简介概要

冷热循环对粉末冶金SiCp/Al复合材料力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2007年第5期

论文作者：樊建中张琪左涛肖伯律

关键词：SiCp/Al复合材料; 冷热循环; 强度; 延伸率;

摘要：采用粉末冶金制备了15%(体积分数) SiCp/Al复合材料,研究了不同冷热循环工艺对复合材料力学性能的影响.结果表明,上限温度在175℃以下的冷热循环对复合材料的屈服强度和抗拉强度影响不大,当上限温度达到200℃后复合材料的屈服强度提高了80 MPa,抗拉强度则基本不变.复合材料的屈服强度的提高主要是由于材料在冷热循环的高温过程中基体中的G.P区转变成了过渡相θ".断口观察表明,经过不同冷热循环工艺处理后,复合材料的断裂形式大致相同,即除了基体断裂外,还存在SiC颗粒开裂的情况.冷热循环对复合材料的延伸率影响不明显.

稀有金属 2007,(05),701-704 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.05.007

冷热循环对粉末冶金SiC_p/Al复合材料力学性能的影响

樊建中肖伯律左涛

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心北京100088,北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

采用粉末冶金制备了15% (体积分数) SiCp/Al复合材料, 研究了不同冷热循环工艺对复合材料力学性能的影响。结果表明, 上限温度在175℃以下的冷热循环对复合材料的屈服强度和抗拉强度影响不大, 当上限温度达到200℃后复合材料的屈服强度提高了80 MPa, 抗拉强度则基本不变。复合材料的屈服强度的提高主要是由于材料在冷热循环的高温过程中基体中的G.P区转变成了过渡相θ″。断口观察表明, 经过不同冷热循环工艺处理后, 复合材料的断裂形式大致相同, 即除了基体断裂外, 还存在SiC颗粒开裂的情况。冷热循环对复合材料的延伸率影响不明显。

关键词：

SiCp/Al复合材料;冷热循环;强度;延伸率;

中图分类号： TB333

作者简介：樊建中 (E-mail: jzfan@grinm.com) ;

收稿日期：2007-01-19

Effect of Cooling-Thermal Cycling Treatment on Mechanical Properties of SiC_p/Al Composite Prepared by Power Metallurgy

Abstract：

15% SiCp/Al composite billet was fabricated by power metallurgy method.The effect of different cooling-thermal treatments on the mechanical property of composites was investigated.The results showed that there was little influence on tensile strength when the superior limit of temperature of cooling-thermal cycling was below 175 ℃, however, σ0.2 was improved by 80 MPa and σb was not changed obviously when the superior limit of temperature of cooling-thermal cycling was 200 ℃.To composite, the improvement of σ0.2 was due to the transformation from G.P zones to θ″ precipitates in the matrix during the high temperature process.Fractographic analysis revealed that the mode of composites fracture was similar, with a preference for failure in matrix and fracture of SiC particles.In addition, there was no obvious impact on the elongation of composites during cooling-thermal cycling treatment.

Keyword：

SiCp/Al composite;cooling-thermal cycling;tensile strength;elongation;

Received： 2007-01-19

SiC_p/Al复合材料具有高比强度、高比刚度、耐疲劳等优点 ^[1] , 近年来已成功应用于航空航天包括战斗机腹鳍 ^[2] 、飞机发动机导流叶片 ^[2] 以及直升机旋翼连接件 ^[3,4] 等关键结构件, 逐渐发展成为应用于航空航天关键承载零部件的重要结构材料。随着航天技术的发展以及SiC_p/Al复合材料在航天领域应用范围的扩大, 航天器设计者对SiC_p/Al复合材料的性能提出了更高的要求, 不仅要求材料具有较高的力学性能, 还要求材料在使用过程中应具有良好的尺寸稳定性。

文献 [ 5, 6] 报道了冷热循环处理可以降低材料中的残余应力, 并稳定材料内部的位错组态, 进而改善铝合金及铝基复合材料的尺寸稳定性。但冷热循环在提高铝合金及铝基复合材料的尺寸稳定性的同时对其宏观力学性能的影响却报道很少, 这给铝基复合材料在航天领域的工程应用带来了一定的困难。因此本文研究了冷热循环热处理工艺对SiC_p/Al-Cu-Mg复合材料宏观力学性能的影响, 以期开发出既能改善铝基复合材料尺寸稳定性又能保证其良好力学性能的尺寸稳定化处理工艺。

