楊雅靜，李付國(guó)，袁戰(zhàn)偉

（西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

1 前言

SiCp/Al基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高剛度、耐疲勞、耐磨損、熱膨脹系數(shù)低、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性、較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)異的綜合性能，已成為具有廣泛使用價(jià)值的先進(jìn)復(fù)合材料。SiCp/Al基復(fù)合材料主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造，電子封裝以及一些新的工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。

2 增強(qiáng)顆粒特征及復(fù)合材料模擬研究方法

2.1 增強(qiáng)顆粒的特征研究

由于復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒第二相對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有著較大的影響，所以對(duì)其特征參數(shù)的表征（大小、分布、含量以及形狀等）就有必要深入系統(tǒng)的研究。目前，對(duì)顆粒特征所進(jìn)行的測(cè)量大都采用定量金相學(xué)方法。定量金相學(xué)是利用體視學(xué)原理，對(duì)金相磨面上的組織圖像進(jìn)行定量表證的方法，由此可以推斷出金相學(xué)組織的三維空間形貌，從而便于建立材料成分、組織與性能之間的定量關(guān)系。定量金相學(xué)分析方法主要包括三大類：計(jì)點(diǎn)法、線分析法和面分析法。其中，線分析法又包含MeCoy法和基體截距變化率法；而面分析法又包含了面積分?jǐn)?shù)變化率法、無(wú)顆粒區(qū)尺寸變化率法和Dirichlet區(qū)域法。此外，針對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定方法有：萃取法、X射線衍射內(nèi)標(biāo)法、內(nèi)耗法和超聲衰減法等[5]。增強(qiáng)顆粒分布及形狀特征是影響復(fù)合材料性能的一個(gè)非常重要的因素。分析現(xiàn)有研究，增強(qiáng)顆粒分布及形狀特征的定量描述，大多借助計(jì)算機(jī)或者人工手段在一維或者二維層面上對(duì)已有的金相圖片或者金相試樣進(jìn)行圖像分析，并利用體視學(xué)技術(shù)或者統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)表征，有時(shí)還會(huì)借助于計(jì)算機(jī)X射線分層照相技術(shù)對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行三維重建。

2.2 復(fù)合材料的數(shù)值模擬研究

目前，對(duì)于復(fù)合材料性能的研究主要采用試驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬方法。由于實(shí)驗(yàn)研究方法有一定的局限性，所以數(shù)值模擬技術(shù)日漸成為人們研究工程及科研問(wèn)題的重要手段。采用有限元模擬方法對(duì)于SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的建模研究較多，主要代表有Bao[6]等提出的軸對(duì)稱單元胞（Axisymmetric Unit Cell）模型（見圖 1）、Ghosh 等[7]提出的Voronoi法模型（見圖 2）、Chawla 等[9]采用的基于金相連續(xù)切片技術(shù)（Serial Sectioning）模型（見圖3）等。在以上建立的胞元模型基礎(chǔ)上，有限元分析方法就可以應(yīng)用到復(fù)合材料的宏、微觀性能分析與設(shè)計(jì)中，通過(guò)有限元計(jì)算可以獲得應(yīng)力、應(yīng)變等物理場(chǎng)變量，并通過(guò)均勻化方法獲得復(fù)合材料的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)（即本構(gòu)關(guān)系），也可以根據(jù)細(xì)觀量場(chǎng)進(jìn)一步研究復(fù)合材料的損傷破壞等問(wèn)題，從而能夠?qū)饘倩鶑?fù)合材料（MMC）的力學(xué)或物理性能等進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

圖1 軸對(duì)稱胞元模型[6]

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)的Voronoi單元模型[7]

圖3 連續(xù)切片技術(shù)建模流程圖[9]

2.3 復(fù)合材料的試驗(yàn)研究方法

目前，針對(duì)金屬基復(fù)合材料的主要試驗(yàn)研究方法有：宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)（熱模擬壓縮試驗(yàn)、單軸拉伸或壓縮試驗(yàn)、多軸拉伸或壓縮試驗(yàn)等）、顯微組織分析試驗(yàn)（光學(xué)金相OM、掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM等）和微納米壓痕試驗(yàn)。

宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)研究是應(yīng)用比較廣泛的一種試驗(yàn)方法，該方法不僅可以方便的獲得復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能，還可以和顯微組織分析試驗(yàn)方法相結(jié)合，進(jìn)而對(duì)宏觀性能的微觀機(jī)理做進(jìn)一步分析。張鵬等人[10]采用Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究15%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在溫度為713～773K、應(yīng)變速率為0.001～1s-1條件下的熱變形行為，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，引入Zener—Holomon參數(shù)建立了能夠用于描述復(fù)合材料高溫變形行為的本構(gòu)關(guān)系模型，通過(guò)分析比較和對(duì)本構(gòu)方程的進(jìn)一步優(yōu)化，提高了顆粒增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料本構(gòu)方程的擬合精度，使得計(jì)算值更接近于試驗(yàn)值。微納米壓痕技術(shù)是近十年發(fā)展起來(lái)的一種新的試驗(yàn)方法，其主要原理是在傳統(tǒng)微硬度計(jì)基礎(chǔ)上裝有測(cè)試壓痕力及壓痕深度的傳感器，這樣在加載和卸載過(guò)程中就可以測(cè)定壓痕力-壓痕深度的曲線，并由壓痕力-壓痕深度曲線確定材料的彈性模量及屈服強(qiáng)度。

3 增強(qiáng)顆粒SiC對(duì)SiCp/Al基復(fù)合材料性能影響

SiCp/Al復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能，出色的表現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。而這些區(qū)別于Al基體材料的性能源于增強(qiáng)相SiC顆粒的加入，增強(qiáng)相的加入會(huì)引起基體金屬的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化[11]，位錯(cuò)密度增加，亞晶尺寸減小等，從而對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響。因此SiC增強(qiáng)顆粒的特征和分布是對(duì)Al基復(fù)合材料性能改善的主要因素。下面主要綜述了SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)，顆粒的尺寸，顆粒的形狀和顆粒分布等對(duì)Al基復(fù)合材料性能的影響。

3.1 SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能影響

增強(qiáng)相顆粒體積分?jǐn)?shù)是顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化因素。對(duì)于SiCp/Al復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，由于顆粒與鋁基體有較好的相容性，顆粒的體積分?jǐn)?shù)可以在基體中按照任意比例制備及應(yīng)用，如10%～20%SiCp/Al基復(fù)合材料制造的缸套，性能與鑄鐵相似；中等體積分?jǐn)?shù)（～40%）SiCp/Al基復(fù)合材料可替代鈹材來(lái)制作慣性器件；而高體積分?jǐn)?shù)（60%～70%）SiCp/Al基復(fù)合材料則主用于電子封裝復(fù)合材料[1]。以上增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)在不同程度上影響著復(fù)合材料的微觀形態(tài)和力學(xué)性能。

增強(qiáng)顆粒的加入可以通過(guò)對(duì)基體金屬的顯微組織，如亞結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)、晶粒尺寸以及材料密度等的改變來(lái)改善和彌補(bǔ)基體金屬性能上的某些不足。研究表明，增強(qiáng)顆粒對(duì)金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制有位錯(cuò)強(qiáng)化、Orowan強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、亞晶強(qiáng)化等，因此顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)以上機(jī)制均有影響，如隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，位錯(cuò)密度增量正比例增加，從而對(duì)材料的屈服強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響?？偟膩?lái)說(shuō)隨著增強(qiáng)顆粒體積含量的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度提升越多，強(qiáng)化效果就越明顯[12]。

IA Ibrahim[4]等針對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)隨增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度不斷增加，而斷裂應(yīng)變則不斷降低。利用Halpin-Tsai經(jīng)驗(yàn)方程[13]（式（1））進(jìn)行預(yù)測(cè)，可知隨著增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的彈性模量快速增加。

式中，q=（Ep/Em-1）（Ep/Em+2）；Ec為復(fù)合材料的彈性模量；Em為金屬基體的彈性模量；Ep為增強(qiáng)顆粒的彈性模量；Vp為增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)；s為顆粒的長(zhǎng)徑比。

