作者：P. Laxminarayana，A. Chennakesava Reddy
1. 引言：
       復(fù)合材料由基體相和增強(qiáng)相組成；這兩種相構(gòu)成的材料屬性比傳統(tǒng)材料要更加優(yōu)越。多數(shù)復(fù)合材料通過(guò)基體中加入增強(qiáng)材料的方法可以改善基體的強(qiáng)度和硬度。材料密度的變小，硬度、抗屈強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的增加都可以直接轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)重量的降低。因此，航空航天領(lǐng)域?qū)γ芏刃?、硬度高、?qiáng)度大的復(fù)合材料需求日益增加，諸如高強(qiáng)度鋁合金和鈦合金材料等。這些高強(qiáng)度金屬基復(fù)合材料結(jié)合了輕金屬增強(qiáng)相的高強(qiáng)度高硬度和良好的延展性的特質(zhì)。
       碳化硅增強(qiáng)型鋁是常見(jiàn)的微粒復(fù)合材料；目前用于鋁材料基體的合金主要是A356、2XXX和6XXX系列合金?；w合金的性能優(yōu)越，復(fù)合材料的性能就越好。但材料老化、微粒的重量/容積分?jǐn)?shù)比、微粒尺寸都會(huì)影響材料的機(jī)械性能。因此，本文主要研究熱處理工藝對(duì)碳化硅增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料機(jī)械性能的影響。
2. 材料
2.1 基體材料
       基體材料為Al 7075，合金成分主要為鋅，其次是鎂，鎂主要用于增加基體和增強(qiáng)材料間的潤(rùn)濕性。表一給出了7075合金的化學(xué)組份。實(shí)驗(yàn)采用Al-Ti-B (Al-5wt% Ti-1wt%B)對(duì)基體粒度進(jìn)行精磨。
表一
2.2 增強(qiáng)材料
       增強(qiáng)材料為碳化硅微粒，密度為1.30g/cm3，粒度為30±1μm。
3. 金屬基體復(fù)合材料的鑄造
       實(shí)驗(yàn)采用擠壓鑄造工藝來(lái)制備金屬基體復(fù)合材料；壓模材料為工具鋼；采用感應(yīng)電爐來(lái)融化7075鋁合金。鑄造步驟如下：
       首先根據(jù)7075鋁合金組份算出化學(xué)成分；
       將除了鎂以外的鋁合金材料加入感應(yīng)電爐，溫度調(diào)至800 ℃左右直至得到液體相；
       將碳化硅粉末加入熔融金屬中；
       關(guān)閉電爐，開(kāi)始進(jìn)行機(jī)械攪拌。與此同時(shí)對(duì)模具進(jìn)行加熱；
       機(jī)械攪拌5分鐘，重啟電爐進(jìn)行融化；
       80MPa壓力下采用擠壓鑄造工藝制備出碳化硅增強(qiáng)型7075鋁復(fù)合材料；每次壓鑄出3個(gè)試樣，余料重新融化再利用。
4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試
       用于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)的試樣共五個(gè)類型（0-10-15-20-30 wt% SiC）。試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行去毛刺處理。圖一、圖二分別為拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試樣的尺寸和形狀。

     

        三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的兩個(gè)試樣進(jìn)行組份、毛坯鑄件和熱處理測(cè)試；拉伸試驗(yàn)中的兩個(gè)試樣也進(jìn)行組份、毛坯鑄件和熱處理測(cè)試。試樣的兩側(cè)都進(jìn)行硬度測(cè)試。

       在拉伸試驗(yàn)中對(duì)撓度（δ）值和負(fù)載（P）值以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行記錄。最大負(fù)載為千克，將其轉(zhuǎn)化為壓力值（MPa）；試樣進(jìn)行橫截面面積測(cè)量并記錄出現(xiàn)裂紋前、后的長(zhǎng)度。為防止刻槽影響，對(duì)所有毛刺進(jìn)行磨削處理。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中對(duì)斷裂載荷值進(jìn)行測(cè)量并將其轉(zhuǎn)化為彎曲應(yīng)力值（MPa）。彎曲應(yīng)力公式如下：

