- 相關(guān)推薦
高壓扭轉(zhuǎn)制備SiCp/Al 復(fù)合材料的斷裂行為論文
SiCp/Al 復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐磨性高、熱膨脹系數(shù)小、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)3，被認(rèn)為是一種較理想的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等行業(yè)。傳統(tǒng)制造工藝如鑄造、粉末冶金等，制得的復(fù)合材料存在致密度不高、SiC 顆粒分布不均勻等問(wèn)題，一般需要二次加工進(jìn)行改善。高壓扭轉(zhuǎn)法(high-pressure torsion，簡(jiǎn)稱為HPT)具有強(qiáng)大的剪切變形能力，相比于傳統(tǒng)粉末制備工藝，不僅可以細(xì)化基體晶粒，使SiC 分布更均勻，同時(shí)能較大程度地提高復(fù)合材料的致密度，減少孔隙的產(chǎn)生。材料的斷裂性質(zhì)直接影響其力學(xué)性能，具有優(yōu)良斷裂韌性的材料強(qiáng)度高、塑性和延展性好。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷主要有3 種形式：1) 顆粒破裂;2) 顆粒/基體界面脫粘;3) 基體內(nèi)氣孔成核、擴(kuò)展。孫超等對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料拉伸時(shí)SiC 顆粒的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了模擬研究，研究表明材料受拉應(yīng)力作用時(shí)，形狀不規(guī)則的增強(qiáng)顆粒在塑性基體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且增強(qiáng)顆粒尖角處在集中應(yīng)力作用下會(huì)與基體脫粘，形成孔隙。
李曉等, 10研究表明，在HPT 劇烈的剪切變形作用下，斷裂微區(qū)脆性的SiC 顆粒與韌性基體變形不協(xié)調(diào)，在顆粒和基體之間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。隨著應(yīng)力和應(yīng)變的累積，內(nèi)應(yīng)力更大，產(chǎn)生顆粒與基體脫粘和顆粒微裂紋，甚至顆粒斷裂。因此，SiC 顆粒上的微裂紋與基體之間的界面處會(huì)產(chǎn)生孔隙。隨著材料承載，微小缺陷不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致材料破壞。這些研究表明，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂機(jī)理和失效模式都較為復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)已有采用HPT 法制備了高性能的SiCp/Al 復(fù)合材料。李曉等研究結(jié)果表明，HPT可以有效致密SiCp/Al 復(fù)合材料(相對(duì)密度可>0.95)和提高其強(qiáng)度(σb>200 MPa)等性能。但是，人們對(duì)大塑性變形工藝制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂行為的研究仍較少。本研究采用不同工藝參數(shù)HPT 法制備SiCp/Al復(fù)合材料，從材料斷口形貌和界面原子擴(kuò)散入手，結(jié)合其真應(yīng)力應(yīng)變曲線，討論和分析HPT 變形工藝對(duì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂行為的影響。研究結(jié)果可豐富對(duì)大塑性變形制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂力學(xué)的理論內(nèi)容，為該類材料合理地實(shí)際應(yīng)用提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)選用平均粒度37.28 μm 的鋁粉(純度大于98.7%)為基體，平均粒度13.59 μm 的綠色α-SiC 顆粒為增強(qiáng)體，將850 ℃保溫3 h 后的SiC 顆粒與鋁粉機(jī)械混合均勻。在自行設(shè)計(jì)的HPT 專用液壓機(jī)(RZU200HF)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所制備試樣尺寸為φ 30 mm ×2 mm，如 所示。扭轉(zhuǎn)角速度為1 r/min，其它工藝參數(shù)(壓力、扭轉(zhuǎn)圈數(shù)和變形溫度，下同)如 所列。將制備的試樣在其半徑3.5 mm 處線切割成板狀拉伸試樣，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(CMT4104)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
采用掃描電子顯微鏡(JSM6490/LV)和能譜儀對(duì)拉伸后的試樣斷口形貌和界面原子擴(kuò)散進(jìn)行觀察與分析，并研究在不同HPT 工藝參數(shù)下SiCp/Al 基復(fù)合材料的拉伸斷裂行為。
2 結(jié)果及分析
2.1 拉伸結(jié)果及斷口形貌
