顆粒增強鋁基復合材料的制備及力學性能

薛 陽，宋 旼，肖代紅

中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083

顆粒增強鋁基復合材料的制備及力學性能

薛 陽，宋 旼?，肖代紅

中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083

簡要介紹了金屬基復合材料的分類和發(fā)展現(xiàn)狀，并重點介紹了顆粒增強鋁基復合材料的幾種常用制備方法，包括攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、液態(tài)金屬浸滲法、粉末冶金法、噴射沉積法和比較新穎的原位反應復合法；同時綜述了顆粒增強鋁基復合材料力學性能的研究進展，包括實驗進展、理論模型和模擬的進展；最后展望了顆粒增強鋁基復合材料的發(fā)展方向。

金屬基復合材料；顆粒增強；制備方法；力學性能

金屬基復合材料(metal matrix composites，MMCs)是指以金屬、合金或金屬間化合物為基體，并且含有增強成分的一種復合材料。它是復合材料的一個新分支，雖然在20世紀60年代末才開始有了較快的發(fā)展，但是金屬基復合材料克服了聚合物基復合材料導熱性能差、不導電、易吸濕、老化、釋放小分子等缺點，同時該類材料因比模量和比強度較高、高溫力學性能良好、耐磨性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)較小、尺寸穩(wěn)定性高、抗疲勞性能優(yōu)異等特點而被廣泛應用于航空航天、汽車等領域。比如鎢纖維增強高溫合金基復合材料可用于飛機發(fā)動機部件，石墨/鋁基復合材料是衛(wèi)星和宇宙飛行器的良好結(jié)構(gòu)材料[1-4]。

輕質(zhì)金屬基復合材料一般包括鋁基、鎂基、鈦基以及其相關(guān)合金基復合材料。按增強體形態(tài)的不同可分為晶須、短纖維、連續(xù)纖維和顆粒增強復合材料。相較于顆粒增強復合材料，纖維增強復合材料的制造工藝復雜、加工溫度高、性能波動大以及成本高，未能得到大規(guī)模的工業(yè)應用；而顆粒增強金屬基復合材料的制備工藝簡單、成本低，可用常規(guī)金屬加工設備來制備，同時還具有高的比強度和比模量，以及耐磨、耐熱和耐腐蝕等優(yōu)良性能，使得顆粒增強金屬基復合材料備受研究者的關(guān)注并引起了很大的商業(yè)熱情[5-9]。具體增強相的選擇要根據(jù)復合材料的用途、工藝以及成本等因素綜合考慮。目前常用增強體材料有氧化物(如SiO2、Al2O3等)、氮化物(如TiN、AlN和Si3N4等)以及應用最為廣泛的碳化物(如SiC、TiC等)。

顆粒增強鋁基復合材料(particulate reinforced aluminum matrix composites, PRAMCs)以其基體合金可選擇范圍寬、成本低、易于用傳統(tǒng)工藝方法制備和加工、能實現(xiàn)批量和大規(guī)模生產(chǎn)、制備的材料表現(xiàn)出良好的尺寸穩(wěn)定性和各向同性而備受矚目。例如，由山東大學與曲阜金皇活塞有限公司聯(lián)合研制的SiCp/Al復合材料活塞已應用于摩托車及小型汽車的發(fā)動機[10]。北京航空材料研究院研制的顆粒增強鋁基復合材料已應用于衛(wèi)星的相機零件[11]，與原來設計的鈦合金材料相比，在重量降低35%的同時零件的傳熱性能提高了約10倍，并已經(jīng)應用于中國的“資源二號”衛(wèi)星上。美國等發(fā)達國家已經(jīng)將顆粒增強鋁基復合材料應用于軍用戰(zhàn)斗機的腹鰭[12]，相比于傳統(tǒng)的鋁合金材料，它將材料的剛度提高了50%，并且使用壽命也從原來的400 h提高到6000 h。另外，用精密鑄造、擠壓鑄造和粉末冶金等方法制備的顆粒增強鋁基復合材料，可以減小由于應力釋放而產(chǎn)生的變形，提高材料的尺寸穩(wěn)定性，同時還具有高的比強度、阻尼和諧振頻率，減小振動放大，可作為慣導系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件來提高系統(tǒng)精度的穩(wěn)定性[13]。美國已采用體積分數(shù)為40% 的SiC顆粒增強Al-6061合金復合材料替代Trident 導彈上原來使用的AISI416不銹鋼制造的萬向接頭部件，并利用SiC 顆粒增強的鋁基復合材料替代鈹合金制造慣性導航器件。以上表明，顆粒增強鋁基復合材料在軍事和民用工業(yè)上已經(jīng)取得了重要的應用。

