航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年　第4期　No.4




塑性加工对SiCp/Al复合材料微观组织的影响
Influence of Plastic Working on the Microstructure of SiCp/Al Composite
贾玉玺　王广春　赵振铎　赵国群
　　［摘要］　开展了塑性加工对SiCp/Al复合材料微观组织影响的试验研究。结果表明：SiCp/Al复合材料在固态下的塑性变形是通过其金属基体的塑性变形来实现的；当金属基体塑性变形时，增强颗粒通过转动在金属基体粒子边界上顺着变形方向形成定向排列。
　　关键词： 塑性加工　复合材料　微观组织　
定向排列
　　［ABSTRACT］　The influence of plastic working on the microstructure of SiCp/Al composite was investigated. The experimental results indicate that the plastic deformation of the SiCp/Al composite is realized by the aluminium alloy matrix plastic deformation. When the matrix is deforming, the reinforcers adjust their positions by turning and become oriented in the direction of the matrix deformation.
　　Keywords: Plastic working　Composite　Microstructure　Orientation
　　在未来的航空工业、汽车工业中，金属基尤其是铝基复合材料将得到愈来愈广泛的应用。这是因为这类先进材料不仅具有高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损等优越的使用性能，而且还具有一定的塑性，可采用热锻、热挤或热轧等传统的塑性加工方法成形。颗粒增强金属基复合材料更因其原材料成本低、制备工艺简单、易于批量化生产等优点而备受重视。
　　70年代后期兴起了颗粒增强金属基复合材料的研究。目前，已有一些公司研究出成熟的生产工艺，制备出了SiC或Al2O3颗粒增强铝基复合材料半成品，且成功地推向了市场。但增强颗粒与金属基体之间浸润性较差、密度差异较大，致使增强颗粒难以均匀分布；常用的粉末冶金、挤压铸造等制备工艺难以消除材料的疏松、多孔等缺陷。所以对这些复合材料半成品，一般还需要进行塑性加工［1～2］。
　　颗粒增强金属基复合材料是一新型材料，增强颗粒的非连续分布和材料体积的可压缩性造成了其塑性加工工艺与性能和常规材料有很大不同，从而限制了该类材料的广泛应用［3，4］。因此，研究这类先进材料在塑性加工过程中的组织与性能变化对于促进这类材料的实用化具有非常重要的意义。
　　材料的压缩变形是各种塑性加工工艺的基础，其变形过程和机理最能代表塑性加工的特点。因此，本文中采用试验方法研究SiCp/Al复合材料在压缩变形过程中微观组织的变化规律，探讨塑性变形区内的金属基体粒子与SiC增强颗粒的运动形式，并揭示上述复合材料塑性变形的实现方式。
1　试验材料、装置与方法
　　试验材料是体积分数为15%的SiC颗粒增强铝基复合材料。SiC颗粒的名义尺寸为14?μm。金属基体材料采用工业纯金属元素粉配制，其化学成分列于表1［5］。压缩毛坯采用粉末冶金法，经过机械混粉、冷压制坯以及半液态烧结等工序制备而成。
　　复合材料圆柱毛坯热压缩试验装置(图1)所用设备为YE100型液压试验机，工作台下压速度为3×10-5?m/s，变形温度为540?℃。
　　为了使复合材料毛坯在理想的单向压应力下变形，减小复合材料毛坯与高强度压头之间的摩擦至关重要。本文中采用了下述2条措施：

图1　SiCp/Al复合材料压缩试验装置简图
Fig.1　The test equipment to upset the SiCp/Al composite
1.压力传感器；2.上垫块；3.上压头；
4.复合材料毛坯；5.下压头；6.下垫块；7.电炉；
8.下工作台；9.位移传感器；10.热电偶。
　　(1)针对高温高压的使用条件，对润滑剂的组分反复进行了试验研究，结果表明，按表2配制的润滑剂润滑效果较好；
　　(2)在复合材料毛坯端面上车一0.2?mm深的环形沟槽，以便保存润滑剂、提高润滑效果，如图2所示［6］。

