軟相尺寸對(duì)反貝殼復(fù)合材料壓縮性能的影響*

高 祥,趙 科

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院,四川 成都 611756;2.西南交通大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611756)

0 引 言

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(PRAMC)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐磨性良好等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和武器裝備等領(lǐng)域[1-3]。然而,添加顆粒在提高強(qiáng)度的同時(shí)往往會(huì)造成塑性和斷裂韌性的降低,使材料呈現(xiàn)出典型的強(qiáng)度-韌性不匹配,這極大地限制了PRAMC在工業(yè)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開多頂研究[5-8]對(duì)上述問題進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明,非均勻構(gòu)型設(shè)計(jì)是提高材料強(qiáng)韌匹配性的有效途徑。非均勻構(gòu)型設(shè)計(jì)主要包括層狀結(jié)構(gòu)[9-10]、梯度結(jié)構(gòu)[11]、雙峰結(jié)構(gòu)[12]、仿貝殼結(jié)構(gòu)[13]和反貝殼結(jié)構(gòu)[14]等。其中,針對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的反貝殼結(jié)構(gòu)是將純金屬(軟相)分散于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(硬相)中,使材料呈現(xiàn)出硬相包裹軟相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。Luo等[15]通過(guò)粉末冶金工藝制備了反貝殼結(jié)構(gòu)SiC/Mg納米復(fù)合材料,該復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為284 MPa,伸長(zhǎng)率可達(dá)15.1%,對(duì)比同等均勻材料,強(qiáng)度略有降低,但伸長(zhǎng)率提高5倍;Zhu等[16]采用粉末冶金工藝制備了具有反貝殼結(jié)構(gòu)的顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料,將其與納米晶Al和粗晶Al相比發(fā)現(xiàn),反貝殼結(jié)構(gòu)Al基復(fù)合材料同時(shí)具有更高的抗拉強(qiáng)度(570 MPa)和伸長(zhǎng)率(8%),顯著提高了復(fù)合材料的強(qiáng)韌匹配性。

軟相作為反貝殼結(jié)構(gòu)中重要的組元,其結(jié)構(gòu)參數(shù)(如軟相含量、軟相寬度和晶粒尺寸)對(duì)Al基材料的強(qiáng)韌匹配性具有決定性作用[17-20]。例如,Witkin等[17]指出軟相體積分?jǐn)?shù)從0%增加到30%時(shí),Al-Mg合金的伸長(zhǎng)率可增加4%,但強(qiáng)度降低了87 MPa;Ma等[18]研究了軟相晶粒尺寸對(duì)反貝殼CNT/2009Al復(fù)合材料強(qiáng)韌化效率的影響,發(fā)現(xiàn)軟相晶粒尺寸從超細(xì)晶增大到粗晶時(shí)可以提高復(fù)合材料的延伸率,同時(shí)保持相近抗拉強(qiáng)度,從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)韌性;Ma等[19]還研究了軟相尺寸對(duì)反貝殼CNT/2009Al復(fù)合材料拉伸性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)軟相尺寸從2.62 μm 增大到10.45 μm時(shí)伸長(zhǎng)率基本不變,屈服強(qiáng)度可從574 MPa提高到623 MPa。以上結(jié)果表明,調(diào)控反貝殼結(jié)構(gòu)中軟相結(jié)構(gòu)參數(shù)有助于優(yōu)化復(fù)合材料的強(qiáng)韌匹配性,尤其是軟相尺寸,但目前研究的軟相尺寸主要集中于微米級(jí),更細(xì)小的亞微米級(jí)乃至納米級(jí)對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)韌性的影響還缺乏研究[20]。