1 顆粒增強鋁基復合材料的制備方法

目前生產(chǎn)顆粒增強鋁基復合材料的工藝方法大體可分為以下四類：液態(tài)工藝(攪拌鑄造、擠壓鑄造、液態(tài)金屬浸滲等)、固態(tài)法(粉末冶金法等)、雙相法(半固態(tài)加工、噴射共沉積等)，以及原位復合法。下面僅對幾種典型的制備工藝方法及特點進行簡單評述。

1.1 攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是將增強相加入到基體金屬液中，通過高速旋轉(zhuǎn)的機械攪拌裝置使液相和固相混合均勻，然后澆入成錠子[14-16]。這種方法的關(guān)鍵是使增強相均勻分布于基體中，并且基體和增強相之間的界面結(jié)合良好。攪拌鑄造法分為液相攪拌法和液固兩相攪拌法。與其他制備技術(shù)相比，攪拌鑄造法有很多優(yōu)點。如：制造成本低，便于一次成型復雜的工件；工藝設備相對簡單，可適應批量生產(chǎn)。但是攪拌鑄造法目前仍存在一些問題，如在攪拌過程中陶瓷顆粒容易產(chǎn)生偏聚、界面處易發(fā)生反應等。其次，非真空攪拌鑄造時，在攪拌的過程中容易引入氣體，使產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。再次，利用這種方法制取的金屬基復合材料中，顆粒增強相的體積分數(shù)會受到一定的限制。

1.2 擠壓鑄造法

擠壓鑄造法(又稱為預制件浸滲法)首先是按照零件的形狀將增強體做成預制塊，放入鑄型，在重力下澆入液態(tài)金屬或合金，隨后加壓，使基體熔液滲入到預制塊成錠[17]。康炘蒙等[18]采用擠壓鑄造法制備出增強體體積分數(shù)為45%～50%且性能優(yōu)異的SiCp/A1復合材料。復合材料物理性能的各項數(shù)據(jù)與理論預測的幾乎一致，這說明材料的均勻性良好，無明顯的缺陷。這是因為SiC顆粒與Al基體的界面結(jié)合良好，界面能夠起到傳載的作用，可以很好地抑制Al基體的膨脹，而且界面的熱阻較小，結(jié)合十分緊密。

擠壓鑄造法制備的產(chǎn)品尺寸精確，不需要復雜的后期加工；液態(tài)金屬浸滲時間短，冷卻速度較快，可降低甚至消除顆粒界面反應；增強相的體積分數(shù)可調(diào)節(jié)的范圍寬。但是擠壓鑄造工藝復雜，不易制備形狀復雜的制件和低含量顆粒增強金屬基復合材料，而且當浸滲壓力很大時，對模具和制件的完整性有很大的影響。

1.3 液態(tài)金屬浸滲法

在該種制備方法中，增強體需預先用適量的粘結(jié)劑粘結(jié)，然后冷壓成一定形狀和尺寸的預制件，隨后進行烘干[19]。進行浸滲之前，先把預制件加熱至600～800 ℃，再將其放入已預熱的金屬壓型的適當位置，澆入已精煉的熔融金屬液，用抽真空或加壓的方法，使熔融金屬液滲入預制件中，保持一段時間，等到其凝固后即可得到所需的顆粒增強鋁基復合材料的制件。

這種方法的制備工藝及設備簡單，制造成本較低，同時可避免發(fā)生增強體與基體不浸潤的現(xiàn)象，制得的材料密度比較均勻，熔融金屬冷卻快，制備過程周期短，減輕了顆粒界面反應，材料性能較高。但是采用該方法制備有一定孔隙的顆粒預制件比較困難，另外，制造過程中存在基體與顆粒的結(jié)合問題，浸滲工藝參數(shù)不易控制，壓力過高時可能會破壞預制件，不適于制造形狀復雜的工件，因此該工藝的應用受到一定限制。

