扭转圈数对高压扭转SiC P /Al复合材料界面扩散行为和组织性能的影响
发布时间：2021-06-24 16:02
采用OM和EDS研究不同扭转圈数下高压扭转法制备SiCP/Al复合材料的显微组织和界面扩散行为,并结合组织特点和界面特征分析扭转圈数对复合材料拉伸性能和断裂机理的影响。结果表明:扭转圈数的增加可以有效提高SiC颗粒分布的均匀性,闭合孔隙,界面处Al元素扩散能力增强,扩散距离增大,Al扩散系数实际计算值较理论值增大了1017倍,形成以元素扩散和界面反应为主的强界面结合,试样抗拉强度和伸长率不断提高,少量的SiC颗粒均匀分布在断口韧窝中,断裂主要以基体的韧性断裂为主;当扭转圈数较大时,SiC颗粒在剧烈剪切作用下破碎加剧,颗粒"再生团聚"导致孔隙率增大,潜在裂纹源增多,形成大量结合强度较低的断裂新生界面,试样抗拉强度和伸长率显著降低,在团聚位置易形成尺寸较大的深坑韧窝,复合材料断裂呈现韧性断裂与脆性断裂的混合模式。
【文章来源】：材料工程. 2017,45(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１高压扭转试样Ｆｉｇ．１Ｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｏｒｓｉｏｎ
对ＳｉＣ颗粒进行高温氧化处理，表面生成的ＳｉＯ２与Ａｌ的物理相容性好，可有效控制不良界面反应。图１高压扭转试样Ｆｉｇ．１Ｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｏｒｓｉｏｎ对实验制得试样进行研磨、抛光，利用４ＸＢ－ＴＶ倒置显微镜对横截面的显微组织进行观察，并采用ＣＭＴ４１０４万能试验机、扫描电镜和Ｘ射线能谱仪（ＥＤＳ）对试样进行界面元素分布、拉伸性能和拉伸断口形貌等测试。拉伸试样标距部分主要分布在ｒ＝７ｍｍ附近，取样位置如图２所示。图２拉伸试样取样示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｎｓｉｌｅｓａｍｐｌｅ２结果与分析２．１显微组织分析图３为２００℃下，分别扭转１，２，４，６，８圈时，试样半径ｒ＝７ｍｍ处的显微组织。由图３可以看出扭转圈数（１～２圈）较小时，ＳｉＣ颗粒形状完整，分布均匀性较差，局部区域存在颗粒团聚现象，在团聚位置观察到明显孔隙缺陷。随着扭转圈数增大，ＳｉＣ颗粒分布均匀性有所提高，颗粒形状更加圆润，破碎颗粒增多，孔隙闭合明显；扭转６圈时，孔隙等缺陷几乎不可见，ＳｉＣ颗粒间形成均匀、合理的分布状态。一方面在高压扭转的强剪和三向压应力作用下，剪切应变的积累可以有效闭合孔隙，改善颗粒的分布状况。同时增强颗粒由于硬度高、形状不规则，变形协调流动性差，高压扭转过程中ＳｉＣ颗粒在基体界面的切应力作用下发生相应转动，尖角处易应力集中发生破碎，形成尺寸不一的小颗粒，根据多粒径最致密填充理论，这种多粒径的颗粒填充有利于降低孔隙率。观察发现在扭转圈数达到８圈时，颗粒分
第４５卷第７期扭转圈数对高压扭转ＳｉＣＰ／Ａｌ复合材料界面扩散行为和组织性能的影响图３高压扭转试样ｒ＝７ｍｍ处的显微组织（ａ）１圈；（ｂ）２圈；（ｃ）４圈；（ｄ）６圈；（ｅ）８圈Ｆｉｇ．３ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＨＰＴｓａｍｐｌｅｓａｔｒ＝７ｍｍ（ａ）１ｔｕｒｎ；（ｂ）２ｔｕｒｎｓ；（ｃ）４ｔｕｒｎｓ；（ｄ）６ｔｕｒｎｓ；（ｅ）８ｔｕｒｎｓ度较低、ＳｉＣ表面ＳｉＯ２的隔离作用及反应产物Ｓｉ的存在，使得Ａｌ与ＳｉＣ的进一步反应受到有效抑制。