目前制備反貝殼結(jié)構(gòu)的方法包括粉末冶金工藝[18]、冷凍鑄造法[21]和蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法[22]等。其中,粉末冶金工藝可以準(zhǔn)確控制組分比例和顆粒粒徑并能減輕顆粒與基體的有害界面反應(yīng),它是制備鋁基復(fù)合材料的常用方法。在制備反貝殼結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料時(shí)一般采用兩步球磨法結(jié)合燒結(jié)工藝,該工藝制備的反貝殼鋁基復(fù)合材料塑性有待提高,且工藝較為繁瑣。筆者在前期工作中開發(fā)了一步球磨結(jié)合燒結(jié)工藝以在金屬基納米復(fù)合材料中構(gòu)筑反貝殼結(jié)構(gòu),通過(guò)此工藝可以有效調(diào)控結(jié)構(gòu),進(jìn)而優(yōu)化復(fù)合材料的性能[23-24]。相比于其它制備工藝,一步球磨法具有制備過(guò)程更簡(jiǎn)單和更高效的特點(diǎn)。

在之前研究的基礎(chǔ)上[15,23-24],筆者通過(guò)一步球磨結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝制備了軟相尺寸十幾微米到亞微米級(jí)的反貝殼結(jié)構(gòu)Al2O3/Al納米復(fù)合材料,重點(diǎn)研究軟相尺寸從微米級(jí)減小到亞微米級(jí)時(shí)對(duì)復(fù)合材料壓縮性能的影響以及相應(yīng)的變形失效機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

首先,將球形鋁粉(平均粒徑20 μm,上海山浦化工有限公司)和α-Al2O3粉(平均粒徑50 nm,合肥中航納米技術(shù)發(fā)展有限公司)按95:5體積比進(jìn)行配比并裝入容量為500 mL的鋼罐中,球磨介質(zhì)為氧化鋯研磨球(φ10 mm大球/φ5 mm小球,質(zhì)量比為2∶ 1),球料比為15:1,同時(shí)添加約4 wt.%的無(wú)水乙醇作為過(guò)程控制劑。為防止粉體被氧化和污染,裝粉過(guò)程和密封球磨罐均在充滿高純氬氣的手套箱(Lab-2000,伊特克斯惰性氣體系統(tǒng)有限公司)中進(jìn)行。將密封好的球磨罐置于全方位球磨機(jī)(QM-QX,長(zhǎng)沙米淇?jī)x器設(shè)備有限公司)上先預(yù)磨1 h,使無(wú)水乙醇與粉體充分混合,然后通過(guò)控制球磨轉(zhuǎn)速和球磨時(shí)間得到Al2O3顆粒呈不同分散程度的復(fù)合粉體。將球磨后的復(fù)合粉體密封于φ20 mm石墨模具中,以2 MPa的壓力冷壓壓實(shí);隨后置于燒結(jié)爐(ZT-50-22Y,上海晨華電爐有限公司)中,以16 ℃/min的方式升溫至400 ℃并保溫40 min以除去球磨過(guò)程殘留的無(wú)水乙醇;然后以7 ℃/min勻速升溫到620 ℃,同時(shí)將壓力勻速升至28 MPa,保溫保壓40 min,最后隨爐冷卻獲得反貝殼Al2O3/Al復(fù)合材料樣品。采用相同燒結(jié)工藝制備了純鋁樣品以作對(duì)比。

采用掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-7800F,日本電子)表征復(fù)合材料的表面形貌和斷口形貌,并通過(guò)ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)了樣品中軟相的平均尺寸(每組樣品的統(tǒng)計(jì)基數(shù)不低于50)和軟相占比;使用X射線能譜儀(EDS,X-Max 80,牛津儀器)表征復(fù)合材料的元素組成。使用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(INSTRON LEGEND 2367型,英斯特朗公司,美國(guó))對(duì)材料進(jìn)行壓縮測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