1.4 粉末冶金法

粉末冶金是最早開發(fā)的用于制備顆粒增強金屬基復合材料的工藝[20-21]。它是將金屬粉末和增強陶瓷顆粒等經(jīng)篩分、均勻混合、冷壓固結(jié)、除氣、燒結(jié)，以及后續(xù)處理制得復合材料的一種工藝。圖1給出了粉末冶金法制備SiC增強鋁基復合材料的傳統(tǒng)工藝制備流程。燒結(jié)后的試樣經(jīng)過熱擠壓可以減少空洞的數(shù)量、細化晶粒、改善復合材料的界面結(jié)合強度和SiC顆粒的分布，從而有效提高復合材料的力學性能。經(jīng)過熱處理(如固溶、淬火和時效)后能進一步強化復合材料的力學性能。粉末冶金法的優(yōu)點是易于制備出強化相含量高的金屬基復合材料，且易于控制顆粒在基體中分布的均勻性，制備出的金屬基復合材料與其他方法相比具有較穩(wěn)定的性能指標。另外，與熔融金屬工藝生產(chǎn)的同種材料相比，用粉末冶金工藝制備的顆粒增強鋁基復合材料的綜合強度水平比較高，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有所改善。但是這種方法工藝及設備比較復雜，除氣不完全會導致材料內(nèi)部出現(xiàn)氣孔，溫度選擇不當也易造成偏析。此外，用該種方法很難制備出凈尺寸零部件，也不適用于生產(chǎn)尺寸較大的型件，所以不適于鋁基復合材料的大規(guī)模生產(chǎn)。

圖1 粉末冶金法制備SiC增強鋁基復合材料的流程圖

1.5 噴射沉積法

噴射沉積法是將熔化的金屬基體在惰性氣體流中霧化，同時加入增強體粉末，使兩者在霧化器內(nèi)混合，然后共同沉積在預處理的基體上，制得復合材料[22]。這種方法的特點是增強體的體積分數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，增強體的粒度也不受限制。由于增強體與基體熔液接觸的時間相當短，兩者之間的反應易控制，顯著改善了界面的結(jié)合狀態(tài)，使得基體能夠保持霧化沉積、快速凝固的特點，且晶粒十分細小。噴射沉積法的制備成本介于粉末冶金法和鑄造法之間。

1.6 原位復合法

原位復合法的工作原理是將生成增強相的粉末與基體粉末混合，然后經(jīng)過一定的處理，使兩種粉末發(fā)生反應，從而在基體中生成彌散的增強相[23]。圖2為利用Al和Ti之間的互擴散，原位反應生成一種新型的“核殼”結(jié)構(gòu)增強相[24]。其中較軟的“核”Ti和基體Al將較硬的金屬間化合物“殼”夾在中間，可以在提高復合材料強度的同時，還能很好地保留材料的延展性[25]。原位復合的方法能夠很好地解決增強體與金屬基體的浸潤性問題，增強體與金屬基體界面有很好的結(jié)合，且熱力學穩(wěn)定性好；同時如果增強相顆粒細小，在基體中均勻分布，增強效果良好。另外，可通過變換原位生長工藝參數(shù)來調(diào)整材料的顯微結(jié)構(gòu)，降低原材料的成本，因而受到了廣泛的關(guān)注。但是，原位復合法也有缺點，如增強相的成分和體積分數(shù)不易控制，工藝過程較難掌握。

圖2 Al和Ti原位反應機理示意圖[24]

綜上所述，鑄造法制造顆粒增強金屬基復合材料工藝簡單、成本低，適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)，但不適用于制備小顆粒高體積分數(shù)的復合材料，且制品缺陷較多。噴射沉積法制備的金屬基復合材料可任意調(diào)節(jié)增強相的體積分數(shù)，而且增強相與基體之間的界面穩(wěn)定性較好，但該種方法制備成本較高，工藝流程復雜。粉末冶金法制備金屬基復合材料，基體與增強相界面結(jié)合良好，但設備復雜，工藝繁瑣，成本高，且增強顆粒易于團聚，制得的材料性能難以達到均勻。原位反應法制備金屬基復合材料工藝簡單、成本低，且通過發(fā)生反應獲得的增強相與基體之間的界面無污染現(xiàn)象，兩相結(jié)合力強。此外，原位反應法生成的增強相不易長大，尺寸細小，所以原位反應法是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N制備金屬基復合材料的方法。

2 顆粒增強鋁基復合材料的力學性能

2.1 實驗研究

2.1.1 彈性模量

彈性模量是復合材料加入顆粒增強相后增加最為顯著的力學性能。影響顆粒增強鋁基復合材料的彈性模量的因素包括顆粒增強相的形狀、體積分數(shù)和分布情況。彈性模量一般隨著強化顆粒的體積分數(shù)的增加而增加，而增強相的形狀對其影響尚不明確。另外它還和測量方法有關(guān)，例如：一般由動態(tài)測量方法測得的彈性模量比拉伸試驗中從應力/應變曲線彈性部分得到的靜態(tài)測量值要大，而測試方法為拉伸還是壓縮也對測量的值有影響[26]。

