高压对SiC_p／A1复合材料塑性的影响

高压对ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１复合材料塑性的影响刘兵，金其坚（北京有色金属研究总院１０００８８） 利用自己开发研制的高压拉伸实验设备，进行了ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在不同压力等级下的高压 拉伸实验，研究了Ｓｉｃ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在高压下的塑性变化，借助扫描电镜对拉伸后的试样进 行了宏观及微观断口分析，结果表明：ＳｉＣ＿Ｐ／Ａ１ＭＭＣ在高静液压下塑性可得到很大改善 ，随压力提高，塑性指标在实验压力范围内呈规律性变化，其断裂方式也由宏观脆性正断逐步转化 为韧性切断。一、前言伴随空间时代的到来，出现了许多具有优良性能的新型材料。金属基复合材 料（ＭＭＣ）将陶瓷高强度、高刚度、耐磨性与金属的良好延性和韧性结合在一起，是很有前途的 新材料。其中ＳｉＣ颗粒增强的铝基复合材料（ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ）是当前金属基复合材料 研究的主要方向之一。ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ作为一种先进材料，虽然具有许多优良的性能，但 其塑性差，加工困难，零件制造技术复杂，因而阻碍了它的应用和发展。高压技术经过几十年的发 展，已逐步走向成熟，由于在个高压下材料的塑性及性能可得到改善，目前高压成形已经成为难变 形材料加工的一种手段￣［１、２］。Ｓｉｃ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ作为一种难变形材料，在其性能研 究方向，虽然已进行大量的工作，但在高压性能方面的研究目前还是一个空白。因此，探索其在高 压下塑性变化的规律，并以此为基础进行成形性研究，有可能为ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ的成形加 工提供有效途径。本文将通过专门研制的高压拉伸实验设备，研究ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在常温 高压下的塑性变化及规律，为常温下的高压成形提供依据。二、实验（－）实验装置本文验的主要 设备为ＹＡ３２－２００四柱万能液压机及安装介液压机上的内径为φ５０ｍｍ的二层预应力高压 圆筒和配套挤压杆，以此为基础研制了高压拉伸实验装置，其结构如图１所示。利用此装置可在高 静液压环境中对试样进行拉伸。拉伸实验时，挤压杆向下运动，压缩高压圆筒内的液体介质，从而 在高压腔内产生高液压，压力控制通过该装置下部的小直径通孔实现。当具有一定压力的液体经小 孔排出高压腔时，就会在小孔两端产生一定的压力差，当这种压差与液体受压缩后产生的压力平衡 时，就可在挤压杆向下运动的过程中，于高压腔中产生一个恒定的静液压力。当挤压杆向下运动接 触到顶杆时，由于上固定块固定在支承筒上，下固定块可以在支承筒内滑动，因此挤压杆可以通过 顶杆推动下固定块，实现在高静液压下对试样的拉伸。不同直径的小孔可以在高压腔中得到不同的 恒定静液压力，以此可实现不同压力等级下的拉伸。（二）试样制备本实验选用了两种ＳｉＣ＿ｐ ／Ａ１ＭＭＣ材料，其成分如表１所示。用普通热挤压和静液挤压两种加工方法将１０ｖｏｌ％Ｓ ｉＣ＿ｐ／Ａ１２０２４铸锭开坯得到两种加工态棒料，挤压温度均为４５０℃左右，将这两种棒 料及粉末冶金方法得到的１５ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１－Ｌｉ棒料制备成三组φ３ｍｍ标准光滑 拉伸试样，如表２所示。（三）实验过程本实验选择了四级压力，并在此压力下对以上三组试样进 行了高压拉伸试验。压力等级如表３所示，压力介质为蓖麻油，实验温度为常温。测量在不同压力 等级下拉伸后试样的延伸率δ及断面收缩率Ψ，得到材料塑性随静液压力变化的规律。借助ＪＳＭ －８４０扫描电镜进行拉伸试样的宏观及微观断口分析。三、实验结果及分析（一）高静液压对延 伸率的影响图２为所选用三种材料的延伸率δ随静液压力Ｐ的变化规律。