而较低温度下Ｃ在Ａｌ基体中的溶解度低，形成Ａｌ４Ｃ３所需的临界Ｃ的浓度值很小，在剪切能和摩擦绝热效应的作用下少量ＳｉＣ在Ａｌ基体发生固态扩散，引起轻微不良反应形成Ａｌ４Ｃ３，包覆在ＳｉＣ颗粒表面，这一现象有利于改善Ａｌ／ＳｉＣ的润湿性，形成更为牢固的界面结合［１２－１４］。可见元素扩散不仅与界面结合强度直接相关，也影响着界面反应的进行。为了研究高压扭转过程中界面处元素的扩散行为，利用能谱仪对扭转半径ｒ＝７ｍｍ处的Ａｌ／ＳｉＣ界面进行线扫描，采用曲线上各点强度与该元素信号峰值强度的比值作为该元素浓度衡量依据。从图４观察到界面处存在Ａｌ，Ｓｉ元素的浓度梯度，且元素浓度分布具有一定对称性，Ａｌ，Ｓｉ元素浓度均为５％时所对应范围内的Ａｌ元素浓度随扩散距离的变化如图５所示。根据扩散第一定律，在一段时间ｔ（ｓ）内，元素扩散距离ｘ（ｍ）与扩散系数Ｄ（ｍ２／ｓ）之间
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于尺寸效应的爆炸粉末烧结颗粒间摩擦升温计算[J]. 王金相,李晓杰,李瑞勇,张越举. 工程力学. 2005(S1)
[2]真空热压烧结SiCp/Al复合材料的界面元素扩散及增强断裂机理[J]. 胡锐,袁秦鲁,李金山,吕振林. 机械科学与技术. 2004(10)
[3]SiCp/Al复合材料界面反应研究现状[J]. 王文明,潘复生,孙旭炜,曾苏民,Lu Yun. 重庆大学学报(自然科学版). 2004(03)
[4]SiC颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理[J]. 郭成,程羽,尚春阳,苏文斌,许建群. 复合材料学报. 2001(04)
[5]Al/SiC界面结合机制的研究现状[J]. 陈建,潘复生,刘天模. 轻金属. 2000(09)
[6]粉末烧结钨合金材料的绝热剪切变形局域化实验研究[J]. 魏志刚,胡时胜,李永池,李凡庆. 金属学报. 1999(08)
[7]SiCw/Al复合材料的微观结构与性能[J]. 郭树启,韩圭焕,姚忠凯. 金属学报. 1988(06)
本文编号：3247400
【文章来源】：材料工程. 2017,45(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１高压扭转试样Ｆｉｇ．１Ｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｏｒｓｉｏｎ
对ＳｉＣ颗粒进行高温氧化处理，表面生成的ＳｉＯ２与Ａｌ的物理相容性好，可有效控制不良界面反应。图１高压扭转试样Ｆｉｇ．１Ｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｏｒｓｉｏｎ对实验制得试样进行研磨、抛光，利用４ＸＢ－ＴＶ倒置显微镜对横截面的显微组织进行观察，并采用ＣＭＴ４１０４万能试验机、扫描电镜和Ｘ射线能谱仪（ＥＤＳ）对试样进行界面元素分布、拉伸性能和拉伸断口形貌等测试。拉伸试样标距部分主要分布在ｒ＝７ｍｍ附近，取样位置如图２所示。图２拉伸试样取样示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｎｓｉｌｅｓａｍｐｌｅ２结果与分析２．１显微组织分析图３为２００℃下，分别扭转１，２，４，６，８圈时，试样半径ｒ＝７ｍｍ处的显微组织。由图３可以看出扭转圈数（１～２圈）较小时，ＳｉＣ颗粒形状完整，分布均匀性较差，局部区域存在颗粒团聚现象，在团聚位置观察到明显孔隙缺陷。