原位觀察銅網(wǎng)格增強(qiáng)Al/Cu復(fù)合材料的斷裂行為

張曉波, 張全鑫

(1. 蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不斷向大型化、高速化和輕量化的驅(qū)動(dòng)邁進(jìn),復(fù)合材料的研究進(jìn)程和應(yīng)用范圍已成為衡量一個(gè)行業(yè)科技先進(jìn)水平的重要標(biāo)志[1].鋁基復(fù)合材料憑借其高比強(qiáng)度、低密度、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異的綜合性能,近些年在軍事、航空、航天以及民用領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用[2-3].與其他金屬基復(fù)合材料相比,鋁基復(fù)合材料可成型性高且是一種環(huán)境友好型材料,從而引起了眾多研究者的關(guān)注[4-5].通過(guò)外加法添加SiC、Cu、W、Mn、Al2O3、WC等硬質(zhì)顆粒作為增強(qiáng)體來(lái)制備鋁基復(fù)合材料是一種普遍思路[6-7].在過(guò)去的幾十年中,傳統(tǒng)的Al/Cu多層復(fù)合材料制備方法主要包括擴(kuò)散焊接法、爆炸焊接法和軋制復(fù)合法[8-10].考慮到設(shè)備要求低、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì),采用軋制工藝制備Al/Cu多層復(fù)合材料是一種理想的選擇.截至目前,許多研究者已經(jīng)采用軋制方法制備了Al/Cu復(fù)合材料,并對(duì)其組織演變和力學(xué)性能進(jìn)行了研究[11-12].

鑒于多層復(fù)合材料變形行為與斷裂破壞間的微妙關(guān)系,原位拉伸實(shí)驗(yàn)是一種必不可少的研究手段[13].Kumar等[14]通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)下的一系列原位拉伸實(shí)驗(yàn),報(bào)道了多層復(fù)合材料的裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程.同樣,Haddad等[15]也利用原位觀察手段對(duì)材料的變形和斷裂行為進(jìn)行了研究.因此,原位拉伸實(shí)驗(yàn)是分析材料微觀結(jié)構(gòu)演變與力學(xué)性能之間特殊相關(guān)性的重要實(shí)驗(yàn)手段.本文通過(guò)對(duì)比分析冷軋與熱軋條件下以銅網(wǎng)格增強(qiáng)Al/Cu復(fù)合材料的原位拉伸實(shí)驗(yàn),研究鋁銅復(fù)合材料微觀組織演變、變形行為、斷裂破壞機(jī)理與力學(xué)性能之間的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與制備過(guò)程

基體材料為牌號(hào)1060的商業(yè)純鋁板,其平均厚度為2 mm.

增強(qiáng)體材料：T2紫銅纖維網(wǎng)格.纖維網(wǎng)格由絲徑為35 μm的紫銅絲以正交法致密編織而來(lái),其目數(shù)為350目,平均厚度為50 μm.纖維銅網(wǎng)格的SEM結(jié)構(gòu)如圖1所示.兩種材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1.

首先,將Al-1060薄板和350目銅網(wǎng)沿其長(zhǎng)寬方向按照100 mm×50 mm的尺寸進(jìn)行剪裁.為了消除殘余應(yīng)力,提高粘結(jié)質(zhì)量,通常將Al-1060板材放置在箱式電爐中加熱至350 ℃進(jìn)行退火處理2 h.為了將剪裁過(guò)程中殘留在鋁板及銅網(wǎng)上的油漬、汗液、灰塵等污染物去除或溶解,需將其置于丙酮溶液中并使用超聲波清洗機(jī)反復(fù)清洗.為了徹底去除殘留在Al-1060板上的化學(xué)污染物(氧化膜、腐蝕殘?jiān)?,使用直徑為0.3 mm的不銹鋼鋼刷沿板材的原始軋制方向反復(fù)打磨,直至板材表面出現(xiàn)锃亮的金屬光澤.隨后,將三片Al-1060板和兩片銅網(wǎng)以交替間隔的組合順序(Al-Cu-Al-Cu-Al)疊合在一起,疊合好的五層組胚厚度為6.01 mm,并用細(xì)鐵絲將其兩端固定.

