【正文】 拋光粉；拋光膏等。待試樣在顯微鏡下可以看到清晰地組織且無劃痕即拋光完成，拋光過程中應(yīng)控制拋光力度，防止試樣表面產(chǎn)生較大劃痕。拋光膏的均勻性及用量也應(yīng)特別注意，防止拋光膏嵌在試樣的表面。 觀察顯微組織 將拋光好的試樣放在顯微鏡下進(jìn)行拍照并觀察其顯微組織。此過程采用的實(shí)驗(yàn)儀器為德國 Axio ，該顯微鏡由光學(xué)系統(tǒng)、反射光照明器、聚 焦系統(tǒng)、物鏡轉(zhuǎn)換器、觀察筒和載物臺等部分組成，蔡司光學(xué)顯微鏡可以在 50X、 100X、 200X、 500X 和 1000X 下觀察金相組織并拍攝圖像，同時可進(jìn)行金相組織的分析，如：相面積含量測定、晶粒度的測定及評級、第二相的數(shù)量等。本實(shí)驗(yàn)涉及到的每個試樣分別在 50 倍、 100 倍、 200 倍、 500 倍和 1000倍的放大倍數(shù)下進(jìn)行拍照。 測量試樣的維氏硬度 將球磨 1 小時、 900℃ 燒結(jié)， 分別經(jīng) 200MPa、 300MPa、 200MPa 和 500MPa壓制壓力成型的試樣在維氏硬度計上測量其維氏硬度，并記錄數(shù)據(jù)。通過此實(shí)驗(yàn)過程可以找出最佳的壓制壓力，以確定該材料的最佳生產(chǎn)工藝。本實(shí)驗(yàn)采用的維氏硬度計為 HVS30Z/LCD 型維氏硬度計。 第三章 試驗(yàn)結(jié)果及 分析 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組分 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組分復(fù)合材料的原材料包括基體材料和增強(qiáng)材料，所以顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組分為基體和增強(qiáng)體兩部分。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 15 基體 基體基本上按原材料的類別區(qū)分，即高聚物（樹脂）基、金屬基、陶瓷基、玻璃與玻璃陶瓷基、碳基（包括石墨基）和水泥基等。基體是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要承載組分，對材料的性能具體決定性影響。所以一般選擇使用高強(qiáng)度的鋁合金為基體?；w是為復(fù)合材料中起到粘接增強(qiáng)體成為整體并轉(zhuǎn)遞載荷到增強(qiáng)體的主要組分之一。基體的作用是：固結(jié)增強(qiáng)體、傳遞和承受載荷、賦予復(fù)合材料以特定的形狀?；w是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要承載組分，對材料的性能具體決定性影響?；w材料成分的正確選擇，對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物的性能特點(diǎn)，獲得預(yù) 期的優(yōu)異綜合性能滿足使用要求十分重要。所以在選擇基體金屬時應(yīng)考慮一下幾方面： （ 1）根據(jù)金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用要求是選擇金屬基體材料的重要依據(jù)。 （ 2）根據(jù)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)選用不同類型的增強(qiáng)材料對基體材料的選擇有較大影響。 （ 3）基體金屬與增強(qiáng)物的相容性合金元素與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需要選用鋁基合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物侵潤復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面合金元素。 圖 31 AlSi基體 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 16 增強(qiáng)基體 增強(qiáng)體為復(fù)合材料中承受載荷的組分按幾何形狀來分，增強(qiáng)體有零維的顆粒狀、一維的纖維狀、二維的片狀和三維的立體結(jié)構(gòu)。如圖 1所示，即為增強(qiáng)體在顯微鏡下形狀。 圖 32增強(qiáng)體 按屬性來分則有無機(jī)增強(qiáng)體和有機(jī)增強(qiáng)體，其中有合成的也有天然的。主要的增強(qiáng)體是纖維狀的，如無機(jī)的玻璃纖維、碳纖維，還有少量碳化硅等陶瓷纖維，有機(jī)的則有芳酰胺纖維 (芳綸 )。二維的布和氈也是常用的增強(qiáng)體，其中玻璃、碳以及芳綸都有。正在發(fā)展三維異形織物，適合于各種復(fù)合材料型材和整體件的需要。天然的植物纖維和礦物纖維、片材和顆粒也用來作增強(qiáng)體，但僅適合于低性能的復(fù)合材料。而高性能的增強(qiáng)體雖然產(chǎn)量不大，但其性能已經(jīng)很高，例如圖 2所示，碳纖維的密度只有 ，但其拉伸強(qiáng)度為 3～ 5GPa、拉伸模量為200～ 700GPa，芳綸密度為 ／ cm3，拉伸模量為 120～ 150GPa。 溫度分別為700℃、 710℃、 720℃、 730℃、 740℃、 750℃、 760℃、 770℃、 780℃ 9個溫度區(qū)間下，研究對 ZL101復(fù)合材料流動性的影響。