复合粉末经历大塑性变形后的组织性能研究样本

SiCp/Al复合粉末经历大塑性变形后组织性能研究刘红丽1，田野1，王久林1，薛克敏1合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009)摘要本文基于Marc软件对纯铝致密体ECAPT变形行为进行了有限元模仿，分析了ECAPT工艺变形过程及有关场量变化规律；以不同体积分数及不同变形温度SiCp/Al复合粉末材料为研究对象，制备ECAPT试样，开展相对密度测试、显微硬度和室温压缩等分析测试工作，系统观测和研究材料显微组织和力学性能变化状况。成果表白：随着SiC含量增高，材料显微硬度不断升高，致密效果变差，屈服强度减少。核心词SiCp/Al复合材料；等径角挤扭；有限元模仿；显微组织；性能1引言SiCp/Al复合材料性能具备可设计性，既可兼具组分材料长处，又可以获得新性能，受到各发达国家广泛关注。此类材料因具备密度小，比强度高，热稳定性好等长处，满足了当代科学技术和材料行业高速发展需求，在诸多领域特别是航空航天、电子、汽车等有着辽阔应用前景[1]。而等径角挤扭（ECAPT）作为一种新兴大塑性变形工艺（SPD）可以使材料在较大静水压力下获得激烈剪切塑性变形从而形成超细晶组织，且单道次应变累积效果远远超过以往大塑形变形办法。ECAPT继承了等径角挤压（ECAP）和挤扭（TE）工艺长处，并弥补了ECAP细晶能力不强及TE变形不均匀局限性，就模具构造而言，是将TE核心部位（螺旋通道）合理安顿到老式ECAP水平通道中，以提高单道次变形应变累积量，并改进其分布均匀性[2-7]。2数值模仿与成果分析运用Marc软件对纯铝致密体在250℃下ECAPT变形行为进行有限元模仿，分析ECAPT工艺变形过程及有关场量变化规律。为优化模具构造，顺利开展物理实验提供一定理论支持[8-11]。运用Marc前解决功能构建模型，模具截面尺寸为10×10mm，直角通道某些尺寸参数为内角φ=90°，内角圆弧R=0.5mm，螺旋通道距离L=30mm，螺旋转角γ=90°。试样为截面10×10mm，长为60mm纯铝致密体方形坯料。运用Marc软件切片功能，观测了如图1所示各变形时刻试样中心纵截面等效应变分布云图。初始变形阶段完全通过螺旋通道图1不同阶段等效应变分布云图（切片图）从图中可以看出，试样经历模具拐角处剪切变形便开始大量积累等效塑性应变，在一定区域内呈现平行四边形剪切变形带，由于内、外角侧坯料金属流动速度存在差别，试样头部浮现明显“翘曲”现象，当试样完全通过螺旋通道后，除试样头部和尾部存在小变形区比较复杂外，试样中部有效长度内变形比较均匀。图2为试样变形过程中档效米塞斯应力分布云图，可以看出试样在水平通道平移阶段应力分布较均匀且数值较小，而在模具拐角处及螺旋通道入口、出口、棱边处变形激烈、应力比较集中，易使模具发生破坏,在设计模具过程中，应采用相应办法。图2等效应力分布云图3实验与成果分析完毕灌粉、安装、调试模具等准备工作后，在KN旋转压扭液压机上开展物理实验，制备不同变形参数试样，用于相对密度测试、显微组织分析、显微硬度分析、压缩实验和断口分析[1,9,12]。3.1相对密度测试材料内部所含孔隙数量以及分布状况与材料组织与性能有着密切联系。本文采用排水法对不同试样相对密度进行测定，从图3中可以看出随着SiC颗粒含量增多，相对密度呈明显下降趋势。由于碳化硅含量增大，会导致颗粒团聚现象加剧，外力对团聚在一起SiC颗粒起不到明显作用，颗粒之间相对位置不易变化，因而使得被团聚SiC颗粒包围孔隙难以闭合，导致致密效果下降。图3250℃不同SiC含量试样相对密度3.2显微组织分析通过重复拆装模具,获得试样在模具中经历转角前压实、ECAP变形后和ECAPT变形后试样，观测试样内部微观组织形貌。图4粉末材料在ECAPT变形不同过程中微观组织（a）、（d）分别为模具拐角前100倍和400倍微观组织（b）、（e）分别为ECAP后100倍和400倍微观组织（c）、(f)分别为ECAPT后100倍和400倍下微观组织由图4（a）可知，试样处在垂直通道尚没有经历模具转角处剪切变形时，显微组织中存在着大量孔隙。由图4（b）可知，通过ECAP变形后，大量孔隙得到闭合或缩小。而从图4（c）可以看出，当粉末材料完全通过螺旋通道后，视野内基本看不到孔隙，呈现出较好致密效果。由于混粉过程中不能完全消除人为因素带来影响，SiC颗粒在铝基体中呈现出一定量团聚现象。通过图4(d)、(e)、(f)来对比观测三个不同位置微观组织中SiC颗粒分布，图4（d）中材料在变形前，SiC颗粒分布不均匀，在铝基体中浮现明显团聚现象。图4（e）中材料通过ECAP变形后，随着基体剪切流动，尺寸较大碳化硅颗粒被剪切错移，团聚颗粒也在剪切过程中分散开，同步细化后小颗粒也填充了原先孔隙。图4（f）中通过ECAPT变形后，材料在ECAP变形基本上又经历了一次剪切变形，SiC颗粒在铝基体中分布又得到进一步改进，只有局部区域存在少量颗粒团聚现象。由图中还可以看出，随着变形进行，SiC颗粒浮现破碎细化现象，且某些颗粒尖角发生了钝化，这对提高材料力学性能有很大意义。3.3显微硬度分析材料硬度是材料塑性、弹性、强度和韧性等力学性能综合指标，体现了材料抵抗局部变形能力。从图5可以得出结论，随着SiC含量增多，试样各个截面硬度均成明显升高趋势。