1 实验

本文所用材料为粉末冶金法制备的15%SiC_p/Al-Cu-Mg (3.2%～4.4%Cu, 1.2%～1.6%Mg, 余量为Al) 复合材料, 经挤压成棒材 (具体制备工艺见文献 [ 7] ) , 棒材直径为100 mm。为了对比复合材料和基体合金性能的差别, 采用相同工艺制备了基体铝合金棒材。基体铝合金和复合材料棒材经T4工艺处理, 具体制度为495 ℃保温1 h, 淬入冷水后在室温下时效96 h。

对经过T4处理的材料进行高低温冷热循环处理。首先将材料从室温直接置于液氮 (温度为-196 ℃) , 保温15 min, 然后将材料从液氮中取出直接置于高温恒温箱中, 高温恒温箱温度为T₀, T₀分别设定为20, 125, 150, 175, 200 ℃, 保温时间均为60 min, 最后再将材料从高温恒温箱中取出直接置于液氮中, 依次循环3次, 冷热循环处理结束。

复合材料和基体铝合金的拉伸试样按照GBT228-2002标准给出的Φ 5 mm的试样标准尺寸加工, 拉伸方向与挤压方向平行。材料的拉伸试验在AG-50KNE型拉伸试验机上进行, 每个冷热循环工艺处理的复合材料和基体合金取两个拉伸试样, 对测得的数据取平均值。采用日立S4800场发射扫描电镜观察拉伸断口, 采用X′pert Pro MPD型X射线衍射仪进行物相分析。

2 结果与讨论

2.1 T4态复合材料力学性能

表1示出了复合材料和基体铝合金经T4处理后的力学性能, 从表1可以看出, 复合材料的抗拉强度和屈服强度分别比基体铝合金提高了22%和46%, 延伸率比基体合金则下降了83%, 碳化硅颗粒加入到铝基体中起到了显著的强化作用, 但不利于材料的塑性。

2.2 不同冷热循环工艺处理后复合材料的力学性能

图1示出了复合材料和基体铝合金屈服强度和冷热循环上限温度的关系, 从图中可以看出, 当冷热循环上限温度小于等于175 ℃时, 复合材料的屈服强度与T4态相比基本保持不变, 并且上限温度变化对复合材料的屈服强度的影响较小, 上限温度从25 ℃上升到125, 150, 175 ℃, 屈服强度的变化在10 MPa范围内; 当上限温度达到200 ℃时, 复合材料的屈服强度得到了大幅度的提高, 与T4态相比提高了80 MPa。基体合金的屈服强度随冷热循环上限温度的变化也表现出了类似的规律, 当冷热循环上限温度小于等于175 ℃时, 基体合金的屈服强度在15 MPa范围内变化, 当冷热循环上限温度达到200 ℃, 基体合金的屈服强度比T4态提高了118 MPa。

图2为经过不同冷热循环工艺处理后的复合材料样品的X射线衍射图谱, 分析表明, T4态以及经过上限温度低于175 ℃冷热循环后的复合材料样品中主要含有Al, SiC, 另外还出现了少量的Mg₂Si相; 而经过上限温度为200 ℃的冷热循环后复合材料样品中除含有以上3种物相外, 还出现了CuAl₂相。

表1 复合材料和基体铝合金的力学性能 (T4态) 下载原图

Table 1 Tensile property of composites and aluminum alloy matrix (T4)

表1 复合材料和基体铝合金的力学性能 (T4态)

图1 复合材料和基体合金的屈服强度与冷热循环上限温度的关系曲线

Fig.1 Relation between σ_0.2 and superior limit of temperature in cooling-thermal cycling

图2 经不同冷热循环工艺处理后复合材料XRD衍射图谱

Fig.2 XRD patterns of composites after different cooling-thermal cycling

(1) T4; (2) T4+-196℃/25℃; (3) T4+-196℃/125℃; (4) T4+-196℃/150℃; (5) T4+-196℃/175℃; (6) T4+-196℃/200℃

关于复合材料经冷热循环后力学性能和析出相的变化, 可作如下解释: 复合材料经T4处理后, 复合材料基体中主要生成了G.P区和非平衡过渡相θ″ ^[8,9] 。由于这些析出相在基体中弥散分布而且相对含量较少, 故X射线衍射难以分辨。在随后的冷热循环中, 当循环上限温度小于等于175 ℃时, 由于温度低于基体合金人工时效温度, 复合材料基体中的析出相基本不会发生变化, 故复合材料的屈服强度变化不明显 (图1) ; 当循环上限温度为200 ℃, 由于上限温度已高于基体铝合金的人工时效温度, G.P区必将转化成非平衡过渡相θ″ (CuAl₂) , 由于非平衡的过渡相θ″的强化效果大于G.P区 ^[10] , 故基体铝合金的屈服强度得到了较大幅度的提高, 同时复合材料的屈服强度也得到了较大幅度的提高 (图1) 。值得一提的是, 由图2中可以看出从T4态到经不同冷热循环工艺处理后的复合材料中均出现了少量的Mg₂Si相, 关于Mg₂Si相的产生原因还有待进一步研究。

