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高新金属材料(11):晶须增强铝基复合材料的力学性能



   晶须(Whisker)是长在银、铜等金属上的像霉菌类的物质,早就被人们发现与认识。20世纪50年代初,人们发现,它由几乎没有任何缺陷的强度接近于晶体理论值的材料,因而受到科技界的普遍关注。晶须又叫须晶,直径为微米或亚微米级的、长径比在10以上的单晶体。它可以从溶液、熔体中或固体上生成,也可以通过气相沉积法制取。无机类晶须是共价键化合物,强度高,弹性模量大,对温度的依赖关系小,化学性能稳定,而磨性强,是一类优秀的复合材料增强体。Sicw晶须增强的铝基复合材料已获得较为广泛的应用。
   
   Sicw/Al合金材料的弹性模量


   向铝及铝合金中加入Sicw可以明显提高其弹性模量和强度。热处理对Sicw/Al合金弹性模量的影响不大,而提高Sicw的体积分数可以获得更高的弹性模量,而且晶须对提高强性模量的贡献比颗粒的更大。晶须体积分数为8%~20%时,Sicw/A合金复合材料的弹性为88Gpa~130Gpa,比基体铝合金5456的提高了30%~70%,挤压的Sicw/Al合金复合材料纵向弹性模量可以得到进一步的提高,但模向弹性模量则有所降低。Sicw/Al合金复合材料的压缩、拉伸弹性模量相等。有关研究显示,晶须体积份数Vf较低时,基体材料的屈服强度越高,复合材料弹性模量增高幅度越显著。

   Sicw/Al合金复合材料的强度

   Sicw/Al合金复合材料的强度性能与晶须含量、排列与分布、界面状态、基体合金种类,以及热处理状态等有关。虽然Sicw/Al合金复合材料的比例极限与铝合金的相近或甚至更低,但其屈服强度和抗拉强度却远高于基体铝合金的。

   基体的屈服强度及状态对SiCw/AI合金材料强度性能有很大影响,对有固溶强化效应的5456合金和可时效强化的2124合金为基体的SiCw/AI合金复合材料的研究显示,基体合金的强度越低,其相应复合材料强度提高副度越大。但2124基体合金有时效强化作用,有T4、T6、T8三种状态,因此在Vf相同时,SiCw/2124的强度比SiCw/5456复合材料的大。还有一种退火状态0。复合材料的热处理状态也是影响其强度的主要因素之一。SiCw/2124复合材料经退火0、自然(室温)时效T4、145℃/10h人工时效T8及160℃/10h人工时效T6处理后,其屈服强度依次按T8、T4、T6、0状态下降。对于20%SiCw/2124复合材料的屈服强度竟比0状态的高约500MPa。此外,基体合金的欠时效处理比过时效处理更明显提高复合材料的强度,而其断裂强度值相近。这一方面说明复合材料中基体的热处理对其低应变区的强度(屈服强度)的影响更加突出,另一方面也说明除沉淀强化以外,还存在其他强化因素,如松弛位错强化、位错林强化等。

   研究还发现,基体铝合金的强度过高,增强体的加入反而降低复合材料的屈服强度。因为基体材料强度高时,复合材料变形时增强体承受很高外载,在早期材料制备过程中受损伤的SiC晶须很容易破断,导致复合材料的屈服强度下降和低应力破断。

   影响SiCw/AI合金复合材料强度的另一个重要因素是晶须的体积分数,晶须体积分数增升,一方会略微提高材料的比例极限;另一方面因晶须间距缩短,源短化应力(surce-shorting stress)增强,材料具有更高的加工硬化率,因而可以较大程度提高复合材料的屈服强度及抗拉强度。研究显示,只要复合材料有足够的塑性实现其强度最大值,SiCw/AI合金复合材料的强度就会随SiC晶须体积分数上升而增加。当体积分数为30%~40%时,由于基体铝合金在达到稳定的塑性流变与正常的抗拉强度之前便可能发生断裂,因而实际强度的增高幅度反而会下降。
   影响复合SiCw/AI合金强度的另一因素是晶须取向。挤压材料的纵向抗拉(断裂)强度会进一步升高,而横向抗拉强度则有所下降,纵向抗拉强度比横向的约高20%,SiC晶须取向对复合材料的屈服强度影响不大。
   SiCw-AI合金界面状况也对SiCw/AI合金复合材料强度有影响。研究SiCw/2124合金得票材料界面的析出相对拉伸性能影响的科学家认为,过时效处理使抗拉强度与应变下降,是因为界面处析出相S(AI2 CuMg)使晶须实际承受载荷增大,晶须易断裂,导致材料的力学性能下降。

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