2.1.2 強度和硬度

強度和硬度是人們研究顆粒增強鋁基復合材料最為關(guān)注的力學性能之一。增強顆粒的加入可明顯提高復合材料的強度和硬度。影響復合材料強度和硬度的主要因素包括：基體類型、增強體的類型和增強體的體積分數(shù)、尺寸及分布狀態(tài)。

有研究表明，對軟基體(如Al-1100和Al-6061)的復合材料，SiC顆粒體積分數(shù)的增加可以使復合材料得到高的增強率，但當體積分數(shù)增長到一定值后復合材料的強度反而降低[27]；而對硬基體(如Al-7075和Al-2024)，SiC的加入?yún)s并沒有使復合材料的強度有明顯提高[28]。Williams等[29]在顆粒尺寸對SiC增強2080鋁基復合材料拉伸變形及斷裂機制的影響的研究中發(fā)現(xiàn)，復合材料的強度隨顆粒尺寸的減小而增加，這是由于小尺寸SiC顆粒內(nèi)部含有的本征缺陷較少的緣故。Lewandowski等[30]在研究以Al-7Zn-2Mg-2Cu-0.14Zr為基體，體積分數(shù)為20%的SiC顆粒為增強體的復合材料時發(fā)現(xiàn)，當SiC顆粒尺寸從5 μm增大到16 μm時，其在基體中的分布均勻性提高，復合材料的力學性能變好。

另外大多數(shù)鋁合金基體為時效可硬化鋁合金。在固溶淬火后的時效熱處理過程中，由于SiC的加入會引起基體位錯密度升高，而基體合金中的沉淀相會沿位錯非均勻形核和長大，引起復合材料的“時效加速”現(xiàn)象。Song等[31]通過實驗和模擬發(fā)現(xiàn)，當復合材料含的SiC增強顆粒的尺度為10 μm，時效溫度為175 ℃時，SiC增強Al-10Si-0.5Mg合金復合材料的屈服強度在時效過程的任何階段都隨著SiC顆粒體積分數(shù)的提高而增加，同時SiC顆粒體積分數(shù)的增加還會加快時效過程，使復合材料達到時效峰值的時間縮短，如圖3所示。

圖3 理論計算及實驗所得的不同時效溫度下SiC增強Al-10Si-0.5Mg鋁基復合材料屈服強度的演變[31]

需要指出的是，基體材料體系、加工條件和測試方法與復合材料強度和硬度之間的關(guān)系并不太確定。另一方面，溫度和環(huán)境都會對復合材料的強度和硬度產(chǎn)生影響，但它們對復合材料強度的具體作用機制有待于進一步的研究。

2.1.3 塑性

顆粒增強鋁基復合材料的另一個重要力學性能是材料的塑性。顆粒增強體的加入在提高鋁基復合材料強度和硬度的同時，也造成了其塑性的下降。換句話說，復合材料的強度和硬度的提高，是以犧牲塑性為代價的。

Llorca等[32]的研究表明，顆粒增強鋁基復合材料的塑性和基體的塑性成正比。除此之外，其塑性不僅與顆粒增強相/基體的強度比有關(guān)，還和增強相顆粒的形狀和空間分布有關(guān)。Umit和Kazim[33]通過對顆粒狀SiC增強Al-5%Si-0.2%Mg復合材料的試驗研究了熱擠壓對復合材料的強度和延展性的影響。在500 ℃下，以10∶1的擠壓比擠壓復合材料的鑄錠，通過對其微觀組織的觀察和力學性能的測試，結(jié)果表明擠壓后的組織比鑄態(tài)顯微組織更為均勻，延展性水平也獲得較大的提升。Lloyd[34]的研究表明，增強顆粒的體積分數(shù)在12%到18%之間的顆粒增強鋁基復合材料，既能獲得較好的強度，又有良好的塑性水平。此外，一些研究人員通過改變顆粒增強相的結(jié)構(gòu)，如核為軟相的Fe或Ti，殼為具有較高硬度的金屬間化合物的核殼結(jié)構(gòu)來限制裂紋的擴展，在提高復合材料強度的同時，大幅提高材料的塑性，獲得了優(yōu)異的力學性能[25,35]。

