掌信檢測：說說原位鋁基複合材料強化機制

2020-10-03 嶽麓山下

材料科學家對原位鋁基複合材料的力學性能的研究和原位拉伸結果表明，複合材料的室溫強度性能隨著內生增強體顆粒體積分數的增加而顯著上升。原位拉伸試驗指出，複合材料中裂紋的擴展是有選擇性的，曲於增強顆粒的分布很不均勻，當主裂紋擴展前端碰到顆粒密集群時，擴展方向就會偏轉，轉向顆粒貧乏區，繞過顆粒密集區，沿著顆粒密集區與貧乏區之間的界面向前擴展延伸。(A13Zr＋A12O3)/A356複合材料的強化機制有：奧羅萬(Orowan)強化、彌散強化、細晶強化、固熔強化和位錯強化，但奧羅萬強化、晶粒細化（grain）強化、固溶（solution）強化與位錯(dislocation)強化是主要的，它們對複合材料屈服強度的影晌可用下列線性關係式表示：
б復＝бo＋бg＋бs＋бd


●奧羅萬強化
奧羅萬強化是位錯通過距離很近的細小硬顆粒時受到粒子的阻礙而產生的強化作用。在內生A13Zr和A12O3顆粒增強鋁基複合材料中，由於粒子細小，顆粒體積分數高，大部分分布於晶界，由奧羅萬位錯阻礙理論可知:粒子距間越小，則位錯線繞過顆粒的曲率越大，因而位錯移動阻力上升，使材料強度增大。
對(A13Zr＋A12O3)／A356複合材料來說，A356合金(質量 %：Si6.5～7.5、 Fe0.6、Cu0.25、MnO.35、Mg0.20～0.40、Zn0.35、Ti0.25、其它總計0.15，其餘A1)是一種時效強化型合金。因此，必須考慮增強A13Zr和A12O3顆粒對A356合金析出相Mg2Si的分布和大小的影響。在脈衝磁場中合成的(A13Zr＋A12O3)／A356複合材料中，基體內位錯密集，呈網狀分布，且與時效析出相Mg2Si連接。這是由於原位內生增強顆粒的引入使基體位錯密度大幅上升，而位錯又促使時效析出相的產生，並使析出相細小，分布彌散。因此，複合材料中增強體顆粒對析出相的強化大有裨益。



●細晶強化
基體晶粒結構對鑄態金屬基複合材料的力學性能和物理性能有很大影響。當晶粒內位錯運動到晶界附近時，由於受到晶界阻礙，會塞積起來，若要繼續變形，必須加大外力，而且晶粒越細，晶界佔的比例也越大，位錯運動的障礙也越多。此外，由於相鄰晶粒存在位相差，各晶粒的滑移傾向也不同，當某個晶粒發生塑性變形時，會受鄰近晶粒的牽阻與阻礙，必須以彈性變形相互協調，這種彈性變形便成為繼續塑性變形阻力，促使多晶體塑性變形抗力上升，此外，晶界雜質原子較多，也不利於塑性變形，加強了上述影晌。晶粒細化還能提高金屬的塑性與韌性，因為晶粒越細，一定體積內就有更多的晶粒，同樣的變形量承擔的晶粒多，變形就更均勻，不會產生嚴重的應力集中，因而能產生更大的變形而不斷裂，表現出良好的塑性。再者，細晶粒晶界曲曲彎彎，不利於裂紋傳播與擴展，裂紋穿越晶界需要消耗更多的能量，故韌性提高。
鋁基複合材料基體晶粒細化機制有兩種：增強體表面的非均質形核，增強體與基體合金之間的熱交換。由於增強相是從熔體內部通過化學反應形成的，A13Zr和A12O3可分別作為а-Al相和Si相的非均質形核基底，從而產生細化作用。由於在脈衝磁場作用下內生A13Zr和A12O3顆粒的生成，使基體а樹技狀晶化為細小等軸晶，共晶體由長針狀變成短棒狀或顆粒狀。因此，原位(A13Zr＋A12O3)／A356複合材料的細晶強化機制為基體在增強體表面的非均質形核機制。



●固溶強化
外來原子固溶於基體中後，一方面能阻礙錯位運動，另方面由於外來原子與基體金屬原子直徑不同，會使晶格畸變，產生應變場，且會與位錯發生交互作用。溶質原子作為位錯運動的阻礙，提升塑性抗力，這是兩方面的原因造成的：一是溶質原子引起晶格畸變，增加位錯密度，溶質原子造成的晶格畸變程度和溶解度因溶質原子與溶劑原子的差異及溶解的不同而不同，溶質原子溶的越多，晶格就畸變得越嚴重，強化效果就越大；另一方面，溶質原子與位錯的交互詐用，使位錯處於穩定狀態，溶質原子大都趨向於分布在位錯周圍。對於置換固溶體，比溶劑原子小的溶質原子往往擴散到刃形位錯下方的受拉部位，形成「柯氏（Cottaell）氣團」。該氣體的形成，位錯能量下降，處於穩定狀態，對位錯起了束縛作用。位錯為擺脫柯氏氣團的束縛而奮力移動，因此必須施加更大的外力，也就是說金屬的變形抗力上升了。



●位錯強化
金屬中的位錯密度總是隨粒子尺寸減小而上升，隨著粒子體積分數的增加，位錯密度增加，強度上升。在（A13Zr＋A12O3）／A356複合材料中，由於顆粒增強體尺寸小，體積分數高，增強體A13Zr和A12O3的熱脹係數與基體A356合金的又存在差異，會在顆粒周圍引發大量的附加位錯，因而複合材料的位錯密度大大上升，從而提高了複合材料的強度。
金屬晶體中總是有位錯的。晶體的完整性和理論強度計算都表明，消除位錯才能提高強度，可是與之相反，金屬晶體缺陷理論則認為，增加位錯密度也可以有效地提高強度。在顆粒增強的金屬基複合材料中，增強體與基體的熱脹係數相差甚大，從而引發巨大的熱應力，造成塑性變形，使複合材料中的位錯密度上升。
科學家的計算表明，原位鋁基複合材料的四種強化機制對強度貢獻各不相同，位錯對強化貢獻最大，固溶對強化的貢獻最小。各種強化機制對此種復化材料強度的提高為：бo＝21.26MPa，бg=18.45MPa，бd=24.85MPa，бs=16MPa，總計б復＝80.56MPa。


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