圖1(a)～(e)為通過(guò)調(diào)控球磨轉(zhuǎn)速和球磨時(shí)間獲得的五種不同軟相尺寸的反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的SEM圖,依次命名為S1、S2、S3、S4和S5樣品。從圖中可以看到,復(fù)合材料由連續(xù)分布的白色顆粒富集區(qū)和纖維狀的黑色區(qū)組成。對(duì)圖1(d)進(jìn)行EDS測(cè)試可以發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料整體含有Al和O兩種元素,說(shuō)明在制備過(guò)程中樣品未被污染,而O元素對(duì)應(yīng)白色顆粒,說(shuō)明白色顆粒為Al2O3,黑色區(qū)為不含Al2O3顆粒的純Al,而白色顆粒富集區(qū)為納米Al2O3顆粒均勻分散于Al基體的復(fù)合材料,如圖2所示。由此可以確定反貝殼結(jié)構(gòu)為呈纖維狀的軟相(純Al)分散于硬相(納米Al2O3顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料)中。對(duì)這五種樣品中的軟相尺寸分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所列。根據(jù)表1繪制出不同樣品的軟相寬度和軟相長(zhǎng)度變化趨勢(shì)圖,如圖3所示。由圖3可以看出,軟相寬度從十多微米到亞微米級(jí),軟相長(zhǎng)度從數(shù)十微米到微米級(jí),從S1到S5樣品,軟相尺寸逐漸減小,另外軟相占整體復(fù)合材料的比例在66%～71%之間,相差較小。

表1 反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的軟相參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖1 反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的SEM圖

圖2 反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的元素分析

圖3 軟相尺寸統(tǒng)計(jì)圖

2.2 軟相尺寸對(duì)反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4為不同軟相尺寸的反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料在壓縮加載下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)S1～S5樣品的力學(xué)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2所列。

表2 反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 壓縮真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

可以看出,反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料具有比純Al更高的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,而且隨著軟相尺寸的減小,在保持較高失效應(yīng)變(> 49%)的同時(shí),復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均逐漸提高。當(dāng)軟相尺寸減小到0.46 μm(S5樣品)時(shí),屈服強(qiáng)度可達(dá)325 MPa,相比純Al提高了3.8倍,抗壓強(qiáng)度高達(dá)494 MPa。值得注意的是,當(dāng)軟相尺寸降低到亞微米級(jí)(S5樣品)時(shí)具有比微米級(jí)軟相尺寸(S1～S4樣品)更好的強(qiáng)化效果,比如軟相尺寸為1.04 μm(S4樣品)時(shí)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為193 MPa和314 MPa,遠(yuǎn)低于S5樣品。以上結(jié)果表明,降低軟相尺寸能夠在保持高應(yīng)變的同時(shí)顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度,進(jìn)而提高復(fù)合材料的韌性,使之呈現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌匹配性。

另外,從圖4分析可得,S1～S5樣品具有相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,即屈服后快速加工硬化然后逐漸趨于平緩,不同于以往高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料達(dá)到極限強(qiáng)度后的迅速軟化[25]。

圖5為應(yīng)變硬化率Θ(Θ=dσ/dε,其中σ為真實(shí)應(yīng)力;ε為真實(shí)應(yīng)變)-應(yīng)變曲線?？梢钥吹?反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料具有比純Al更高的應(yīng)變硬化率;當(dāng)軟相尺寸為微米級(jí)時(shí),復(fù)合材料的應(yīng)變硬化率相差不大,而當(dāng)軟相尺寸減小亞微米級(jí)(0.46 μm)時(shí),具有比微米級(jí)樣品明顯高的應(yīng)變硬化率,說(shuō)明減小軟相尺寸到亞微米級(jí)能夠顯著促進(jìn)反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料在變形過(guò)程中的位錯(cuò)增殖,從而提高其抗壓強(qiáng)度。

圖5 應(yīng)變硬化率-真實(shí)應(yīng)變曲線

2.3 軟相尺寸對(duì)反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料變形失效機(jī)制的影響