随着扭转圈数增大，ＳｉＣ颗粒分布均匀性有所提高，颗粒形状更加圆润，破碎颗粒增多，孔隙闭合明显；扭转６圈时，孔隙等缺陷几乎不可见，ＳｉＣ颗粒间形成均匀、合理的分布状态。一方面在高压扭转的强剪和三向压应力作用下，剪切应变的积累可以有效闭合孔隙，改善颗粒的分布状况。同时增强颗粒由于硬度高、形状不规则，变形协调流动性差，高压扭转过程中ＳｉＣ颗粒在基体界面的切应力作用下发生相应转动，尖角处易应力集中发生破碎，形成尺寸不一的小颗粒，根据多粒径最致密填充理论，这种多粒径的颗粒填充有利于降低孔隙率。观察发现在扭转圈数达到８圈时，颗粒分
第４５卷第７期扭转圈数对高压扭转ＳｉＣＰ／Ａｌ复合材料界面扩散行为和组织性能的影响图３高压扭转试样ｒ＝７ｍｍ处的显微组织（ａ）１圈；（ｂ）２圈；（ｃ）４圈；（ｄ）６圈；（ｅ）８圈Ｆｉｇ．３ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＨＰＴｓａｍｐｌｅｓａｔｒ＝７ｍｍ（ａ）１ｔｕｒｎ；（ｂ）２ｔｕｒｎｓ；（ｃ）４ｔｕｒｎｓ；（ｄ）６ｔｕｒｎｓ；（ｅ）８ｔｕｒｎｓ度较低、ＳｉＣ表面ＳｉＯ２的隔离作用及反应产物Ｓｉ的存在，使得Ａｌ与ＳｉＣ的进一步反应受到有效抑制。而较低温度下Ｃ在Ａｌ基体中的溶解度低，形成Ａｌ４Ｃ３所需的临界Ｃ的浓度值很小，在剪切能和摩擦绝热效应的作用下少量ＳｉＣ在Ａｌ基体发生固态扩散，引起轻微不良反应形成Ａｌ４Ｃ３，包覆在ＳｉＣ颗粒表面，这一现象有利于改善Ａｌ／ＳｉＣ的润湿性，形成更为牢固的界面结合［１２－１４］。可见元素扩散不仅与界面结合强度直接相关，也影响着界面反应的进行。为了研究高压扭转过程中界面处元素的扩散行为，利用能谱仪对扭转半径ｒ＝７ｍｍ处的Ａｌ／ＳｉＣ界面进行线扫描，采用曲线上各点强度与该元素信号峰值强度的比值作为该元素浓度衡量依据。从图４观察到界面处存在Ａｌ，Ｓｉ元素的浓度梯度，且元素浓度分布具有一定对称性，Ａｌ，Ｓｉ元素浓度均为５％时所对应范围内的Ａｌ元素浓度随扩散距离的变化如图５所示。根据扩散第一定律，在一段时间ｔ（ｓ）内，元素扩散距离ｘ（ｍ）与扩散系数Ｄ（ｍ２／ｓ）之间
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于尺寸效应的爆炸粉末烧结颗粒间摩擦升温计算[J]. 王金相,李晓杰,李瑞勇,张越举. 工程力学. 2005(S1)
[2]真空热压烧结SiCp/Al复合材料的界面元素扩散及增强断裂机理[J]. 胡锐,袁秦鲁,李金山,吕振林. 机械科学与技术. 2004(10)
[3]SiCp/Al复合材料界面反应研究现状[J]. 王文明,潘复生,孙旭炜,曾苏民,Lu Yun. 重庆大学学报(自然科学版). 2004(03)
[4]SiC颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理[J]. 郭成,程羽,尚春阳,苏文斌,许建群. 复合材料学报. 2001(04)
[5]Al/SiC界面结合机制的研究现状[J]. 陈建,潘复生,刘天模. 轻金属. 2000(09)
[6]粉末烧结钨合金材料的绝热剪切变形局域化实验研究[J]. 魏志刚,胡时胜,李永池,李凡庆. 金属学报. 1999(08)
[7]SiCw/Al复合材料的微观结构与性能[J]. 郭树启,韩圭焕,姚忠凯. 金属学报. 1988(06)
本文编号：3247400
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