由图可知，随压力增加， 其延伸率δ在实验压力范围内呈线性提高。对实验数据进行拟合，得到了实验材料的δ－Ｐ变化规 律，可用以下公式表示：δ＝δ＿０＋ＫＰ式中δ为高压下的延伸率；δ＿０为常压下的延伸率； Ｋ为压力影响系数；Ｐ为静液压力。压力影响系数Ｋ反映了压力对材料塑性的影响。表４为各种材 料的δ＿０值及线性拟合得出的实验材料Ｋ值，由表可知三种材料的Ｋ值不同，这说明压力对不同 状态、不同成分、不同性能材料的塑性影响程度不同，图３说明了这种差别。（二）高静液压对断 面收缩率的影响图４与图５为两组试样在不同压力下拉伸后的断口外观轮廓，由图可直观地看出， 随静液压力的升高，拉伸试样塑性逐渐增大，出现颈缩现象，并逐渐加剧，形成了很细的颈缩，这 意味着材料的塑性在高压下得到很大的改善。图６为三组试样的Ψ－Ｐ曲线。由图可知，三种材料 的断面收缩率Ψ随静液压力Ｐ的增加，呈现出相同的变化规律，Ψ－Ｐ曲线均近似于指数曲线，可 以分为缓慢变化和急剧变化两个区段。缓变区和急变区的划分是以某临界压力为标志。当静液压力 低于临界压力时，Ψ的变化十分缓慢，而当静液压力大于临界压力时，Ψ值急剧增大。这个临界压 力反映了实验材料由脆性向韧性转变的倾向。由Ψ－Ｐ曲线可初步确定这三种材料的临界压力Ｐ＿ Ｋ约为１５０ＭＰａ。（三）高静液压对拉伸断裂方式的影响图７为１５ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ １－Ｌｉ在四个压力等级下的拉伸断口纵断面。由图可知，随着静液压力的增加，断口宏观取向与 最大正应力交角发生了变化。常压拉伸时，拉伸断口宏观取向与拉应力即最大正应力方向垂直，为 正断型断裂方式。当静液压力增大后，拉伸断口宏观取向逐步与最大剪应力方向趋于一致，与拉应 力方向呈４０（°）角，为切断型断裂方式。另外两组拉伸试样的断口宏观取向随压力的变化规律 与此相同。以上结果表明，本实验选用的ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ随静液压力的增高，其拉伸断裂 方式由正断型转为切断型，即由脆性断裂方式转化为韧性断裂方式。（四）高静液压对拉伸断口形 貌的影响图８、９为１０ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１２０２４和１５ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１－ Ｌｉ在不同压力下的拉伸断口ＳＥＭ微观形貌。由图可知，随压力升高拉伸断口呈现出不同的形貌 特征。对１０ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１２０２４而言，在常压下拉伸断口为韧窝形貌，而１５ｖ ｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１－Ｌｉ则为带有少量韧窝的粗糙断口形貌。随压力升高，二者断口形貌发 生明显变化，拉伸断口上的光滑剪切区逐渐增大，当压力为６５０ＭＰａ时，已完全转变为光滑的 纯剪切区，这说明在高静液压力下拉伸试样发生了纯剪切断裂，因而材料的塑性得到了很大提高。 四、结论１．ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在常温高静液压力下拉伸时，其塑性相对于常压明显改善。 在６５０ＭＰａ压力下，三种试验材料的延伸率δ超过了２０％，而断面收缩率Ψ对静液挤压态和 热挤压态的１０ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１２０２４分别达到了７５％和５０％，而１５ｖｏｌ％ ＳｉＣｌ１／Ａ１－ｒｉ则达到了６５％。２．随静液压力的增大，ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ的塑 性呈规律性变化，在０～６５０ＭＰａ实验压力范围内，ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ的延伸率δ随压 力Ｐ的升高呈线性增加，而断面收缩率Ψ呈指数规律增加。实验材料由脆性转为韧性的临界压力Ｐ ＿ｋ约为１５０ＭＰａ。