高压扭转制备sicp-al 复合材料的断裂行为

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1、高压扭转制备SiCp/Al复合材料的断裂行为　　SiCp/Al复合材料具有比强度高、耐磨性高、热膨胀系数小、成本低等一系列优点−3，被认为是一种较理想的结构材料和功能材料，可广泛应用于航空航天、机械制造等行业。传统制造工艺如铸造、粉末冶金等，制得的复合材料存在致密度不高、SiC颗粒分布不均匀等问题，一般需要二次加工进行改善。高压扭转法(high-pressuretorsion，简称为HPT)具有强大的剪切变形能力，相比于传统粉末制备工艺，不仅可以细化基体晶粒，使SiC分布更均匀，同时

2、能较大程度地提高复合材料的致密度，减少孔隙的产生。材料的断裂性质直接影响其力学性能，具有优良断裂韧性的材料强度高、塑性和延展性好。颗粒增强复合材料的损伤主要有3种形式：1)颗粒破裂;2)颗粒/基体界面脱粘;3)基体内气孔成核、扩展。孙超等对SiCp/Al复合材料拉伸时SiC颗粒的应力状态进行了模拟研究，研究表明材料受拉应力作用时，形状不规则的增强颗粒在塑性基体内会产生应力集中，并且增强颗粒尖角处在集中应力作用下会与基体脱粘，形成孔隙。　　李晓等,10研究表明，在HPT剧烈的剪切变形作用下，断裂微

3、区脆性的SiC颗粒与韧性基体变形不协调，在颗粒和基体之间产生较大的内应力。随着应力和应变的累积，内应力更大，产生颗粒与基体脱粘和颗粒微裂纹，甚至颗粒断裂。因此，SiC颗粒上的微裂纹与基体之间的界面处会产生孔隙。随着材料承载，微小缺陷不断发展，最终导致材料破坏。这些研究表明，颗粒增强复合材料的断裂机理和失效模式都较为复杂。目前，国内已有采用HPT法制备了高性能的SiCp/Al复合材料。李晓等研究结果表明，HPT可以有效致密SiCp/Al复合材料(相对密度可>0.95)和提高其强度(&sigm

4、a;b>200MPa)等性能。但是，人们对大塑性变形工艺制备颗粒增强复合材料断裂行为的研究仍较少。本研究采用不同工艺参数HPT法制备SiCp/Al复合材料，从材料断口形貌和界面原子扩散入手，结合其真应力−应变曲线，讨论和分析HPT变形工艺对颗粒增强复合材料断裂行为的影响。研究结果可丰富对大塑性变形制备颗粒增强复合材料断裂力学的理论内容，为该类材料合理地实际应用提供参考。　　1实验　　试验选用平均粒度37.28μm的铝粉(纯度大于98.7%)为基体，平均粒度13.59&mu

5、;m的绿色α-SiC颗粒为增强体，将850℃保温3h后的SiC颗粒与铝粉机械混合均匀。在自行设计的HPT专用液压机(RZU200HF)上进行实验，所制备试样尺寸为φ30mm2mm，如所示。扭转角速度为1r/min，其它工艺参数(压力、扭转圈数和变形温度，下同)如所列。将制备的试样在其半径3.5mm处线切割成板状拉伸试样，在万能试验机(CMT4104)上进行拉伸试验。　　采用扫描电子显微镜(JSM6490/LV)和能谱仪对拉伸后的试样断口形貌和界面原子扩散进行观察与分析，并研究

6、在不同HPT工艺参数下SiCp/Al基复合材料的拉伸断裂行为。　　2结果及分析　　2.1拉伸结果及断口形貌　　所示为在室温下扭转2圈时，在0.5GPa和0.62GPa压力下的体积分数为8.75%SiCp/Al材料的真应力−应变曲线，其断口形貌如所示。从可见：随压力增大，材料的屈服强度增大，而抗拉强度和断后伸长率降低。观察拉伸试样的宏观断口，在0.6GPa压力下断口无明显颈缩现象，属于脆性断裂。从可知，试样的断口形貌都呈现出不规则的韧窝，较多的韧窝中嵌有SiC颗粒，且有少量颗粒破碎(如

7、(a)所示)。表明材料在0.62GPa压力变形时，材料更趋于脆性断裂，同时，SiC颗粒在较大压力下易产生裂纹，导致破碎，材料产生更多的裂纹源，裂纹从SiC颗粒破碎处和SiC颗粒与基体界面处开始扩展。　　所示为室温下0.3GPa压力时，扭转1/3圈数和2圈数的8.75%SiCp/Al材料的真应力−应变曲线，其断口形貌如所示。从可见：随扭转圈数增加，材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均增大。观察拉伸试样的宏观断口，相对于扭转1/3圈的拉伸试样，扭转2圈的拉伸试样宏观断口有比较明显的颈缩

8、现象，断口倾斜较为明显，属于韧性断裂，说明扭转圈数影响该类复合材料的断裂性质。由可知，随扭转圈数增加，韧窝数量明显增多，并且基体上有较小且深的孔洞。从基体撕裂痕迹的大小及韧窝的分布可以看出：较多扭转圈数下试样的SiC颗粒分布较均匀，可以有效阻碍裂纹的扩展。　　所示为在0.3GPa压力下扭转2圈，不同变形温度下8.75%SiCp/Al材料的真应力−应变曲线，其断口形貌如所示。从可见：变形温度升高，可以提高材料的抗拉强度和断口伸长率;在180℃变形温度下，拉伸试样有较为明显的颈缩现象发生