说说原位铝基复合材料强化机制

2020年09月25日 9:57 5782次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

导读:  金属中的位错密度总是随粒子尺寸减小而上升,随着粒子体积分数的增加,位错密度增加,强度上升。在(A13Zr+A12O3)/A356复合材料中,由于颗粒增强体尺寸小,体积分数高,增强体A13Zr和A12O3的热胀系数与基体A356合金的又存在差异,会在颗粒周围引发大量的附加位错,因而复合材料的位错密度大大上升,从而提高了复合材料的强度。

材料科学家对原位铝基复合材料的力学性能的研究和原位拉伸结果表明,复合材料的室温强度性能随着内生增强体颗粒体积分数的增加而显著上升。原位拉伸试验指出,复合材料中裂纹的扩展是有选择性的,曲于增强颗粒的分布很不均匀,当主裂纹扩展前端碰到颗粒密集群时,扩展方向就会偏转,转向颗粒贫乏区,绕过颗粒密集区,沿着颗粒密集区与贫乏区之间的界面向前扩展延伸。(A13Zr+A12O3)/A356复合材料的强化机制有:奥罗万(Orowan)强化、弥散强化、细晶强化、固熔强化和位错强化,但奥罗万强化、晶粒细化(grain)强化、固溶(solution)强化与位错(dislocation)强化是主要的,它们对复合材料屈服强度的影晌可用下列线性关系式表示:
б复=бo+бg+бs+бd
●奥罗万强化
奥罗万强化是位错通过距离很近的细小硬颗粒时受到粒子的阻碍而产生的强化作用。在内生A13Zr和A12O3颗粒增强铝基复合材料中,由于粒子细小,颗粒体积分数高,大部分分布于晶界,由奥罗万位错阻碍理论可知:粒子距间越小,则位错线绕过颗粒的曲率越大,因而位错移动阻力上升,使材料强度增大。
对(A13Zr+A12O3)/A356复合材料来说,A356合金(质量 %:Si6.5~7.5、 Fe0.6、Cu0.25、MnO.35、Mg0.20~0.40、Zn0.35、Ti0.25、其它总计0.15,其余A1)是一种时效强化型合金。因此,必须考虑增强A13Zr和A12O3颗粒对A356合金析出相Mg2Si的分布和大小的影响。在脉冲磁场中合成的(A13Zr+A12O3)/A356复合材料中,基体内位错密集,呈网状分布,且与时效析出相Mg2Si连接。这是由于原位内生增强颗粒的引入使基体位错密度大幅上升,而位错又促使时效析出相的产生,并使析出相细小,分布弥散。因此,复合材料中增强体颗粒对析出相的强化大有裨益。
●细晶强化
基体晶粒结构对铸态金属基复合材料的力学性能和物理性能有很大影响。当晶粒内位错运动到晶界附近时,由于受到晶界阻碍,会塞积起来,若要继续变形,必须加大外力,而且晶粒越细,晶界占的比例也越大,位错运动的障碍也越多。此外,由于相邻晶粒存在位相差,各晶粒的滑移倾向也不同,当某个晶粒发生塑性变形时,会受邻近晶粒的牵阻与阻碍,必须以弹性变形相互协调,这种弹性变形便成为继续塑性变形阻力,促使多晶体塑性变形抗力上升,此外,晶界杂质原子较多,也不利于塑性变形,加强了上述影晌。晶粒细化还能提高金属的塑性与韧性,因为晶粒越细,一定体积内就有更多的晶粒,同样的变形量承担的晶粒多,变形就更均匀,不会产生严重的应力集中,因而能产生更大的变形而不断裂,表现出良好的塑性。再者,细晶粒晶界曲曲弯弯,不利于裂纹传播与扩展,裂纹穿越晶界需要消耗更多的能量,故韧性提高。
铝基复合材料基体晶粒细化机制有两种:增强体表面的非均质形核,增强体与基体合金之间的热交换。由于增强相是从熔体内部通过化学反应形成的,A13Zr和A12O3可分别作为а-Al相和Si相的非均质形核基底,从而产生细化作用。由于在脉冲磁场作用下内生A13Zr和A12O3颗粒的生成,使基体а树技状晶化为细小等轴晶,共晶体由长针状变成短棒状或颗粒状。因此,原位(A13Zr+A12O3)/A356复合材料的细晶强化机制为基体在增强体表面的非均质形核机制。
●固溶强化
外来原子固溶于基体中后,一方面能阻碍错位运动,另方面由于外来原子与基体金属原子直径不同,会使晶格畸变,产生应变场,且会与位错发生交互作用。溶质原子作为位错运动的阻碍,提升塑性抗力,这是两方面的原因造成的:一是溶质原子引起晶格畸变,增加位错密度,溶质原子造成的晶格畸变程度和溶解度因溶质原子与溶剂原子的差异及溶解的不同而不同,溶质原子溶的越多,晶格就畸变得越严重,强化效果就越大;另一方面,溶质原子与位错的交互诈用,使位错处于稳定状态,溶质原子大都趋向于分布在位错周围。对于置换固溶体,比溶剂原子小的溶质原子往往扩散到刃形位错下方的受拉部位,形成“柯氏(Cottaell)气团”。该气体的形成,位错能量下降,处于稳定状态,对位错起了束缚作用。位错为摆脱柯氏气团的束缚而奋力移动,因此必须施加更大的外力,也就是说金属的变形抗力上升了。
●位错强化
金属中的位错密度总是随粒子尺寸减小而上升,随着粒子体积分数的增加,位错密度增加,强度上升。在(A13Zr+A12O3)/A356复合材料中,由于颗粒增强体尺寸小,体积分数高,增强体A13Zr和A12O3的热胀系数与基体A356合金的又存在差异,会在颗粒周围引发大量的附加位错,因而复合材料的位错密度大大上升,从而提高了复合材料的强度。
金属晶体中总是有位错的。晶体的完整性和理论强度计算都表明,消除位错才能提高强度,可是与之相反,金属晶体缺陷理论则认为,增加位错密度也可以有效地提高强度。在颗粒增强的金属基复合材料中,增强体与基体的热胀系数相差甚大,从而引发巨大的热应力,造成塑性变形,使复合材料中的位错密度上升。
科学家的计算表明,原位铝基复合材料的四种强化机制对强度贡献各不相同,位错对强化贡献最大,固溶对强化的贡献最小。各种强化机制对此种复化材料强度的提高为:бo=21.26MPa,бg=18.45MPa,бd=24.85MPa,бs=16MPa,总计б复=80.56MPa。

责任编辑:淮金

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