作者：P. Laxminarayana，A. Chennakesava Reddy
1. 引言：
       復(fù)合材料由基體相和增強相組成；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)合材料通過基體中加入增強材料的方法可以改善基體的強度和硬度。材料密度的變小，硬度、抗屈強度和極限抗拉強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、強度大的?fù)合材料需求日益增加，諸如高強度鋁合金和鈦合金材料等。這些高強度金屬基復(fù)合材料結(jié)合了輕金屬增強相的高強度高硬度和良好的延展性的特質(zhì)。
       碳化硅增強型鋁是常見的微粒復(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、微粒尺寸都會影響材料的機(jī)械性能。因此，本文主要研究熱處理工藝對碳化硅增強型鋁基復(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材料間的潤濕性。表一給出了7075合金的化學(xué)組份。實驗采用Al-Ti-B (Al-5wt% Ti-1wt%B)對基體粒度進(jìn)行精磨。
表一
2.2 增強材料
       增強材料為碳化硅微粒，密度為1.30g/cm3，粒度為30±1μm。
3. 金屬基體復(fù)合材料的鑄造
       實驗采用擠壓鑄造工藝來制備金屬基體復(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，開始進(jìn)行機(jī)械攪拌。與此同時對模具進(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型7075鋁復(fù)合材料；每次壓鑄出3個試樣，余料重新融化再利用。
4.實驗測試
       用于三點彎曲試驗和拉伸試驗的試樣共五個類型（0-10-15-20-30 wt% SiC）。試驗前對試樣進(jìn)行去毛刺處理。圖一、圖二分別為拉伸試驗和三點彎曲試驗試樣的尺寸和形狀。

     

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

       在拉伸試驗中對撓度（δ）值和負(fù)載（P）值以及極限抗拉強度進(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)行橫截面面積測量并記錄出現(xiàn)裂紋前、后的長度。為防止刻槽影響，對所有毛刺進(jìn)行磨削處理。三點彎曲試驗中對斷裂載荷值進(jìn)行測量并將其轉(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，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)對所有試樣進(jìn)行熱處理，然后在480 ℃下固溶處理1小時；再放入水中淬火冷卻，最后在120 ℃下沉淀硬化熱處理24小時。
4.2 金相分析
       對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)行圖像分析以計算出碳化硅增強型鋁合金7075復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)。利用Clemex軟件計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材料和基體的體積百分?jǐn)?shù)。
4.3 SEM分析
       實驗利用SEM對鋁試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。對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. 實驗結(jié)果和討論
5.1 碳化硅對硬度的影響

       硬度是材料耐變形性能的重要指標(biāo)，因此實驗對熱處理后、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硬的陶瓷材料，能夠緊固位錯運動從而增強加工硬化的強度。實驗還發(fā)現(xiàn)熱處理對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；在120 ℃下沉淀硬化熱處理24小時。圖三中可以觀察法到毛坯鑄件和熱處理后的碳化硅增強型鋁基體復(fù)合材料硬度值對比；可以看出熱處理增大了復(fù)合材料的硬度。
5.2 熱處理時間對硬度的影響

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

       圖五為三點彎曲試驗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，抗彎強度隨增強料增多而增大；超過10 wt%后，抗彎強度隨增強料增多而降低。當(dāng)碳化硅含量為30 wt%時，強度降低到302 MPa。在三點彎曲試驗中，30 wt%的碳化硅增強型復(fù)合材料在較小應(yīng)變力的作用下試驗失敗。這可能是由于材料沒有足夠的內(nèi)部延展性來克服集中的內(nèi)部應(yīng)力。所有試樣在宏觀斷裂表面檢測中都有脆性斷裂的特性。10 wt%含量的碳化硅增強型鋁基復(fù)合材料的抗彎強度最大。顆粒尺寸為10-30 μm的碳化硅形成阻礙并抑制位錯運動。10 wt%含量的碳化硅增強型毛坯鑄件復(fù)合材料的抗彎強度最大，經(jīng)過T6熱處理之后些許MgZn2, Mg32(Al,Zn)49沉淀增加了抗彎強度，它們形成阻礙并抑制位錯運動；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%含量的碳化硅增強型復(fù)合材料的抗彎強度達(dá)到了最大值579 MPa。
5.4 碳化硅增強對極限抗拉強度的影響

       圖六為不同含量碳化硅和不同沉淀硬化處理時間下的極限抗拉強度變量。幾乎所有試樣都在圖中弧線部分?jǐn)嗔?；在部分抗拉強度測試的試樣中還觀察到碳化硅顆粒結(jié)塊現(xiàn)象。10 wt%含量的碳化硅增強復(fù)合材料的極限抗拉強度最大。
5.5 碳化硅增強對彈性模量的影響
       實驗根據(jù)混合律公式計算理論彈性模量；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

       實驗對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。在碳化硅增強鋁基復(fù)合材料中增強料分布均勻，鋁基顆粒大小不一。尺寸各異是由于鑄件過程中快速冷卻造成的。

       圖九為熱處理碳化硅增強鋁基復(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，顆粒中的小黑點即為熱處理過程中形成的沉淀。
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）熱處理過程中，從4小時到24小時期間，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)過沉淀硬化處理，硬度會額外增強。
       （3）毛坯鑄件和熱處理復(fù)合材料的抗彎強度在增強料增至10 wt%之前逐漸增大。
       （4）毛坯鑄件最大抗彎強度增加了40 MPa，熱處理復(fù)合材料最大抗彎強度增加了180 MPa。
       （5）毛坯鑄件和熱處理復(fù)合材料的拉伸強度值比抗彎強度值要小。毛坯鑄件最大拉伸強度和最大抗彎強度差值為232 MPa；熱處理鋁基復(fù)合材料最大拉伸強度和最大抗彎強度差值為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，這是由于鑄件過程中快速冷卻和添加了Al-Ti-B的緣故。
       （7）部分拉伸試驗試樣中觀察到碳化硅顆粒結(jié)塊現(xiàn)象。