為了提高Al/Cu界面的結(jié)合強(qiáng)度,將待結(jié)合的鋁層和銅層接觸面均勻且充分預(yù)熱,并保證鋁原子和銅原子在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生原子互擴(kuò)散,根據(jù)初始鋁板及組胚厚度設(shè)定預(yù)熱溫度為400 ℃,保溫時(shí)間為35 min.即整個(gè)熱軋過(guò)程是將組胚置于電阻爐中以400 ℃進(jìn)行預(yù)熱35 min后進(jìn)行,而冷軋過(guò)程是在室溫(25 ℃)下進(jìn)行.最后,采用軋輥直徑為180 mm的軋機(jī)進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn),設(shè)定軋制速度為10 r/min,且沒(méi)有使用任何潤(rùn)滑劑,以61%的壓下量軋制變薄后便可制備出銅網(wǎng)格增強(qiáng)的Al/Cu復(fù)合板.

1.2 原位拉伸實(shí)驗(yàn)

在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,Quanta 450FEG)配備的原位拉伸臺(tái)上進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn).首先,采用電火花線切割慢走絲方法,沿Al/Cu復(fù)合薄板的軋制方向切割原位拉伸試樣.原位拉伸試樣的具體尺寸如圖2所示,試樣標(biāo)距部分的長(zhǎng)度和寬度分別為4 mm和2 mm.原位觀察平面為Al/Cu復(fù)合板軋制方向與法向構(gòu)成的RD-ND平面,該平面是通過(guò)機(jī)械研磨、拋光和電化學(xué)拋光等一系列工序制備而成.當(dāng)出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)變化等特征區(qū)域時(shí),應(yīng)立即暫停原位拉伸載荷,以便于掃描電鏡圖像的采集和拍攝.為保證更全面地觀察Al/Cu復(fù)合板的變形和裂紋萌生、擴(kuò)展行為,整個(gè)拉伸過(guò)程的拉伸速度設(shè)定為0.05 mm/min.

2 結(jié)果與分析

2.1 原位拉伸曲線特征分析

圖3所示為兩種不同軋制條件(冷軋和熱軋)下制備的Al/Cu多層復(fù)合材料的原位拉伸載荷-位移曲線.整體來(lái)看,兩條曲線的變化趨勢(shì)相似,均表現(xiàn)出了明顯的彈性階段、塑性階段和失效階段.另外,為了便于獲取特征區(qū)域的掃描電鏡照片,通常暫停了原位拉伸的加載載荷,導(dǎo)致拉伸曲線上出現(xiàn)載荷跌落的現(xiàn)象.由圖3a可以看出,冷軋條件下原位拉伸試樣的極限載荷和最大位移分別為217 N和2.16 mm.當(dāng)拉伸載荷小于181 N時(shí),根據(jù)虎克定律,曲線線性上升的部分稱為鋁銅復(fù)合板的彈性變形階段.在載荷繼續(xù)增加到極限載荷的過(guò)程中,試樣開(kāi)始發(fā)生塑性變形.在此之后,伴隨著微裂紋的萌生、擴(kuò)展和長(zhǎng)大,當(dāng)載荷從217 N減小到130 N時(shí),試樣最終斷裂.然而,在熱軋狀態(tài)下(如圖3b所示),試樣的極限載荷和最大位移分別達(dá)到256 N和2.75 mm.可以發(fā)現(xiàn),熱軋?jiān)嚇釉焕旖Y(jié)果表現(xiàn)出的極限載荷和最大位移均優(yōu)于冷軋?jiān)嚇?其主要原因是鋁銅擴(kuò)散層的形成以及金屬鋁板在熱軋過(guò)程中表現(xiàn)出良好的流變特性,變形抗力低,極大降低了軋制變形的能耗.由此可知,400℃熱軋工藝是一種同時(shí)提高纖維銅網(wǎng)格增強(qiáng)Al/Cu多層復(fù)合材料強(qiáng)度和塑性的方法.

