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参考文献

摘要：
1 实验材料与方法▲
2 结果与分析▲
2.1 高能球磨时间对纳米SiC颗粒分布均匀性的影响
2.2 复合材料的微观组织特点
2.3 复合材料的室温力学性能
2.4 复合材料的高温力学性能
3 结论▲
图表▲

图1 1%n-SiCp/2024Al复合材料制备工艺

图2 球磨 (a) 1 h, (b) 2 h, (c) 3 h和 (d) 6 h的复合粉末微观组织

图3 1%n-SiCp/2024Al复合材料挤压棒材的微观组织

图4 T4态室温拉伸断口形貌

图5 1%n-SiCp/2024Al高温拉伸断口形貌

稀有金属2005年第4期

纳米SiC颗粒增强2024铝基复合材料的力学性能研究

肖伯律樊建中万志永左涛张维玉

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 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

采用粉末冶金法制备了1% (体积分数) 纳米SiC颗粒增强2024铝基复合材料, 并研究了其力学性能。实验结果表明, 1%纳米SiC颗粒增强2024铝基复合材料具有优良的室温力学性能, 并且在200℃时表现了较好的高温性能, 在315℃时强度下降。研究表明, 纳米SiC可以增加增强粒子的表面积, 减小增强粒子的颗粒间距, 使大量弥散分布的纳米SiC颗粒起到钉扎位错的作用, 而且可以细化2024铝基体的晶粒, 因而表现了良好的力学性能。

关键词：

纳米SiC颗粒;复合材料;粉末冶金;

中图分类号： TB331

收稿日期：2005-02-27

基金：国家863计划资助项目 (2002AA302502);

Mechanical Properties of Nano-SiC_p Reinforced 2024 Aluminum Composite

Abstract：

The study of mechanical properties of 1% nano-SiC_p reinforced 2024 aluminum composite fabricated by powder metallurgy method was undertaken. The results show that 1% nano-SiC_p/2024 has excellent tensile properties at room temperature and 200 ℃, especially having good yield stress, however its tensile strength decrease largely at 315 ℃. These results reveal that nano-SiC_p particles can increase the surface area of interface between nano-SiC_p and base, and reduce the space between nano-SiC_p particles. The dispersed nano-SiC_p particles can effectively pin up dislocations and refine the grains of aluminium base, so the material demonstrated good mechanical properties.

Keyword：

<Keyword>nano SiC particle; composite; powder metallurgy;

Received： 2005-02-27

SiC颗粒增强铝基复合材料具有比强度与比刚度高、耐疲劳等优异的力学性能, 目前已被广泛应用于航空航天、汽车等工业领域 ^[1] 。长期以来, SiC颗粒增强铝基复合材料主要选用粒度范围在几微米至几十微米的SiC颗粒, 对于更细小的亚微米及纳米尺度SiC颗粒增强的复合材料则研究较少, 特别是纳米陶瓷颗粒增强复合材料的高温性能几乎没有报道, 这势必会影响颗粒增强复合材料的研究开发与应用。因此, 本文研究的目的是在2024铝基体中加入纳米级SiC颗粒, 对比纳米SiC颗粒和微米级SiC颗粒增强的2024铝基复合材料在力学性能上的差异, 以期揭示纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的微观组织和力学性能特点。

1 实验材料与方法

实验所用原材料是2024铝合金粉末和纳米SiC颗粒。2024铝合金粉末采用气雾化技术制备, 平均粒度约为75μm;纳米SiC颗粒的平均粒度约为400 nm, 体积分数为1%。纳米SiC增强2024复合材料 (表示为1%n-SiC_p/2024Al) 的制备过程如下: (1) 将1%纳米SiC颗粒与2024合金粉末预混合, 然后采用高能球磨工艺 (球料比20∶1, 球磨时间为6 h) 制备复合粉末, 使复合粉末中的纳米颗粒实现均匀分布; (2) 将复合粉末装入模具内进行真空热压; (3) 采用800 t挤压机把复合材料坯锭挤压成Υ15 mm的棒材, 挤压比25∶1; (4) 复合材料的固溶时效工艺制度是:490℃保温1 h淬水, 然后进行96 h自然时效。具体的复合材料制备工艺流程如图1所示。

为了便于对比, 采用相同的工艺方法制备了15%SiC_p/2024Al复合材料。SiC颗粒的平均粒度约为10μm。

采用NEOPHOT-2金相显微镜观察复合粉末挤压棒材的金相试样。力学性能试验在MTS810试验机上进行。拉伸试样选用Υ5 mm, 标距为25 mm的标准试样, 测试温度分别为室温、200, 315℃, 拉伸速度为0.5 mm·min^-1。高温拉伸实验是在试样随炉加热到测试温度保温0.5 h后进行的。本文涉及的拉伸实验力学性能结果均为相同条件下的5个拉伸试样实验结果的平均值。采用JSM-840扫描电镜观察拉伸试样断口。

2 结果与分析

2.1 高能球磨时间对纳米SiC颗粒分布均匀性的影响

图2示出了不同球磨时间制备的复合粉末的金相照片。从图中可见, 经1 h高能球磨后, 2024铝合金粉末中存在较明显的SiC颗粒团聚现象。随着球磨时间的延长, 经2 h高能球磨后, SiC颗粒团聚现象得到改善, 但仍有局部区域存在SiC颗粒团聚和无SiC颗粒分布的现象。当球磨时间达到3h后, SiC颗粒已均匀分布于2024基体合金中。球磨时间达到6 h后, SiC颗粒分布情况基本与球磨3h的情况相同, 只是复合粉末变得更细。因此, 从SiC颗粒分布均匀情况来看, 高能球磨3 h已经可实现纳米SiC弥散分布的效果, 这表明高能球磨技术可以快速实现纳米SiC颗粒的均匀分布。

