SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料弯曲力学性能及其评价

1、复合材料学报ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICA文章编号:1000-3851(2002)06-0057-04第19卷第6期12月2002年Vol.19No.6December2002SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料弯曲力学性能及其评价郭成,郭生武,程羽,张新功,史东才(西安交通大学机械工程学院,西安710049)摘要:采用三点弯曲法,对SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的弯曲力学性能进行了研究,提出了梯度复合材料抗弯强度比R1和R2两个新的力学性能评价指标。结果表明:金属基梯度复合材料(MMGC)的弯曲力学性能与其基本组分力学性能的关系不符合ROM法则,材料的抗弯强度和最

2、大挠度强烈地受到SiC颗粒梯度分布方式与弯曲方向的影响;当基体处于受拉侧,高SiC含量组分处于受压侧时,MMGC能充分发挥其性能优势;MMGC在受梯度应力作用下的力学性能优势和其方向性特征受到材料状态、材料宏观不均匀性和微观连续性等因素的影响;MMGC的抗弯强度比R1反映了这类材料的性能优势,而抗弯强度比R2则反映了材料的方向性能特征。关键词:梯度复合材料;弯曲力学性能中图分类号:TB331文献标识码:ABENDINGMECHANICALPROPERTIESANDITSEVALUATIONOFALUMINIUMALLOYMATRIXGRADIENTCOMPOSITESREINFORCEDWIT

3、HSiCPARTICLESGUOCheng,GUOShengwu,CHENGYu,ZHANGXingong,SHIDongcai(SchoolofMechanicalEngineering,XianJiaotougUniversity,Xian710049)Abstract:ThebendingmechanicalpropertiesofaluminiumalloymatrixgradientcompositesreinforcedwithSiCparticleswerestudiedusingabendingtestunderthree-pointloading.Thebendingstre

4、ngthratiosR1andR2ofthecompositeswereputforward.TheresultsshowthatthebendingmechanicalpropertiesoftheMetalMatrixGradi-entComposites(MMGC)donotobeytheRoleofMixture(ROM)law.Thebendingstrengthisremarkablyinflu-encedbythedistributionwayofSiCparticlesandbendingdirection.TheMMGCcandeveloptheirfullpotential

5、inbendingpropertieswhenthematrixcomponentislaidatthetensilesideandthecomponentwithhighSiCvolumefractionatthecompressiveside.ThepotentialofmechanicalpropertiesandtheorientedfeaturesoftheMMGCbytheactionofgradientstressareinfluencedbymanyfactorssuchasthestate,themacro-uniformityandthemicro-continuityof

6、materials.ThebendingstrengthratiosR1andR2canbeusedtojustifythebendingpropertiesandtheorientationofthecomposites.Keywords:gradientcomposites;bendingmechanicalproperties梯度功能材料(FGM)由于具有均质和复层材料所不具备的许多优点,引起国内外材料界和许多研究机构的极大兴趣和密切关注13。因为研究工作多针对航空航天领域,以热应力缓和功能为目的展开,限制了FGM发展。然而,FGM在非常广泛的领域有着潜在的应用前景3,4。因此,开展以强

7、度收稿日期:基金项目:作者介绍:4为主要功能的梯度结构材料的研究,开展功能材料与结构材料一体化的金属基梯度复合材料(MMGC)研究无疑对FGM的开发及其对整个先进复合材料的发展有着重要的意义5,6。MMGC组织结构与性能的梯度分布特征给材料性能评价带来了很大的困难。目前,还很少见到对2001-04-20;收修改稿日期:2001-11-27西安交通大学在职博士基金资助郭成(1948-),男,博士,教授,主要研究方向为先进材料制备与成形控制、冲压件质量控制和模具C3P。.58复合材料学报2,7,8MMGC整体力学性能评价的报道。因此,梯度复合材料的力学性能评价已成为阻碍其工程产业化进程的关键。本文

8、中采用传统三点弯曲法对一种SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的弯曲力学性能进行了实验研究,揭示了这类材料弯曲力学性能与各组分性能的关系;分析了SiC颗粒梯度分布方式、弯曲方向、材料状态及其组织结构特征对材料性能的影响;提出了两个新的材料力学性能评价指标。2材料的弯曲力学性能2.1组成MMGC基本组分的弯曲力学性能表2显示了由实验测得基本组分的弯曲力学性能。由表中可见,随SiC体积分数的增加,材料的抗弯强度󰀂b、最大挠度f均下降9;经T6处理后的材料,抗弯强度󰀂b有较大幅度提高。最大挠度f值有所下降。表2基本组分材料的弯曲力学性能Table2Bendingmech