不同溫度對 ZL101復(fù)合材料流動性測試結(jié)果如圖 312所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 17 圖 33 復(fù)合材料流動性測試結(jié)果如圖 從圖 33 可以看出，隨著 溫度的升高， 鋁基材料的增強(qiáng)基體顯著提高，當(dāng) 溫度從 700℃提高到 720℃ 時， 試樣的長度由 316mm增加到 601mm ， 流動性大大提高，當(dāng)溫度從 730℃升高到 750℃時，流動性試樣長度反而縮短，當(dāng)溫度從 750℃升高到 780℃時，流動性試樣長度又顯著增加。圖 35 中可以看出， 溫度小于 720℃，合金的流動性提高，澆注溫度在 730～ 750℃之間時合金的流動性反而降低，當(dāng)溫度高于 750℃ 時，鋁基氧化材料 的流動性提高。圖 34 為不同 溫度下 的 增強(qiáng)基體鋁基顆粒的金相組織 。 (a) (b) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 18 (a) 700℃ 。 (b) 710℃ 。 (c) 720℃ 。 (d) 730℃ 。 (e) 740℃ 。 (f) 750℃ 。 (g) 760℃ 。 (h) 770℃ 。 (i) 780℃ 。 (j) 700℃ 圖 34 溫度下的增強(qiáng)基體鋁基顆粒的金相組織 (c) (d) (e) (f) (i) (g) (h) (j) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 19 (a) 700℃ 。 (b) 710℃ 。 (c) 720℃ 。 (d) 730℃ 。 (e) 740℃ 。 (f) 750℃ 。 (a) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (b) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 20 (g) 770℃ 。 (h) 730℃ 圖 35 溫度下的增強(qiáng)基體鋁基顆粒的金相組織 根據(jù)軟硬程度，顆粒增強(qiáng)體可分為兩種。一種是硬質(zhì)的陶瓷顆粒，加入到鋁合金基體中可顯著提高材料的硬度、耐磨度、抗變形能力和熱膨脹性能。另一種是軟質(zhì)顆粒，如石墨。大部分軟質(zhì)顆粒是優(yōu)良的潤滑體，軟質(zhì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的耐磨性和減振性能 [1]。 顆粒增強(qiáng)體通過兩種機(jī)制產(chǎn)生增韌效果： （ 1）當(dāng)材料受到破壞力時，裂紋尖端處的顆粒發(fā)生顯著變化，如晶型轉(zhuǎn)變、體積變化、微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展等。它們消耗能量，提高了材料的韌性。 （ 2）材料中的第二相顆粒使裂紋的擴(kuò)展路徑發(fā)生改變，如裂紋偏轉(zhuǎn)、彎曲、分叉、橋接和釘扎等 ，從而產(chǎn)生增韌效果。 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的機(jī)理 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是以純鋁或鋁合金為基體，復(fù)合添加一定的顆粒增強(qiáng)相而成的。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理沿用的是彌散強(qiáng)化型合金的理論，并且從位錯運(yùn)動的角度分析 [2]。在外加剪切應(yīng)力 σ的作用條件下，當(dāng)基體金屬中的位錯所受到的力達(dá)到臨界應(yīng)力而發(fā)生運(yùn)動，即基體金屬發(fā)生塑形變形。如果位錯運(yùn)動受到增強(qiáng)顆粒的阻礙，就會產(chǎn)生位錯塞積，從而使增強(qiáng)顆粒受到一個較大的應(yīng)力。塞積位錯越多，該應(yīng)力就越大。根據(jù)研究結(jié)果表明 [2]，顆粒的直徑、間距以及體積分?jǐn)?shù)之間必須滿足下列關(guān)系式，否則顆粒將不存在任何強(qiáng)化作用。DP=(2dP/3VP)1/2(1VP) （ 1）式中： DP為顆粒之間的間距； dP為顆粒的直徑； VP為顆粒的體積分?jǐn)?shù)。 在澆注溫度分別為 700℃、 710℃、 720℃、 730℃、 740℃、 750℃、 760℃、770℃、 780℃ 9個溫度區(qū)間下，復(fù)合材料流動性的影響測試結(jié)果如圖 36所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 21 圖 36 不同澆注溫度對復(fù)合材料流動性影響 (a) (c) (d) (b) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 22 (a) 700℃ 。 (b) 710℃ 。 (c) 720℃ 。 (d) 730℃ 。 (e) 740℃ 。 (f) 750℃ 。 (g) 760℃ 。 (h) 770℃ 。 (i) 780℃ 。 (j) 740℃ 圖 37 不同澆注溫度下 鋁基 合金 顆粒 組織 的變化 體金屬發(fā)生塑形變形。如果位錯運(yùn)動受到增強(qiáng)顆粒的阻礙，就會產(chǎn)生位錯塞積，從而使增強(qiáng)顆粒受到一個較大的應(yīng)力。塞積位錯越多，該應(yīng)力就越大。根據(jù)研究結(jié)果表明 [2]，顆粒的直徑、間距以及體積分?jǐn)?shù)之間必須滿足下列關(guān)系式，否則顆粒將不存在任何強(qiáng)化作用。 (e) (f) (g) (h) (i) (j) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 23 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的性能 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能主要取決于鋁合金的種類，增強(qiáng)體的特性、含量、分布，以及界面狀態(tài)等。因此，基體和增強(qiáng)體的選擇對顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能起到?jīng)Q定性因素。為了使得到的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的具有較高的比模量和比強(qiáng)度，通常會在基體中加入高強(qiáng)度、高模量的陶瓷顆粒。由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中鋁或鋁合金的含量較高，體積分?jǐn)?shù)一般在 80%90%[3]，因此，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材具有良好的導(dǎo)熱性。增強(qiáng)體的選擇與加入，決定了材料的彈性模量和強(qiáng)度，但也往往的降低了延伸率，表 1為 %顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料在熱處理下的溫室力學(xué)性能與鋁合金的比較。通過對比可以發(fā)現(xiàn)， %SiC顆粒增強(qiáng) ZL101基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度以及彈性模量都要遠(yuǎn)比 ZL101要高了很多。增強(qiáng)體通過五種強(qiáng)化機(jī)制對顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能產(chǎn)生了影響，即固溶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和應(yīng)變硬化作用 [4]。強(qiáng)化機(jī)制對材料性能的影響程度應(yīng)根據(jù)材料的種類和不同的變形階段來確定，因此很難進(jìn) 行精密和準(zhǔn)確的分析。 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度是協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果。協(xié)同效應(yīng)反映了組分材料的原位特性，即各組分單獨(dú)存在時的性能不能表征組成復(fù)合材料后的性能。目前協(xié)同效應(yīng)的力學(xué)模型和基本規(guī)律尚未充分建立，對其進(jìn)行理論分析的難度很大。強(qiáng)度問題的復(fù)雜性來源于組分的各向異性、不規(guī)則分布和不同的破壞模式，包括增強(qiáng)體的種類、含量和均勻分布程度，基體合金的種類和熱處理狀態(tài)，界面結(jié)合的性質(zhì)和強(qiáng)弱，裂紋生長的干預(yù)等。增強(qiáng)體偏聚團(tuán)是裂紋源，在材料受載時將加快裂紋的擴(kuò)展。制備技術(shù)的不同將導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的差異，如亞晶粒和位錯密度的大小 等也會影響材料的強(qiáng)度。同時，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度和破壞方式具有一定程度的隨機(jī)性。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的最大缺點(diǎn)在于延伸率低，造成其延伸率低的主要原因是由于復(fù)合材料的斷裂方式與基體不同。材料受載時，粗大的顆?？赡艹蔀榱鸭y源。對于弱強(qiáng)度結(jié)合的界面，容易發(fā)生界面脫離，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。脆性金屬間化合物也會導(dǎo)致材料的延伸率下降 [5]。 總體而言，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能包括高比強(qiáng)度、比強(qiáng)度、彈性模量、耐磨性、線性膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、高溫性能穩(wěn)定、疲勞性和斷韌性好、不老化以及氣密性還、二次加工性能較好 流動性 影響曲線如圖 310所示 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 24 圖 310 復(fù)合材料的流動性影響曲線 制備溫度下，顆粒與鋁液之間常常發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的產(chǎn)物對界面性能有很大的影響。一方面，適度的界面反應(yīng)能增強(qiáng)潤濕性，提高界面的結(jié)合度。但過度的界面反 應(yīng)使得界面脆弱，嚴(yán)重降低了擦了的性能。而且生成的產(chǎn)物經(jīng)常為材料的開裂源。因次，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)念w粒、基體組合、控制反應(yīng)溫度、調(diào)整改善顆粒表面的潤濕性，把界面反應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。根據(jù)復(fù)合材料強(qiáng)度的混合定