所示為在室溫下扭轉(zhuǎn)2 圈時(shí)，在0.5 GPa 和0.62 GPa 壓力下的體積分?jǐn)?shù)為8.75% SiCp/Al 材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，其斷口形貌如 所示。從可見(jiàn)：隨壓力增大，材料的屈服強(qiáng)度增大，而抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率降低。觀察拉伸試樣的宏觀斷口，在0.6 GPa 壓力下斷口無(wú)明顯頸縮現(xiàn)象，屬于脆性斷裂。從 可知，試樣的斷口形貌都呈現(xiàn)出不規(guī)則的韌窩，較多的韌窩中嵌有SiC 顆粒，且有少量顆粒破碎(如(a)所示)。表明材料在0.62 GPa 壓力變形時(shí)，材料更趨于脆性斷裂，同時(shí)，SiC 顆粒在較大壓力下易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致破碎，材料產(chǎn)生更多的裂紋源，裂紋從SiC顆粒破碎處和SiC 顆粒與基體界面處開(kāi)始擴(kuò)展。
所示為室溫下0.3 GPa 壓力時(shí)，扭轉(zhuǎn)1/3 圈數(shù)和2 圈數(shù)的8.75% SiCp/Al 材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，其斷口形貌如 所示。從 可見(jiàn)：隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均增大。觀察拉伸試樣的宏觀斷口，相對(duì)于扭轉(zhuǎn)1/3 圈的拉伸試樣，扭轉(zhuǎn)2 圈的拉伸試樣宏觀斷口有比較明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口傾斜較為明顯，屬于韌性斷裂，說(shuō)明扭轉(zhuǎn)圈數(shù)影響該類復(fù)合材料的斷裂性質(zhì)。由 可知，隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，韌窩數(shù)量明顯增多，并且基體上有較小且深的孔洞。從基體撕裂痕跡的大小及韌窩的分布可以看出：較多扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下試樣的SiC 顆粒分布較均勻，可以有效阻礙裂紋的擴(kuò)展。
所示為在0.3 GPa 壓力下扭轉(zhuǎn)2 圈，不同變形溫度下8.75% SiCp/Al 材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，其斷口形貌如 所示。從 可見(jiàn)：變形溫度升高，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度和斷口伸長(zhǎng)率;在180 ℃變形溫度下，拉伸試樣有較為明顯的頸縮現(xiàn)象發(fā)生，趨于韌性斷裂，表明變形溫度會(huì)影響材料的斷裂性質(zhì)。由 可知，在100 ℃時(shí)，斷口處基體呈現(xiàn)撕裂狀，SiC 顆粒與基體脫粘比較明顯，并且在顆粒脫粘產(chǎn)生的韌窩周圍有較多的小韌窩，且韌窩形狀不規(guī)則。在SiC 顆粒的尖角處有基體撕裂的痕跡，由于SiC 顆粒和Al 基體的熱膨脹系數(shù)不同，在熱力耦合作用下SiC顆粒受力不均勻，發(fā)生脫粘或解理斷裂。在試樣拉伸時(shí)，SiC 顆粒尖角處應(yīng)力較大，使SiC 顆粒與基體界面結(jié)合較弱處發(fā)生脫粘，產(chǎn)生孔隙，如(a)所示。在180 ℃時(shí)，Al 基體撕裂更為明顯，且基體內(nèi)部的小韌窩數(shù)量增加明顯。分析表明，變形溫度既能夠在一定程度上提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，也會(huì)影響增強(qiáng)顆粒與基體的界面結(jié)合，從而影響復(fù)合材料的斷裂性能。
2.2 SiC-Al 界面能譜掃描
在不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)試樣的斷口形貌中選取較明顯的SiC 顆粒表面進(jìn)行元素檢測(cè)，結(jié)果如 所示。從可見(jiàn)：兩處SiCp 表面上Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為82.49%和56.15%，說(shuō)明在SiCp 表面附有較多的Al。檢測(cè)結(jié)果表明，在常溫下采用HPT 工藝制備SiCp/Al 復(fù)合材料可以在較短時(shí)間內(nèi)使Al 快速擴(kuò)散到SiCp 表面。通過(guò)對(duì)扭轉(zhuǎn)1/3 圈和2 圈試樣的SiC-Al 界面進(jìn)行EDS譜掃描(以相對(duì)強(qiáng)度200 為比較標(biāo)準(zhǔn))發(fā)現(xiàn)：在HPT 變形過(guò)程中，SiC-Al 界面兩側(cè)的Al 和Si 能夠發(fā)生劇烈的相互擴(kuò)散，如 所示。扭轉(zhuǎn)1/3 圈和2 圈后Al，Si 的擴(kuò)散寬度分別為0.154 μm 和0.254 μm，說(shuō)明增加扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，有利于Al 和Si 的快速擴(kuò)散。Al 和Si 含量檢測(cè)和EDS 譜結(jié)果分析表明：HPT 變形可顯著影響SiCp/Al 復(fù)合材料的界面連接，進(jìn)而影響SiCp/Al 基復(fù)合材料的斷裂行為。