S1樣品在不同應(yīng)變量下的表面形貌如圖6所示,白色箭頭代表壓縮方向。當(dāng)應(yīng)變量為8%時(shí),樣品表面無(wú)裂紋產(chǎn)生,但有凸起的軟相變形帶(白色虛線處)出現(xiàn),且變形帶的方向與軟相的排布方向一致。

圖6 不同壓縮應(yīng)變量下S1樣品的表面形貌

當(dāng)壓縮應(yīng)變量為25%時(shí),凸起的變形帶明顯增多(與應(yīng)變量8%相比),且變形更加劇烈,在部分軟硬相界面處和硬相中可觀察到微裂紋(白色虛線處)。當(dāng)壓縮應(yīng)變量達(dá)到55%時(shí),軟相發(fā)生明顯的剪切變形,樣品整體趨于破壞,內(nèi)部產(chǎn)生與加載方向約呈45°的宏觀裂紋,并且觀察到了大量的交叉裂紋(白色虛線處)和分支裂紋。此時(shí),大量軟硬相界面處都產(chǎn)生微裂紋,當(dāng)軟硬相界面處裂紋達(dá)到飽和后,裂紋會(huì)向著硬相內(nèi)擴(kuò)展,在遇到較大的軟相時(shí)發(fā)生了鈍化,如圖6(i)中白色虛線圈所示。部分裂紋在擴(kuò)展時(shí),會(huì)越過(guò)軟相形成橋聯(lián)。

在壓縮過(guò)程中,S1樣品中裂紋優(yōu)先萌生于軟硬相界面處,并沿著軟硬相界面擴(kuò)展。進(jìn)一步加載,裂紋會(huì)在硬相中擴(kuò)展,并匯聚長(zhǎng)大成宏觀裂紋,最終穿過(guò)軟相。圖7為S1樣品的壓縮斷口形貌。從圖7中可以看到典型的韌性-脆性混合斷裂特征,即軟相區(qū)可看到大量韌窩,呈韌性斷裂,如圖7(b)中白色虛線區(qū)域,而硬相區(qū)可看到有顆粒滑動(dòng)的平整斷口,呈脆性斷裂,如圖7(c)中白色箭頭所示。以上結(jié)果表明,在復(fù)合材料的整體變形過(guò)程中,軟相承擔(dān)較大的應(yīng)變量協(xié)調(diào)與硬相之間的變形,使得復(fù)合材料保持良好的韌性。S5樣品在不同應(yīng)變量下的表面形貌如圖8所示。

圖7 S1樣品的壓縮斷口形貌

圖8 不同壓縮應(yīng)變量下S5樣品的表面形貌

當(dāng)應(yīng)變量8%時(shí),可以看到樣品表面有少量變形帶彌散分布,無(wú)明顯微裂紋產(chǎn)生。當(dāng)壓縮應(yīng)變量20%時(shí),彌散的變形帶明顯增多,主要與壓縮方向呈±45°。與S1不同的是,S5中的變形帶不僅出現(xiàn)在軟相區(qū),部分在硬相區(qū)而成,而且變形帶更加細(xì)小和均勻。

此外,還觀察到部分凸起變形帶因劇烈變形而破碎形成了微裂紋,如圖8(f)白色虛線圈所示。當(dāng)壓縮應(yīng)變量40%時(shí),變形帶更多且變形更加劇烈,不同方向的剪切帶邊沿處的微裂紋相互貫通形成交叉裂紋,但并未形成明顯的宏觀裂紋,如圖8(i)所示。圖9為S5樣品的壓縮斷口形貌。從圖9可以看到,該復(fù)合材料以平坦的脆性斷裂區(qū)域?yàn)橹?僅有部分韌性斷裂區(qū)域,韌窩大小與軟相尺寸相近,如圖9(c)白色箭頭所示。此外含有大量微裂紋,如圖9(c)黑色箭頭所示,與表面形貌中的微裂紋相對(duì)應(yīng)。