9、anicalpropertiesofthecomponentsStateSinteringIndex󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mmMatrix345.515.0442.99.15%SiC205.110.9315.56.810%SiC126.26.5202.75.115%SiC73.84.8150.83.520%SiC6.33.4139.22.21实验材料、设备和方法21.1实验材料SiC颗粒选用平均粒度为10󰀁m的工业用砂轮磨粒,其体积含量分别取0%、5%、10%、15%、20%5种。基体采用工业纯铝粉配制,其化学成份列于表1,其中铝粉

10、和镁粉经150目过筛,铜粉经320目过筛。表1基体的化学成份(vol%)Table1Chemicalcompositionofthematrix(vol%)Cu4.50Mg0.60Si<0.10Fe<0.50AlBalanceT61.2试样制备为获得组成梯度材料各组份的基本物性指标,在制备梯度试样的同时,制备了5种均质复合材料试样。材料制备工艺流程如下:配料混粉冷压制坯(层压)烧结复压二次烧结试样。冷压制坯和复压在YE100型压力试验机上进行。冷压单位压力取320MPa,复压时取400MPa。二次烧结后,试样经少量加工,尺寸为35mm×5mm×5mm。在普通箱式

11、炉内进行烧结。为避免由于梯度各层弹性后效不同产生附加应力引起试样开裂,两次烧结均采用阶段式烧结工艺:室温装炉,在200保温半小时,500保温1小时,600保温2小时后随炉冷。考虑材料状态的影响,对其中部分试样进行了T6处理。二次烧结后T6处理的工艺为:盐浴加热至500,保温1小时后水淬,立即装炉,在箱式炉内进行时效处理,160保温16小时。1.3实验设备及其条件三点弯曲实验在本校材料强度国家重点实验室的INSTRON1195万能材料实验机上进行。弯曲跨距为26mm,夹头位移速度为1mm/min。2.2MMGC的弯曲力学性能2.2.1MMGC的弯曲力学性能表3表5显示了由实验测得的MMGC弯曲力

12、学性能。由表中可见,材料的抗弯强度󰀂b和最大挠度f强烈地受到梯度分布方式与弯曲方向的影响。当基体材料处于受拉一侧时,MMGC试样的抗弯强度󰀂b与最大挠度f明显高于20%SiC受拉的情况;梯度层数增多,过渡平缓,󰀂b增大;经T6处理后,MMGC试样的抗弯强度提高,最大挠度减少;侧面弯曲时,材料的抗弯强度和最大挠度均居于基体受拉和20%SiC受拉之间。表3复压烧结态MMGC的弯曲力学性能Table3BendingmechanicalpropertiesoftheMMGCinsinteringstateBendingwayMatrixstretched

13、20%SiCstretchedOnsideIndex󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mmTwilayer259.425.459.23.7117.35.3Trilayer278.722.267.64.1123.95.6Five-layer317.419.274.34.3151.96.2注:梯度试样一侧为基体,另一侧为20%SiC复合材料,中间层阶梯过渡。表4T6态MMGC的弯曲力学性能Table4BendingmechanicalpropertiesoftheMMGCinT6stateBendingwayMatrixstre

14、tched20%SiCstretchedOnsideIndex󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mmTwilayer207.8*16.2123.82.4147.73.3Trilayer324.514.0170.33.0219.53.5Five-layer384.713.0199.82.7237.14.1注:打*号试样弯曲时产生层间开裂郭成,等:SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料弯曲力学性能及其评价59表5T6态两层MMGC的抗弯强度󰀂b/MPaTable5Bendingstrengthofthetwilaye

15、rMMGCinT6stateBendingwayMatrixstretched20%SiCstretchedOnsideMatrix-5%SiCMatrix-10%SiCMatrix-20%SiC289.1224.0258.3275.6193.1219.8207.8*123.8147.7更高于二层梯度分布材料的抗弯强度。对于由基体直接过渡到20%SiC组分的两层梯度材料而言,由于其微观连续性差,不仅其抗弯强度󰀂b低,而且还会产生如图1所示的层间开裂现象。分析造成梯度层间开裂的原因是:在液相烧结过程中,基体组分的收缩量远大于20%SiC含量组分的收缩量,在两梯度层间界面处产生了较

16、大的残余应力;SiC颗粒与Al的热膨胀系数相差极大(110),SiC颗粒边界存在较高的局部应力时,更有利于CuAl2在该界面处的SiC颗粒边界聚集,形成脆性层;由于基体与20%SiC组分力学性能差别较大,弯曲变形时材料流速差使梯度层间界面处产生较大的剪切应力。此外,将表中的相关数据代入ROM法则10注:打*号试样弯曲时产生层间开裂2.2.2MMGC试样弯曲时产生的层间开裂现象图1显示了基体-20%SiC两层MMGC弯曲变形时出现的层间开裂现象。实验中发现,当梯度材料的层数增多,或基体-5%SiC、基体-10%SiC,梯度过渡较平缓时,没有这种现象发生。进行验算可知,MMGC的弯曲力学性能与其基