       其中σ為彎曲應(yīng)力，M為彎（曲）矩，y是到中和軸的距離，I是慣性力矩。試樣表面最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在中間點(diǎn)，因此：

       其中p為載荷，t為試樣厚度，b為試樣寬度，L為跨度距離。
4.1 熱處理
       根據(jù)ASM T6熱處理程序標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有試樣進(jìn)行熱處理，然后在480 ℃下固溶處理1小時(shí)；再放入水中淬火冷卻，最后在120 ℃下沉淀硬化熱處理24小時(shí)。
4.2 金相分析
       對(duì)毛坯鑄件和熱處理的鋁復(fù)合材料試樣的微結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行金相學(xué)分析。首先對(duì)試樣進(jìn)行切割和安裝，然后進(jìn)行磨削、拋光，用Keller溶液（1.5%HCl, 2.5%HNO3, 1%HF, 95%H2O）進(jìn)行蝕刻；最后用數(shù)碼相機(jī)拍照取樣并進(jìn)行圖像分析以計(jì)算出碳化硅增強(qiáng)型鋁合金7075復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)。利用Clemex軟件計(jì)算出碳化硅和鋁基體的面積百分?jǐn)?shù)，以此就可以算出增強(qiáng)材料和基體的體積百分?jǐn)?shù)。
4.3 SEM分析
       實(shí)驗(yàn)利用SEM對(duì)鋁試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。對(duì)熱處理之后生成的沉淀進(jìn)行篩選檢查；分析合金成分的比例并拍出圖片。
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
5.1 碳化硅對(duì)硬度的影響

       硬度是材料耐變形性能的重要指標(biāo)，因此實(shí)驗(yàn)對(duì)熱處理后、添加碳化硅后的鋁合金復(fù)合材料的硬度進(jìn)行了測(cè)試。圖三為添加碳化硅后的硬度值變量。圖中可以看出硬度值隨著碳化硅的添加而增大。碳化硅是比鋁合金更為堅(jiān)硬的陶瓷材料，能夠緊固位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而增強(qiáng)加工硬化的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)熱處理對(duì)鋁基體合金的硬度也有影響：沉淀硬化熱處理就可以增加硬度。將鋁基體復(fù)合材料在480 ℃下固溶熱處理1小時(shí)；在120 ℃下沉淀硬化熱處理24小時(shí)。圖三中可以觀察法到毛坯鑄件和熱處理后的碳化硅增強(qiáng)型鋁基體復(fù)合材料硬度值對(duì)比；可以看出熱處理增大了復(fù)合材料的硬度。
5.2 熱處理時(shí)間對(duì)硬度的影響

       圖四為熱處理時(shí)間和維氏硬度值的變量。120 ℃下沉淀硬化熱處理24小時(shí)之后硬度值出現(xiàn)了峰值。從4小時(shí)之后開(kāi)始到24小時(shí)之內(nèi)硬度值逐漸增大。只有在第20-24小時(shí)期間，當(dāng)碳化硅含量為15 wt%和20 wt%時(shí)硬度值才出現(xiàn)了輕微降低。
5.3 碳化硅對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

       圖五為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中不同碳化硅含量的鋁基復(fù)合材料的斷裂特性。碳化硅含量在達(dá)到10 wt%之前，抗彎強(qiáng)度隨增強(qiáng)料增多而增大；超過(guò)10 wt%后，抗彎強(qiáng)度隨增強(qiáng)料增多而降低。當(dāng)碳化硅含量為30 wt%時(shí)，強(qiáng)度降低到302 MPa。在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，30 wt%的碳化硅增強(qiáng)型復(fù)合材料在較小應(yīng)變力的作用下試驗(yàn)失敗。這可能是由于材料沒(méi)有足夠的內(nèi)部延展性來(lái)克服集中的內(nèi)部應(yīng)力。所有試樣在宏觀斷裂表面檢測(cè)中都有脆性斷裂的特性。10 wt%含量的碳化硅增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度最大。顆粒尺寸為10-30 μm的碳化硅形成阻礙并抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。10 wt%含量的碳化硅增強(qiáng)型毛坯鑄件復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度最大，經(jīng)過(guò)T6熱處理之后些許MgZn2, Mg32(Al,Zn)49沉淀增加了抗彎強(qiáng)度，它們形成阻礙并抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；沉淀顆粒尺寸非常小，約0.5-1.5 μm。在沉淀和碳化硅顆粒的影響下，10 wt%含量的碳化硅增強(qiáng)型復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)到了最大值579 MPa。
5.4 碳化硅增強(qiáng)對(duì)極限抗拉強(qiáng)度的影響