2.1.4 斷裂韌性

斷裂韌性表征了材料抵抗斷裂變形的能力。斷裂韌性K1c一般隨著增強顆粒粒度的降低或體積分數(shù)的增加而降低。顆粒增強鋁基復合材料中裂紋的形核一般發(fā)生在顆粒的偏聚區(qū)，形核的臨界應力并不是由增強顆?？偟捏w積分數(shù)決定，而是由局部增強顆粒的體積分數(shù)決定。多數(shù)學者認為斷裂是由顆粒的斷裂或基體和顆粒間的“脫粘”引起，高強度基體中大的顆粒傾向于斷裂，低強度基體中的孔洞優(yōu)先在界面形核。

Hong等[36]通過對熱擠壓后SiC/Al2024復合材料的研究發(fā)現(xiàn)，復合材料的斷裂韌性與SiC顆粒的長徑比和體積分數(shù)有很大關(guān)系。當SiC顆粒的體積分數(shù)從3%增加到18%時，材料的斷裂韌性從20.16 MPa?m1/2下降到14.67 MPa?m1/2，如圖4所示。Song等[37]通過對SiC顆粒增強Al-Cu-Mg復合材料的測試表明，復合材料的斷裂韌性隨著SiC顆粒體積分數(shù)的增加而降低，并且在時效過程中斷裂韌性的演變和屈服應力的演變相反，增加時效溫度可以提高復合材料斷裂韌性的最低值。

2.2 解析模型

2.2.1 混合定律

顆粒增強鋁基復合材料的彈性模量和屈服強度近似地遵循混合定律[38-39]，可表示為

其中Ec、Er與Em分別表示復合材料、增強體和基體的彈性模量，syc、syr與sym分別是復合材料、增強體和基體的屈服強度，Vr與Vm分別為增強體和基體的體積分數(shù)。由于混合定律的等效應變假設對SiCp/Al復合材料來說不成立，利用混合定律預測SiCp/Al的彈性模量和屈服強度與實際值差別較大。此外，因為混合定律并未考慮增強體形狀等微觀組織對性能的影響，通常該模型預測的力學性能數(shù)值是實驗值的上限。

2.2.2 剪切滯后模型

剪切滯后模型及修正的剪切滯后模型，其物理原理基于軟的鋁基體將外部所施加的應力傳遞給硬的SiC增強體上，使得復合材料的彈性模量和屈服應力得到提高。這一效應最早由Cox[40]提出，其后又得到了Nardone等[41-42]的修正，發(fā)展為修正的剪切滯后模型。根據(jù)修正的剪切滯后模型，SiC增強鋁基復合材料的屈服應力可表示為

其中scy表示復合材料的屈服應力，smy是基體合金的本征屈服應力，A是SiC顆粒的長徑比，Vp和Vm分別表示SiC顆粒和基體的體積分數(shù)。

圖4 SiC/Al2024復合材料中斷裂韌性隨SiC顆粒的體積分數(shù)的變化[36]

Song等[43]結(jié)合顆粒失效、Weibull統(tǒng)計分布和Eshelby等效夾雜理論，得出了考慮顆粒失效的修正剪切滯后模型。從圖5中可以看出，在研究SiC顆粒增強Al-6.4%Zn-2.3%Mg合金復合材料時，與傳統(tǒng)的修正剪切滯后模型相比，考慮顆粒失效的修正剪切滯后模型計算預測的屈服應力與實驗結(jié)果吻合更好。隨著SiC顆粒體積分數(shù)的增加，傳統(tǒng)的修正剪切滯后模型預測的復合材料的屈服應力偏離實驗值越來越明顯，而考慮顆粒失效的修正剪切滯后模型則和實驗值較吻合。

圖5 計算和實驗所得SiC增強Al-6.4%Zn-2.3%Mg復合材料的屈服應力隨SiC顆粒體積分數(shù)的演變規(guī)律[43]

2.2.3 Eshelby模型

Eshelby模型是以Eshelby等效夾雜理論[44]為基礎，后經(jīng)Mori和Tanaka的平均應力場理論修正后[45-46]建立的。該模型可以成功預測長徑比較小的晶須增強或顆粒增強金屬基復合材料的剛度和強度，并且很好地解釋了熱殘余應力對材料力學性能的影響。Eshelby等效夾雜理論的基礎是假定在增強體內(nèi)所有點的所有應力都是相同的。根據(jù)Eshelby等效夾雜理論，將SiC顆粒的彈性模量轉(zhuǎn)變?yōu)榛w材料的彈性模量時，產(chǎn)生的內(nèi)應力可表示為