圖9 S5樣品的壓縮斷口形貌

綜上所述,當(dāng)反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料的軟相尺寸在微米級(jí)別時(shí)變形失效機(jī)制為:軟相會(huì)優(yōu)先發(fā)生變形,形成變形帶;隨著應(yīng)變?cè)黾?變形帶劇烈變形且數(shù)量增加,由于軟硬相變形能力不同,軟硬相界面處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而導(dǎo)致微裂紋形成;微裂紋傾向于沿著軟硬相界面擴(kuò)展;當(dāng)軟硬相界面處微裂紋飽和后,裂紋會(huì)向硬相中擴(kuò)展,遇到軟相時(shí)裂紋被鈍化或形成橋聯(lián),最終裂紋在樣品內(nèi)部匯聚形成45°宏觀裂紋,導(dǎo)致樣品整體失效。而當(dāng)軟相尺寸減小到亞微米級(jí)時(shí)變形失效機(jī)制為:軟相和硬相中的鋁晶粒發(fā)生變形,從而在樣品內(nèi)部形成均勻分布的變形帶,隨著應(yīng)變?cè)黾?變形帶逐漸增多,并在與壓縮方向呈±45°的方向上分布,直到微裂紋在變形帶附近產(chǎn)生并向硬相擴(kuò)展,相鄰變形帶的微裂紋會(huì)貫通形成交叉裂紋,但并未出現(xiàn)宏觀裂紋。大量小尺寸應(yīng)變帶能夠有效分化應(yīng)變,后續(xù)微裂紋的形成并均勻分散也能夠避免裂紋快速合并并擴(kuò)展為宏觀裂紋。值得注意的是,在所有樣品中,變形帶尺寸與軟相尺寸相當(dāng),在軟相占比相近的情況下軟相越小意味著數(shù)目越多,因而導(dǎo)致所產(chǎn)生的變形帶數(shù)目也增多。由于裂紋一般萌生于變形帶附近,因此隨著軟相尺寸的減小,微裂紋數(shù)目增加,軟相鈍化裂紋的能力減弱,變形失效機(jī)制由軟相阻擋裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У奈⒘鸭y增殖,這與傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料變形失效機(jī)制不同[26]。這也意味著,當(dāng)軟相尺寸為微米級(jí)時(shí)反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料主要通過(guò)軟相塑性變形以及對(duì)裂紋的鈍化進(jìn)行韌化,而當(dāng)軟相尺寸降低到亞微米級(jí)時(shí)韌化機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變,以微裂紋的形成、均勻分散和增殖進(jìn)行韌化。

3 結(jié) 論

文章通過(guò)一步球磨結(jié)合熱壓制備了不同軟相尺寸的反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料,并研究了其力學(xué)性能和變形失效機(jī)制。主要結(jié)論如下。

(1) 軟相(純Al)呈纖維狀均勻分散于硬相(納米Al2O3顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料)中,軟相尺寸由十幾微米到亞微米級(jí),軟相在整個(gè)復(fù)合材料中的占比相當(dāng),即尺寸越小的軟相數(shù)目越多。

(2) 反貝殼Al2O3/Al納米復(fù)合材料具有比純鋁更高的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度;對(duì)于反貝殼結(jié)構(gòu)而言,隨著軟相尺寸的減小,屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸增大,當(dāng)軟相尺寸為0.46 μm時(shí),屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可分別達(dá)到325 MPa和494 MPa,與此同時(shí)失效應(yīng)變均>49%,呈現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌匹配性。

(3) 當(dāng)軟相尺寸為微米級(jí)時(shí),復(fù)合材料主要通過(guò)軟相塑性變形以及對(duì)裂紋的阻擋進(jìn)行增韌;當(dāng)軟相尺寸減小到亞微米級(jí)時(shí),韌化機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變,以微裂紋增殖和均勻分散進(jìn)行增韌。所得結(jié)論為制備高強(qiáng)韌鋁基復(fù)合材料提供重要參考價(jià)值。