2.2 變形過(guò)程的動(dòng)態(tài)觀察

圖4描述的是冷軋條件下Al/Cu復(fù)合材料在不同載荷下的拉伸變形過(guò)程.經(jīng)61%的軋制變形后,銅網(wǎng)格被破碎成圓形和細(xì)長(zhǎng)條兩種形狀,并以交替間隔的順序均勻分布在鋁基體中(如圖4a所示).在圖4b中,當(dāng)拉伸載荷增加至190 N時(shí),可以看到輕微的界面分層,但整個(gè)樣品的形貌沒(méi)有明顯變化.此外,可以發(fā)現(xiàn)微裂紋最有可能在銅顆粒周圍和應(yīng)力集中處萌生.從圖4c可以看出,試樣已經(jīng)進(jìn)入屈服階段,其表面可以清晰地觀察到許多線條,通常稱為滑移線.隨著拉伸載荷的持續(xù)增大和變形過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行,試樣開(kāi)始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.頸縮的直接原因是Al/Cu復(fù)合材料以位錯(cuò)形式轉(zhuǎn)移到其他位置后發(fā)生的局部大變形.拉伸過(guò)程發(fā)展到強(qiáng)化階段(如圖4d所示)后,結(jié)合界面處的微裂紋明顯繼續(xù)擴(kuò)展并相互連接.如圖4d中虛線框所示,隨著原位拉伸過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行,滑移帶逐漸在主裂紋附近出現(xiàn).其主要原因是整個(gè)變形過(guò)程是不連續(xù)的,滑移層數(shù)增加,意味著整個(gè)滑移帶的滑移量增加.一般來(lái)說(shuō),主裂紋通過(guò)以自身擴(kuò)展的方式或與周圍裂紋連接的方式而擴(kuò)展.在圖4e中,隨著拉伸載荷從極限拉伸載荷(217 N)逐漸減小至170 N,主裂紋迅速擴(kuò)展,裂紋間距尺寸迅速增大,主要表現(xiàn)為：裂紋1高0.14 mm,寬0.83 mm,裂紋2高0.18 mm,寬1.07 mm.從圖4f可以看出,拉伸試樣處于完全失穩(wěn)的狀態(tài),最終當(dāng)拉伸載荷為130 N時(shí),試樣表現(xiàn)出明顯的斷裂特征,其斷裂路徑沿滑移線和單軸拉伸方向呈45°.

圖5描述了熱軋條件下Al/Cu復(fù)合板的原位拉伸變形行為.在圖5a中,圓形和細(xì)長(zhǎng)條形狀的銅顆粒與鋁基體結(jié)合狀態(tài)良好,且結(jié)合面上沒(méi)有出現(xiàn)任何開(kāi)裂的現(xiàn)象.從圖5b可以看出,隨著載荷增加至250 N,處在塑性變形階段的Cu顆粒周圍開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋.當(dāng)載荷從最大值(256 N)減小至229 N時(shí),試樣的高度尺寸明顯減小,宏觀表現(xiàn)為圖5c中的頸縮現(xiàn)象.觀察圖5d,當(dāng)拉伸載荷降低至200 N時(shí),試樣在較大的拉伸變形后出現(xiàn)了許多裂紋和嚴(yán)重的塑性變形區(qū).由此可知,經(jīng)軋制破碎后細(xì)小且均勻分布的銅顆粒能有效阻止和抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展.此外,熱軋條件為Al/Cu層狀復(fù)合材料提供了較好的結(jié)合強(qiáng)度,從而使熱軋?jiān)嚇幽軌虺惺鼙壤滠垙?fù)合板試樣更大的塑性變形.如圖5d所示,主裂紋1沿滑移線方向進(jìn)一步擴(kuò)展并最終與鄰近的Al/Cu結(jié)合界面上的主裂紋2連接貫通.最后,當(dāng)拉伸載荷減小至140 N時(shí),試樣表現(xiàn)出明顯的斷裂特征,且斷裂位置與斷裂特征跟冷軋態(tài)試樣表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì),即斷裂路徑和單軸拉伸方向呈45°.