2.2 复合材料的微观组织特点

图3示出了1%n-SiC_p/2024Al复合材料挤压棒材的金相照片。从图3 (a) 中可以看出, 挤压后的复合材料中纳米SiC颗粒仍然弥散分布于2024基体中, SiC颗粒基本保持400 nm的平均粒度, 说明材料制备过程中SiC颗粒粒度基本不变。从图3 (b) 中可以看出, 晶粒沿挤压方向拉长, SiC颗粒分布在晶界上或者晶粒内部。在图3的 (a) , (b) 中均可看到一些微米级的SiC颗粒, 这是由于纳米SiC粉末有一定的粒度分布范围, 其中存在一定比例的微米级SiC颗粒。

图1 1%n-SiCp/2024Al复合材料制备工艺

Fig.1 Processing diagram of 1%n-SiC_p/2024Al composites

图2 球磨 (a) 1 h, (b) 2 h, (c) 3 h和 (d) 6 h的复合粉末微观组织

Fig.2 Microstructures of composite powders milled for (a) 1 h, (b) 2 h, (c) 3 h, (d) 6 h

图3 1%n-SiCp/2024Al复合材料挤压棒材的微观组织

Fig.3 Microstructures of 1%n-SiC_p/2024Al extruded composites

(a) 未腐蚀纵向截面; (b) 腐蚀后纵向截面

2.3 复合材料的室温力学性能

表1对比了1%n-SiC_p/2024Al和15%SiC_p/2024Al复合材料力学性能。从表中可以看出, 挤压态1%n-SiC_p/2024Al复合材料的强度和塑性明显优于15%SiC_p/2024Al复合材料, 前者的抗拉强度、屈服强度比后者分别提高了12.5%和33%, 延伸率和断面收缩率分别提高了37.5%和109%;而经过T4处理后, 1%n-SiC_p/2024Al复合材料的强度和塑性仍然优于15%SiC_p/2024Al, 特别是前者的屈服强度为447 MPa, 是后者的1.6倍。

分析表1的结果可以发现, 尽管纳米SiC颗粒的体积分数仅为1%, 远低于微米级SiC颗粒的体积分数15%, 但纳米SiC颗粒对强度提高的效果却优于微米级SiC颗粒的作用。一般来说, 弥散增强粒子直径越小, 增强效应越显著 ^[2] 。在本实验中, 性能对比的结果确实证实了这一点。这可以从增强粒子表面积和颗粒间距两方面分析:

表1 复合材料室温力学性能对比下载原图

Table 1 Comparison of MMC mechanical properties at room temperature

表1 复合材料室温力学性能对比

(1) 材料中增强粒子的表面积可以通过式 (1) ^[2] 计算:

其中, S是增强粒子表面积, φ是增强粒子体积百分数, d_m是增强粒子平均直径。由于本实验采用的纳米SiC的平均粒度是400 nm, 远小于微米级SiC颗粒的平均粒度10μm, 尽管纳米SiC只占总体积的1%, 而10μm的SiC颗粒占15%, 但根据式 (1) 计算前者表面积是后者的1.6倍, 两者差别十分明显。

(2) 材料中增强粒子的颗粒间距可以通过式 (2) ^[3] 计算:

其中, L是增强粒子的颗粒间距, φ和d_m同式 (1) 。通过计算可知, 1%n-SiC_p/2024Al的SiC颗粒间距是1.5μm, 而15%SiC_p/2024Al的颗粒间距是15μm, 二者相差10倍。

由于1%n-SiC_p/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。

图4 T4态室温拉伸断口形貌

Fig.4 SEMmicrograph of fracture surface at room temperature after T4

(a) 1%n-SiC_p/2024Al; (b) 15%SiC_p/2024Al

细小的纳米SiC颗粒更容易协同2024基体变形流动, 而微米级的SiC颗粒则相对较难, 从图4所示的室温拉伸实验断口可以看出, 在 (b) 中存在SiC颗粒与2024基体截面开裂的地方, 而在 (a) 中却没有截面开裂的情况发生, 因而1%n-SiC_p/2024Al的塑性相对高一些。同时因为有纳米SiC颗粒钉扎晶界, 使晶粒在热加工与热处理时不易长大, 从而保持了细小的晶粒, 也使得材料塑性提高。

2.4 复合材料的高温力学性能

从表2的高温力学性能对比可以看出, 在200℃时, 1%n-SiC_p/2024Al各项性能均优于15%SiC_p/2024Al, 保持了良好的高温力学性能;而在315℃时, 抗拉强度和屈服强度明显下降。用SEM对高温拉伸实验断口进行了分析。图5 (a) 是在200℃的拉伸断口, 可以看到有很多被拉长的较浅的韧窝。图5 (b) 是在315℃的拉伸断口, 其中存在有大量细小的等轴韧窝, 而且深度较深, 显示出材料为延性断裂。

表2 高温力学性能比较下载原图

Table 2 Comparison of mechanical properties at elevated temperature

表2 高温力学性能比较

由于在200℃时, 1%n-SiC_p/2024Al的基体仍然能够保持一定强度, 可以继续传递载荷, 因此纳米SiC_p仍然能够起到增强作用。但是温度达到315℃后, 基体合金中原子运动活跃, 位错活动能力增强, 存在位错攀移和交滑移等多种位错运动机制, 位错很容易越过细小的SiC颗粒, 不能有效地把载荷传递到SiC颗粒表面, 使SiC颗粒约束基体变形的机制减弱, 导致材料强度明显下降。另外, 对于15%SiC_p/2024Al来说, 其SiC颗粒尺寸相对较大, 在315℃时仍可阻碍基体合金发生塑性变形, 这将提高材料变形抗力, 因此表现出较高的强度。