其中CI和CM分別為SiC顆粒和基體的彈性常數(shù)張量，eC為約束應變張量，eT*為SiC顆粒的轉(zhuǎn)變應變張量，eT為基體的轉(zhuǎn)變應變張量。當外加應力為sA時，一個SiC顆粒所受的力為

其中eA為外加應力下基體材料的塑性變形。當基體含超過一個SiC顆粒且基體為非無限大時，要考慮邊界條件，引入鏡像力sim=CmeM，則SiC顆粒在外加載荷時所受的力可表示為

其中I為單位矩陣，f為SiC顆粒的體積分數(shù)，S為Eshelby張量。

Lloyd通過對比從文獻中獲得的SiC顆粒增強鋁基復合材料彈性模量的實驗值和混合定律、Eshelby模型以及Halpin-Tsai模型的計算值表明，混合定律所得彈性模量偏離實驗值較大，而經(jīng)過修正的Halpin-Tsai模型及Eshelby模型計算所得值和實驗值較為接近[34]，如圖6所示。

圖6 彈性模量隨SiC顆粒體積分數(shù)的變化(s為顆粒的長徑比)[34]

2.3 有限元計算

由于有限元分析的方法可以綜合考慮顆粒增強體的形狀、尺寸、分布和體積分數(shù)，以及斷裂等特征對復合材料應力/應變行為的影響，所得模擬結(jié)果接近實驗值，從而使得此種方法受到大家的重視，應用也越來越廣泛。

徐娜等[47]采用平面應變和軸對稱兩種單胞模型, 分析了形狀不同的SiC增強顆粒對經(jīng)T6處理的鋁基復合材料力學行為的影響。結(jié)果表明，隨著增強顆粒的邊數(shù)的增加，復合材料的屈服強度逐漸降低。孫超等[48]采用有限元方法和軸對稱單胞模型模擬了SiC增強體形狀、體積分數(shù)以及不同基體類型對鋁基復合材料力學行為的影響。結(jié)果表明：增強體尖角處出現(xiàn)應力集中；橢圓柱形增強體傳遞載荷的能力最強，強化效果最好；隨著增強體體積分數(shù)的增加，導致顆粒間距減小，幾何必須位錯自由運動的路徑減少，復合材料的強度也隨之增加。Chawla等[49]以可視有限元的方法研究SiC顆粒增強2080鋁基復合材料的力學性能，模擬了三種不同的結(jié)構(gòu)單元(球體、長方體和含有14種顆粒的微觀單元)的SiC顆粒來和實驗的結(jié)果做對比。從圖7中可以看出，第三種結(jié)構(gòu)單元(14種顆粒組成的微觀單元)構(gòu)成的復合材料的力學性能和實驗所得結(jié)果很吻合。

圖7 三種不同的結(jié)構(gòu)單元的模擬值和實驗值的對比[49]

3 展望

近年來顆粒增強鋁基復合材料備受研究者的關(guān)注并引起了極大的商業(yè)熱情，除了對其制備方法的直接研究，提高顆粒增強鋁基復合材料的強度、彈性模量、延性和斷裂韌性，合理調(diào)配各種力學性能之間的關(guān)系，還應從力學及物理上闡明復合材料的強化機理與斷裂機制。這就需要在前人實驗和物理模型的基礎上，系統(tǒng)考慮復合材料的各種變形機制，進一步修正、完善和發(fā)展新的物理模型，同時利用有限元分析方法綜合考慮對復合材料力學性能產(chǎn)生影響的各種因素以提高研究效率。顆粒增強鋁基復合材料以后的主要研究方向應該是將實驗方法、物理模型和有限元分析方法有機結(jié)合，以此來促進復合材料研究的發(fā)展，并縮短新材料設計的研究周期。

(2014年5月14日收稿)

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Fabrication and mechanical properties of particulate reinforced aluminum matrix composites

XUE Yang, SONG Min, XIAO Dai-hong
State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China

The classification and recent status of metal matrix composites and the general methods for fabricating particulate reinforced aluminum matrix composites are described. The methods include stir casting, powder metallurgy, spray deposition and the relatively new in-situ reactive fabrication. Then the progress in the mechanical properties of particulate reinforced aluminum matrix composites is introduced. Finally, the future development of particulate reinforced aluminum matrix is discussed.

metal matrix composite, particulate reinforcement, fabrication method, mechanical property

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.01.006

?通信作者，E-mail：msong@csu.edu.cn