17、本组分性能的关系不符合ROM法则。这是因为材料的弯曲变形既不满足应变相等条件,也不满足应力相等条件。3抗弯强度比R1和R2的概念及其应用3.1抗弯强度比R1和R2的基本概念为了定量评价MMGC与均质复合材料弯曲力学性能的差异,本文中提出抗弯强度比R1的新概图1基体-20%SiC层间开裂形貌Fig.1BendingfractographyoftheMMGCinmatrix-20%SiCbondinginterfacialzone念。定义R1=󰀂bg/󰀂bm(1)式中:󰀂bg为MMGC试样的抗弯强度(MPa);󰀂bm为SiC平均含量与

18、MMGC试样相等的均质复合材料试样的抗弯强度(MPa)。同样,为了评价MMGC弯曲力学性能的方向性特征,本文中提出抗弯强度比R2的新概念。定义:R2=󰀂bgm/󰀂bgc(2)式中:󰀂bgm为基体在受拉一侧MMGC试样的抗弯强度(MPa);󰀂bgc为基体在受压一侧MMGC试样的抗弯强度(MPa)。3.2抗弯强度比R1和R2的应用表6中列出了本文中所研究的SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料在不同状态,不同弯曲方向和不同梯度层组成条件下的抗弯强度比R1。由表中可见,基体处于受拉一侧时,R1>1。这说明,在这种受力状态下,MMGC抗

19、弯强度较均质复合材料有所提高,其提高的幅度与材料的状态和梯度层数有关。;,2.3实验结果分析由表3表5可见,SiC颗粒梯度分布方式与弯曲方向强烈影响材料的抗弯强度和最大挠度。当基体材料处于受拉一侧时,这类材料的抗弯强度󰀂b与最大挠度f明显高于20%SiC组分材料处于受拉一侧的情况,也高于平均SiC含量为10%的均质复合材料。这说明,当MMGC的组织结构和梯度分布方式与其所受应力、应变分布相适应时,材料能充分发挥其性能优势。如表2所示,SiC颗粒的加入降低了材料的强度和塑性,将其置于弯曲受压一侧,将塑性好的基体置于受拉一侧,其性能的梯度变化与弯曲变形材料的应力、应变分布相适应,故

20、与平均SiC含量相等的均质复合材料比较,其强度和挠度有较大幅度的提高。由表中还可看出,材料的宏观不均匀性和微观连续性对其力学性能有很大影响。五层梯度分布材60复合材料学报表6MMGC的抗弯强度比R1Table6BendingstrengthratiosR1oftheMMGCStateSinteringBendingtwilayerMatrixstretched20%SiCstretchedMatrixstretched20%SiCstretchedTrilayer2.0550.4691.025*0.611Five-layer2.2080.5361.6010.840Direction2.5150

21、.5891.8980.986MMGC的方向性也受其梯度变化微观连续性的影响,但影响程度相对较小。4结论(1)金属基梯度复合材料的弯曲力学性能与其基本组分力学性能的关系不符合ROM法则;这类材料的抗弯强度和最大挠度强烈地受到SiC颗粒梯度分布方式与弯曲方向的影响。(2)当基体处于受拉侧,高SiC含量组分处于受压侧时,MMGC能充分发挥其性能优势;MMGC在受梯度应力作用下的力学性能优势和其方向性特征受到材料状态、材料宏观不均匀性和微观连续性等因素的影响。(3)抗弯强度比R1反映了这类材料的性能优势;抗弯强度比R2反映了材料的方向性特征。参考文献:1傅正义,袁润章,赵修建.梯度功能材料的研究J.复

22、合材料学报,1992,9(1):23-29.2郭成,程羽,易树清,等.SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的制备与压缩性能研究J.复合材料学报,1999,16(1):8-13.3新野正之,倾斜机能材料󰀁发想󰀂开发动向J.工业材料,1990,38(12):18-25.4郭成,朱维斗,金志浩.梯度功能材料的研究现状与展望J.稀有金属材料与工程,1995,24(3):18-25.5赵稼祥,周瑞发.先进复合材料及其应用研究的现状与发展趋势J.复合材料学报,1993,10(3):18-34.6郭洪光.光电器件用金属基复合材料研究进展J.兵器材料科学与工程,1996,19(4):67-72.7TakahashiH,HashideT.DevelopmentofanevaluationmethodoffunctionallygradientmaterialsJ.JSMEInterna-tionalJournal,1990,33(3):281-287.8郭成,程羽,苏文斌,等.SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料锻造性能及其塑性图J.塑性工程学报,2000,7(4):9-11.9