3 討論
通過(guò)分析斷口形貌和SiC-Al 界面的原子擴(kuò)散行為可知，通過(guò)HPT 變形可以改善SiCp/Al 復(fù)合材料的斷裂性質(zhì)。大塑性變形促使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的大角度晶界，使原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，導(dǎo)致其在SiC顆粒表面的SiO2-Al 界面相互擴(kuò)散速率急劇增加，有利于提高增強(qiáng)顆粒與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，Al 基體晶粒組織細(xì)化，其拉伸時(shí)形成的小韌窩可以減弱材料微裂紋的擴(kuò)展，使該材料產(chǎn)生較為明顯的韌性斷裂。
顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂可以反映為增強(qiáng)顆粒與基體界面孔隙和基體內(nèi)部氣孔不斷相互連接的過(guò)程，界面結(jié)合力的強(qiáng)弱決定顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以何種形式產(chǎn)生微裂紋。根據(jù)位錯(cuò)理論，增強(qiáng)顆粒與基體的熱膨脹系數(shù)相差較大會(huì)引起增強(qiáng)顆粒周圍基體的高位錯(cuò)密度，同時(shí)由于增強(qiáng)顆粒形狀不規(guī)則，在拉伸應(yīng)力作用下，顆粒的尖角和棱會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成孔隙，從而萌生微裂紋。若增強(qiáng)顆粒與基體界面結(jié)合較弱，則微裂紋沿著弱結(jié)合面并開(kāi)始向基體擴(kuò)展，增強(qiáng)顆粒為協(xié)調(diào)斷裂變形發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使其從結(jié)合面破碎脫粘，基體產(chǎn)生解理面和撕裂棱，呈現(xiàn)脆性斷裂特征;若增強(qiáng)顆粒與基體界面結(jié)合較強(qiáng)，則微裂紋會(huì)繞過(guò)結(jié)合較好的增強(qiáng)顆粒和基體結(jié)合界面或者韌性較強(qiáng)的基體微區(qū)，向基體內(nèi)部氣孔或者其它弱界面擴(kuò)展，這些氣孔因塑性變形而形成典型韌窩，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂。
本研究采用不同工藝參數(shù)的HPT 法制備SiCp/Al復(fù)合材料，試樣在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋主要是由SiC 顆粒微裂紋形成SiC-Al 界面裂紋，但也發(fā)現(xiàn)有顆粒破碎和脫粘的情況。微裂紋的擴(kuò)展將沿著SiC 顆粒與基體界面、SiC 顆粒富集區(qū)(SiC 顆粒破碎形成的小顆粒)不斷與基體內(nèi)部氣孔相連接，向易產(chǎn)生微裂紋的方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料失效斷裂。
4 結(jié)論
1) 基于不同工藝參數(shù)HPT 法制備的SiCp/Al 復(fù)合材料拉伸斷口特征是具有大小不同的韌窩，SiC 顆粒會(huì)呈現(xiàn)脫粘、斷裂和破碎現(xiàn)象，且由于HPT 工藝參數(shù)的不同，試樣的拉伸斷口有脆性斷裂和韌性斷裂2 種性質(zhì)的斷裂行為。
2) 增強(qiáng)顆粒與基體界面結(jié)合力的強(qiáng)弱決定顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)生微裂紋的形式。微裂紋主要萌生于增強(qiáng)顆粒與基體的弱結(jié)合面處和顆粒的斷裂處，微裂紋的萌生降低了復(fù)合材料的斷裂韌性。
3) HPT 變形使SiC-Al 界面兩側(cè)原子能夠快速擴(kuò)散，有效提高SiC 顆粒與基體界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而抑制微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，改善SiCp/Al 復(fù)合材料的斷裂性能。
4) HPT 的劇烈剪切作用導(dǎo)致增強(qiáng)顆粒高應(yīng)力集中，這是增強(qiáng)顆粒產(chǎn)生微裂紋和顆粒與基體結(jié)合面產(chǎn)生孔隙的主要原因;顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂主要是基體內(nèi)氣孔和顆粒與基體間孔隙的連接產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展導(dǎo)致宏觀斷裂。
【高壓扭轉(zhuǎn)制備SiCp/Al 復(fù)合材料的斷裂行為論文】相關(guān)文章：
淺析PPTAFPSA復(fù)合材料制備及其性能論文08-07
關(guān)于高導(dǎo)熱金剛石-Al 復(fù)合材料的研究10-26
簡(jiǎn)述納米復(fù)合材料中納米顆粒的釋放行為及環(huán)境殘留論文10-04
碳化鎢與蒙脫石納米復(fù)合材料的制備與電催化活性研究論文05-29
金屬基復(fù)合材料論文10-27