图2　复合材料毛坯示意图
Fig.2　The illustration of composite part
表1　基体材料的化学成分
%

　
组分CuZnSiFeAl
含量5．003．000．300．15余

表2　复合材料高温压缩润滑剂的组成
%

　
组分石墨滑石粉铅丹72号汽缸油
含量201010余

2　试验结果与分析
　　采用MeF3 ROTOSCOPE金相显微镜，上述复合材料在540?℃压缩前毛坯与压缩后毛坯横、纵截面的微观组织分别示于图3～5。
　　比较压缩前毛坯的微观组织(图3)与压缩后毛坯的微观组织(图4，5)可见，两者在金属基体形态和增强颗粒分布方面存在着显著的差异。在压缩前毛坯的微观组织中，金属基体粒子相当粗大，具有明显的粒子界面；增强颗粒随机地分布在金属基体粒子的边界上，而且聚团现象比较严重。在热压缩后，增强颗粒的分布情况大为改观，均匀性得到较大程度的提高。在体现变形方向的纵截面上，金属基体粒子沿着加压方向被压扁，垂直于加压方向被拉长；SiC颗粒呈现出明显的定向排列的特征，形成了顺着金属基体粒子拉伸变形方向延伸的流线。观察图5还可以发现，在金属基体粒子边界上增强颗粒分布较密的区域，金属基体粒子的长径比相对较小；而在增强颗粒分布较稀的区域，金属基体粒子的长径比相对较大。

图3　压缩前毛坯的微观组织(×80)
Fig.3　The microstructure before upsetting(×80)

图4　压缩后毛坯的横截面组织(×80)
Fig.4　The microstructure in cross section after upsetting(×80)

图5　压缩后毛坯的纵截面组织(×80)
Fig.5　The microstructure in axial section after upsetting(×80)
　　对上述现象可解释如下：
　　(1)SiC颗粒增强铝基复合材料在固态下的塑性变形是通过其金属基体的塑性变形来实现的。当金属基体塑性变形时，在增强颗粒和金属基体之间存在一种相互作用，即增强颗粒对金属基体的塑性变形具有明显的阻碍作用；同时，金属基体滑移受阻
而在增强颗粒与金属基体界面近旁产生大量位错，增强颗粒受到该位错引起的应力场作用。其
中，增强颗粒对金属基体滑移的阻碍作用致使金属基体的塑性变形从微观上讲具有很大的不均匀性。位于滑移不受阻碍或受阻程度较小区域内的金属基体，其塑性变形远比其他部位显著，造成增强颗粒在金属基体粒子边界上分布密度不同而导致变形后金属基体粒子形态不同的现象。
　　(2)金属基体的塑性变形，致使增强颗粒的相对位置发生了较明显的改变。那些对金属基体塑性变形阻碍较小的等轴SiC颗粒，会随着金属基体的塑性流动而“随波逐流”；那些严重阻碍金属基体滑移的增强颗粒，即长径比相对较大而且排列方向与金属基体滑移方向不一致的颗粒，会受到通过滑移而塞积于增强颗粒与金属基体界面近旁的大量位错所引起的垂直于增强颗粒长轴方向的剪切力作用，从而使这部分长颗粒朝利于金属基体塑性变形的方向偏转，形成如图5所示
的SiC颗粒定向排列的形貌。
3　结论
　　(1)SiC颗粒增强铝基复合材料在固态下的塑性变形是通过其金属基体的塑性变形来实现
的。
　　(2)当金属基体塑性变形时，在增强颗粒与金属基体之间存在一种相互作用，从而形成增强颗粒在金属基体粒子边界上顺着金属基体拉伸变形方向延伸的定向排列。
作者单位：　山东工业大学
参考文献
　［1］　赵稼祥，展晓征等.先进复合材料及其应用研究的现状与发展趋势.复合材料学报，199
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　［2］　Finot M. Micromechanical model of reinforcement fracture in
particle_reinforced metal composites. Metall. Trans.,1994,25A(11):2403～2420
　［3］　周曼娜，魏建峰等.Al2O3颗粒增强纯铝基复合材料的研究.复合材料学报，1993，10(3)：
51～56
　［4］　Tohgo K, Weng G J. A progressive damage mechanics in particle_reinforced
metal matrix composites under high triaxial tension. Trans.ASME,1994,116(7):414～420
　［5］　谭树松.有色金属材料学.北京：冶金工业出版社，1993.74～75
　［6］　汪大年.金属塑性成形原理.北京：机械工业出版社，1991.122～125
