F GM M C 3 结论 采用粉末冶金方法制备 了 S i C颗粒增强的梯度 Al 基 复合材料由于铝基体 良好地熔合成一体，在不同 S i C含 量 的层间没有明显的界面疲 劳裂纹扩展从高 S i C 含量 层向低 S i C 含量层扩展中发生偏折和分枝，从而导致裂 纹延滞现象 感谢大连理工大学王德和教授、中国科学院金属研究所疲劳室 高薇、苏会和高级工程师在扫描 电镜观察上给予 的支持；感谢 中国科 学院 金属 研究所疲劳研 究室姚戈高级工程师 在疲 劳试验 中给 予的帮 助 参考文献

25、 f 1 1 S h i h C H Ma t e r S c i Pr o g，1 9 9 0；4：9 7 (师昌绪材料科学进展，1 9 9 0；4：9 7)2 2 Ma r k w o r t h A J，R a me s h K S，P a r k s W P J Ma t e r S c i，1 9 9 5；3 0：21 83 l 3 1 Ko i z u mi MCo mp o s Pa r t B，1 9 9 7；2 8：1 【4】Wa k a s h i ma K，H i r a n o T，Ni n o MS p a c e A p p l i c a t i o n Ad v

26、 a n c e S t r u c t u r e Ma t e r i a s ES P S P 一 3 0 3 f Eu r o p e a n S p a c e Ag e n c y)，1 9 9 0：9 7 【5】S u g i mu r a Y，S u r e s h S Me t a l T r a n s，1 9 9 2；2 3 A：2 2 3 1 【6】S h a n g J K，R i t c h i e R 0 A c t a Me t a U，1 9 8 9；3 7：2 2 6 7 【7】Z h u S J，P e n g L M，Ma Z Y，B i J，Wa n

27、g F G，Wa n g Z G M a t e r Sc i Eng，1 9 9 6；A21 5：1 2 0 8 8 P e n g L M，Z h u S J，Wa n g F G，C h e n H R，Ma Z Y，B i J J M at e r Sc i 1 9 98；33：5 64 3 9 9 L i n C Y，Mc S h a n e H B，R a w l i n g s R D Ma t e r S c i T e c h n o l，1 9 9 4；1 0：6 5 9 1 0 1 S u r e s h S Me t a l l T r a n s，1 9 8 5；1 6 A：2 4 9 维普资讯 http:/