３．高静液压力下ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ塑件提高是由于在高静液压力 下其断裂机制由常压下的宏观脆性正断转化为韧性的纯剪切断裂。参考文献｜｜１Ｂｒｉｄｇｍａ ｎＰＷ，ＳｔｕｄｉｅｓｉｎｌａｒｇｅＰｌａｓｔｉｃｆｌｏｗａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅ，Ｍｃ Ｇｒａｗ－Ｈｉｌｌ，１９５２，１２金其坚，稀有金属，１９８１，（６），６３高压对SiC _p／A1复合材料塑性的影响@刘兵，金其坚$北京有色金属研究总院利用自己开发研制的高压 拉伸实验设备，进行了ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在不同压力等级下的高压拉伸实验，研究了Ｓｉｃ ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在高压下的塑性变化，借助扫描电镜对拉伸后的试样进行了宏观及微观断口分析 ，结果表明：ＳｉＣ＿Ｐ／Ａ１ＭＭＣ在高静液压下塑性可得到很大改善，随压力提高，塑性指标 在实验压力范围内呈规律性变化，其断裂方式也由宏观脆性正断逐步转化为韧性切断。１Ｂｒｉｄ ｇｍａｎＰＷ，ＳｔｕｄｉｅｓｉｎｌａｒｇｅＰｌａｓｔｉｃｆｌｏｗａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅ ，ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ，１９５２，１２金其坚，稀有金属，１９８１，（６），６３由图可 知，随着静液压力的增加，断口宏观取向与最大正应力交角发生了变化。常压拉伸时，拉伸断口宏 观取向与拉应力即最大正应力方向垂直，为正断型断裂方式。当静液压力增大后，拉伸断口宏观取 向逐步与最大剪应力方向趋于一致，与拉应力方向呈４０（°）角，为切断型断裂方式。另外两组 拉伸试样的断口宏观取向随压力的变化规律与此相同。以上结果表明，本实验选用的ＳｉＣ＿ｐ／ Ａ１ＭＭＣ随静液压力的增高，其拉伸断裂方式由正断型转为切断型，即由脆性断裂方式转化为韧 性断裂方式。（四）高静液压对拉伸断口形貌的影响图８、９为１０ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１２ ０２４和１５ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１－Ｌｉ在不同压力下的拉伸断口ＳＥＭ微观形貌。由图可 知，随压力升高拉伸断口呈现出不同的形貌特征。对１０ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１２０２４而言 ，在常压下拉伸断口为韧窝形貌，而１５ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１－Ｌｉ则为带有少量韧窝的粗 糙断口形貌。随压力升高，二者断口形貌发生明显变化，拉伸断口上的光滑剪切区逐渐增大，当压 力为６５０ＭＰａ时，已完全转变为光滑的纯剪切区，这说明在高静液压力下拉伸试样发生了纯剪 切断裂，因而材料的塑性得到了很大提高。四、结论１．ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ在常温高静液压 力下拉伸时，其塑性相对于常压明显改善。在６５０ＭＰａ压力下，三种试验材料的延伸率δ超过 了２０％，而断面收缩率Ψ对静液挤压态和热挤压态的１０ｖｏｌ％ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１２０２４分 别达到了７５％和５０％，而１５ｖｏｌ％ＳｉＣｌ１／Ａ１－ｒｉ则达到了６５％。２．随静液压力的增大，ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ的塑性呈规律性变化，在０～６５０ＭＰａ实验压力范围内，ＳｉＣ＿ｐ／Ａ１ＭＭＣ的延伸率δ随压力Ｐ的升高呈线性增加，而断面收缩率Ψ呈指数规律增加。实验材料由脆性转为韧性的临界压力Ｐ＿ｋ约为１５０ＭＰａ。３．高静液压力下ＳｉＣ＿ｐ