图3给出了经过不同冷热循环后的基体合金和复合材料的抗拉强度的变化, 由图可以看出, 冷热循环上限温度在175 ℃以下时, 复合材料和基体合金的抗拉强度基本保持不变, 当冷热循环上限温度达到200 ℃后, 复合材料和基体合金的抗拉强度分别提高了10和63 MPa。

图4示出了经过不同冷热循环后的复合材料和基体合金的延伸率的变化, 从图中可以看出, 随着冷热循环上限温度的变化, 复合材料的延伸率在5%～7%范围内波动;对于基体合金而言, 当冷热循环上限温度在175 ℃以下变化时, 延伸率在31%～33%范围内波动, 经过上限温度为200 ℃的冷热循环后, 延伸率下降到16%, 下降比例为50%。

综合图3和4可以发现, 复合材料的抗拉强度和延伸率随冷热循环上限温度变化不大, 为了进一步分析原因, 本实验对经不同冷热循环工艺后的拉伸断口进行了扫描电镜观察。

图5为复合材料经不同冷热循环工艺处理后拉伸断口形貌, 由图可以发现, T4态和经上限温度为150和200 ℃的冷热循环后的试样的拉伸断口特征上没有很大差别。在3种状态下的拉伸断口均呈现出形状不均匀的韧窝, 而且韧窝较浅;另外, 在3种状态下的拉伸断口上均发现了断裂的碳化硅颗粒 (图5箭头所指) , 没有发现颗粒与基体脱开的现象。

关于经冷热循环处理后复合材料和基体合金抗拉强度变化的原因, 可作如下解释: 基体合金的抗拉强度主要取决于主要是由于时效过程中形成了弥散分布强化相对位错的阻力; 而对复合材料来讲, 抗拉强度除取决于基体弥散分布强化相对位错的阻力以外, 还取决于 (1) 基体通过界面向增强体传递载荷的载荷传递; (2) 颗粒约束基体合金的塑性变形而产生基体加工硬化; (3) 位错滑移时绕过颗粒产生应力强化; (4) 由于颗粒与基体合金的热膨胀系数差别造成的位错密度增加而产生的强化等等 ^[11] 。经上限温度小于等于175 ℃的冷热循环后时, 基体合金和复合材料的析出相形态基本不会发生变化, 因此基体合金和复合材料的抗拉强度变化不大。当冷热循环上限温度达到200 ℃时, 基体合金和复合材料的组织内部的G.P区转变为非平衡的过渡相, 导致基体合金的抗拉强度提高了63 MPa; 同时复合材料基体的强度也会有一定的提高, 但由于复合材料存在多种强化机制, 在多种强化机制同时发挥作用的前提下, 基体强度的提高对复合材料抗拉强度的提高就显得相对较小, 导致复合材料的抗拉强度变化不大。

图3 复合材料和基体合金抗拉强度与冷热循环上限温度的关系曲线

Fig.3 Relation between Rm and superior limit of temperature in cooling-thermal cycling

图4 复合材料和基体合金延伸率与冷热循环上限温度的关系曲线

Fig.4 Relation between elongation and superior limit of temperature in cooling-thermal cycling

图5 复合材料经不同冷热循环后拉伸断口扫描电镜

Fig.5 SEM of tensile fracture of composites after different cooling-thermal cycling

(a) T4; (b) T4, -196 ℃/150 ℃; (c) T4, -196 ℃/200 ℃

经过上限温度为200 ℃的冷热循环后基体铝合金塑性下降, 而复合材料的塑性却没有下降, 这可能是与经不同上限温度的冷热循环处理后复合材料断裂过程中均发生了SiC颗粒的开裂有关。在颗粒分布均匀, 界面结合较好的前提下, 少数SiC颗粒的开裂可以使颗粒附近基体区域所受的附加应力减弱甚至消失, 减少铝基体断裂的概率, 同时, 颗粒对铝基体的塑性变形限制减弱, 有利于提高复合材料的塑性 ^[7] , 因此复合材料的塑性没有明显下降。