       圖六為不同含量碳化硅和不同沉淀硬化處理時(shí)間下的極限抗拉強(qiáng)度變量。幾乎所有試樣都在圖中弧線部分?jǐn)嗔?；在部分抗拉?qiáng)度測(cè)試的試樣中還觀察到碳化硅顆粒結(jié)塊現(xiàn)象。10 wt%含量的碳化硅增強(qiáng)復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度最大。
5.5 碳化硅增強(qiáng)對(duì)彈性模量的影響
       實(shí)驗(yàn)根據(jù)混合律公式計(jì)算理論彈性模量；根據(jù)公式，復(fù)合材料的彈性模量范圍如下：

       其中，Vp和Vm分別為碳化硅顆粒和基體的體積百分?jǐn)?shù)；根據(jù)文獻(xiàn)，7075鋁合金的彈性模量為70-80 GPa，碳化硅的彈性模量為480 GPa。因此，根據(jù)混合律公式，彈性模量上限和下限如圖七所示。基體的彈性模量平均值為75 GPa。理論上講，彈性模量隨碳化硅增加而變大。
5.6 微觀結(jié)構(gòu)分析

       實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁基體中碳化硅顆粒的分布和顆粒特性進(jìn)行金相分析。毛坯鑄件和熱處理鋁材料都進(jìn)行分析。圖八為毛坯鑄件鋁復(fù)合材料的光學(xué)顯微圖。在碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)料分布均勻，鋁基顆粒大小不一。尺寸各異是由于鑄件過(guò)程中快速冷卻造成的。

       圖九為熱處理碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的SEM圖。圖中可以觀察到碳化硅顆粒和沉淀；還可以觀察到熱處理過(guò)程中顆粒間形成的沉淀；基體合金（0 % SiC）中熱處理鋁基體的沉淀和晶粒間界也可以觀察到。如圖所示，顆粒中的小黑點(diǎn)即為熱處理過(guò)程中形成的沉淀。
結(jié)論
       （1）毛坯鑄件和熱處理復(fù)合材料的硬度值隨碳化硅含量增多而增大。
       （2）熱處理過(guò)程中，從4小時(shí)到24小時(shí)期間，硬度值逐漸增大；熱處理材料的硬度峰值比毛坯鑄件的硬度峰值高出20-25 %；經(jīng)過(guò)沉淀硬化處理，硬度會(huì)額外增強(qiáng)。
       （3）毛坯鑄件和熱處理復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度在增強(qiáng)料增至10 wt%之前逐漸增大。
       （4）毛坯鑄件最大抗彎強(qiáng)度增加了40 MPa，熱處理復(fù)合材料最大抗彎強(qiáng)度增加了180 MPa。
       （5）毛坯鑄件和熱處理復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度值比抗彎強(qiáng)度值要小。毛坯鑄件最大拉伸強(qiáng)度和最大抗彎強(qiáng)度差值為232 MPa；熱處理鋁基復(fù)合材料最大拉伸強(qiáng)度和最大抗彎強(qiáng)度差值為240 MPa。
       （6）毛坯鑄件中碳化硅顆粒分布均勻；毛坯鑄件鋁基的顆粒尺寸不一，這是由于鑄件過(guò)程中快速冷卻和添加了Al-Ti-B的緣故。
       （7）部分拉伸試驗(yàn)試樣中觀察到碳化硅顆粒結(jié)塊現(xiàn)象。