图5不同SiC含量试样各截面显微硬度ECAPT中材料变形机制重要是晶粒内部位错运动，随着位错不断增殖，位错密度增高而位错堆积产生加工硬化，SiC体积分数含量越高，阻碍基体变形能力越强，ECAPT变形过程中，位错会不断地产生增殖，并互相交割、缠结、塞积，使得位错运动阻力增大，材料变形抗力提高。图6描述是不同变形温度下ECAPT变形试样X面上硬度分布状况，很明显随着温度增高，试样硬度明显减少。较高变形温度有助于提高材料塑性，减少材料流动应力，使材料易于屈服变形，这是由于随着温度升高，金属原子热振动运动振幅加大，滑移阻力减小。温度升高同步还会导致材料易于发生回答和再结晶，从而减小甚至消除塑性变形所产生加工硬化，减少变形阻力，减少材料硬度。图6不同温度试样X面硬度3.4压缩实验及断口分析为了更直观分析SiCp/Al基复合材料经历大塑性变形后力学性能，运用万能实验机对各变形试样进行了室温压缩性能测试实验。从压缩试样获得真实应力-应变曲线（图7）以及试样压缩后断裂状况来看，8.75vol%SiCp/Al基复合材料压缩性能最佳，试样被压扁，无明显破损，体现出了极好塑性变形能力。而17.5vol%SiCp/Al基复合材料被压扁，但沿45°方向浮现了明显裂纹，而35%SiCp/Al基复合材料压缩性能最差，浮现了破碎现象。数据表白，相对于纯铝基体屈服强度45MPa，SiCp/Al基复合材料屈服强度明显增大，最大可达96.5MPa（SiC颗粒为8.75vol%时），重要是由于SiC颗粒与基体热膨胀率不同，导致材料中存在热错配应力，热错配应力松弛导致基体材料中存在大量位错，而位错增长使得基体材料难于发生塑性变形，即提高了材料抗压缩性能。图7压缩试样真实应力-应变曲线通过扫描电子显微镜（SEM）观测含碳化硅含量为35vol%试样断口断裂机制。从图8中可以看出断裂形式重要是基体片状断裂。此外，还存在某些SiC颗粒与基体结合界面脱粘，虽然前期对增强颗粒做了高温解决，但是仍难保证界面较好结合和完全不发生有害界面反映。从图中平整SiC颗粒平台可以看出，增强颗粒发生了脆性断裂。因而，试样经压缩后断裂机制以基体韧性断裂为主，界面脱粘和增强颗粒脆性断裂为辅。图8压缩断口形貌4结论（1）在模仿成果中直观观测ECAPT各变形阶段变形特点，当试样头部挤出螺旋同道，试样尾部尚未离开模具拐角时，挤压载荷达到极值；当试样完全离开螺旋通道，在试样中部有效长度内等效应变分布比较均匀；等效应力集中在模具拐角及螺旋通道入口、出口以及棱边处。（2）粉末材料通过等径角挤扭大塑性变形后，致密效果良好，孔隙得到了有效闭合，随着变形进行，SiC颗粒浮现破碎细化现象，且某些颗粒尖角发生了钝化，SiC颗粒分布比较均匀；随着SiC含量增高，材料显微硬度不断升高；随着变形温度升高，材料显微硬度呈下降趋势。（3）随着SiC颗粒含量增多，试样相对密度减小。（4）在基体铝中添加SiC颗粒可以有效提高基体材料屈服强度，但是SiC含量过高，增幅反而变小。其中，8.75vol%SiCp/Al基复合材料压缩性能最佳。从35vol%SiCp/Al断口扫描电镜照片可以看出，断裂机制是基体韧性断裂为主，界面脱粘和增强颗粒脆性断裂为辅。参照文献[1]张翔.粉末材料等径角挤扭固结成形实验研究..[2]WangXiaoxi，XueKemin，LiPing，etal.EqualChannelAngularPressingandTorsionofPureAlPowderinTubes[J].AdvancedMaterialsResearch，，97-101：1109-1115.[3]MinoruFurukawa,YoshinoriIwahashi.Theshearingcharacteristicsassociatedwithequal-channelangularpressing.MaterialsScienceandEngineering,257(1998)：328–332.[4]S.A.A.AkbariMousavi,A.R,Shahab.Influenceofstrainaccomulationonmicrostructureofaluminum1100inthetwistextrusion.InternationalJournalofModernPhysicsB,,22(18):2858—2865.[5]YoshinoriIwahashi，JingtaoWang.Principleofequal-channelangularpressingfortheprocessingofultra-finegrainedmaterials.ScriptaMaterialia,1996,35(2):143-146.[6]Che-YiLin，Hao-JanTsai.Effectsofequalchannelangularextrusiononthemicrostructureandhigh-temperaturemechanicalpropertiesofZA85magnesiumalloy.JournalofAlloysandCompounds530()48–55.[7]Y.Beygelzimer，A.Reshetov.Kinematicsofmetalflowduringtwistextrusioninvestigatedwithanewexperimentalmethod.Jouranalofmaterialsprocessingtechnology,:1—7.[8]张翔，李萍，王晓溪.ECAPT过程中载荷变化规律数值模仿.精密成形工程，,2（5）：6—9.[9]王晓溪.纯铝粉末等径角挤扭工艺数值模仿及实验研究..