2.3 斷口形貌分析

圖6描述了不同軋制條件下Al/Cu復(fù)合板的原位拉伸斷口形貌.觀察圖6a和6d中的宏觀斷口,Al/Cu結(jié)合界面清晰可見(jiàn),并可以發(fā)現(xiàn)界面處存在明顯的分層現(xiàn)象.然而,冷軋條件下試樣的界面分層程度較熱軋態(tài)試樣更為嚴(yán)重,這是因?yàn)闊彳垪l件可以為Al/Cu界面的結(jié)合提供更好的軋制結(jié)合力.較高的界面結(jié)合強(qiáng)度可以抵消應(yīng)力集中區(qū)的拉應(yīng)力,因此,熱軋?jiān)嚇拥慕缑娣謱映潭仍趫D6d中較弱.

從圖6e可以看出,復(fù)合板RD-ND平面上的銅顆粒在結(jié)合界面上均勻分布,這可以抑制周圍應(yīng)力集中區(qū)裂紋的擴(kuò)展,所以熱軋態(tài)復(fù)合板表現(xiàn)出更好的塑性,這一結(jié)果與載荷-位移曲線(如圖3所示)一致.熱軋復(fù)合板表現(xiàn)出較高的界面結(jié)合強(qiáng)度以及銅增強(qiáng)體顆粒更加均勻的分布性,這對(duì)提高鋁銅復(fù)合板的綜合力學(xué)性能有積極作用.從圖6c和6f可以看出,在Al層的斷裂面上可以發(fā)現(xiàn)大量的剪切韌窩和孔洞,說(shuō)明復(fù)合板在拉伸斷裂過(guò)程中的變形主要集中在Al層,這呈現(xiàn)出典型的塑性斷裂特征.這一結(jié)果與Al/SiC、Al/Cu等層狀復(fù)合材料的斷裂特征類似,其主要原因可以歸結(jié)為鋁的本質(zhì)屬性(立方晶體結(jié)構(gòu))[16].由圖6f可知,熱軋狀態(tài)下的韌窩分布均勻,韌窩形狀為非圓形,且韌窩深度比冷軋態(tài)的深.因此,在發(fā)生斷裂破壞之前,斷裂特征表現(xiàn)出較好的延展性.綜上所述,熱軋條件對(duì)提高銅網(wǎng)增強(qiáng)Al/Cu復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能具有重要作用.

3 結(jié)論

1) 在相同軋制變形量下,25 ℃冷軋和400 ℃熱軋均可實(shí)現(xiàn)各基體鋁板的界面結(jié)合,且復(fù)合板原位拉伸載荷-位移曲線均表現(xiàn)出明顯的彈性階段、塑性階段和失效階段.但熱軋?jiān)嚇虞^冷軋?jiān)嚇颖憩F(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)性能,其極限載荷和最大位移分別為256 N和2.75 mm.由此發(fā)現(xiàn),熱軋方法可使Al/Cu復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高.

2) 在Cu顆粒周圍和應(yīng)力集中處微裂紋萌生,之后在結(jié)合界面處繼續(xù)擴(kuò)展并相互連接為主裂紋,主裂紋通過(guò)自身擴(kuò)展與鄰近的Al/Cu結(jié)合界面上萌生的微裂紋連接.隨著加載過(guò)程的持續(xù),拉伸試樣最終處于完全失穩(wěn)狀態(tài),主裂紋迅速擴(kuò)展直至發(fā)生明顯斷裂,且斷裂路徑沿滑移線和單軸拉伸方向呈45°.

3) 冷軋與熱軋條件制備的Al/Cu復(fù)合板的斷裂模式主要以發(fā)生在Al層的塑性斷裂和Al/Cu結(jié)合界面上的界面分層斷裂兩種形式表現(xiàn).