此外，賀春林、才慶魁等人[14]在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度等強(qiáng)度指標(biāo)有顯著的提高，而延伸率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)明顯下降。同時(shí)，徐緋等[15]采用數(shù)值分析手段以軸對(duì)稱體胞模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨增強(qiáng)顆粒含量的增加和應(yīng)變率的增大，金屬基復(fù)合材料的流動(dòng)應(yīng)力顯著提高。研究表明：當(dāng)顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料受到載荷作用時(shí)，應(yīng)力由基體通過(guò)界面?zhèn)鬟f給顆粒。當(dāng)顆粒受到的應(yīng)力足夠大時(shí)，復(fù)合材料將斷裂。文獻(xiàn)[16]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)不同，斷裂方式也明顯不同。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，斷口表現(xiàn)為顆粒與基體界面的脫黏以及基體韌性斷裂，而顆粒斷裂較少。說(shuō)明SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，其對(duì)基體強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限。當(dāng)SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，顆粒與界面斷口脫黏現(xiàn)象幾乎不發(fā)生，而更多的是顆粒斷裂；說(shuō)明顆粒起到明顯的承載作用，此時(shí)，增強(qiáng)顆粒對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)化效果明顯。

SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料的疲勞性能也有一定的影響。由于SiC顆粒的加入一方面引起了復(fù)合材料屈服強(qiáng)度的提高，從而加速疲勞裂紋的擴(kuò)展；另一方面引起復(fù)合料材疲勞裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的降低，從而延緩了疲勞裂紋的擴(kuò)展。李昆等人[17]研究不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)硬鋁LY12復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，疲勞裂紋大部分在基體中擴(kuò)展，其與SiC顆粒相遇的機(jī)會(huì)很小，此時(shí)疲勞裂紋在復(fù)合材料中擴(kuò)展的速率高于疲勞裂紋在基體中的擴(kuò)展速率。隨著SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高，疲勞裂紋與SiC顆粒相遇的機(jī)會(huì)增多，SiC顆粒對(duì)裂紋尖端基體變形抑制增強(qiáng)，塑性區(qū)尺寸逐漸減小，復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展抗力逐漸提高。只有SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)大于一定值（＞15%）時(shí)，疲勞裂紋在復(fù)合材料中的擴(kuò)展速率才會(huì)低于其在基體的擴(kuò)展速率，復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力才能優(yōu)于基體材料。

3.2 SiC顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料性能影響

SiC顆粒的加入能使復(fù)合材料的金屬基體晶粒減小，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。增強(qiáng)體顆粒的加入為基體材料提供了大量的異質(zhì)形核位置，使金屬基體凝固過(guò)程中形核率提高，同時(shí)顆粒增強(qiáng)體又會(huì)阻礙晶粒的長(zhǎng)大，因此復(fù)合材料的晶粒尺寸會(huì)明顯細(xì)化。研究發(fā)現(xiàn)[18-19]，增強(qiáng)體顆粒的尺寸對(duì)復(fù)合材料中基體的晶粒尺寸有很大影響。通常是顆粒尺寸越大，晶粒尺寸也越大。

文獻(xiàn)[14]中選用不同量級(jí)SiC顆粒作為增強(qiáng)體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒粒徑大到一定值時(shí)，增強(qiáng)機(jī)制主要為位錯(cuò)增強(qiáng)，且熱錯(cuò)配應(yīng)變松弛導(dǎo)致的基體中的位錯(cuò)密度增加和由此引起的強(qiáng)度增量可用式（2）和式（3）估算。當(dāng)SiC顆粒粒徑小于定值時(shí)，增強(qiáng)機(jī)制主要是Orowan強(qiáng)化。張廷杰等[37]研究表明細(xì)小尺寸（<1μm）的剛性顆粒加入將在Orowan強(qiáng)化、細(xì)化顯微組織和提高加工硬化率等方面對(duì)復(fù)合材料基體強(qiáng)化做出貢獻(xiàn)，從而提高復(fù)合材料強(qiáng)度。劉飛龍[20]等通過(guò)試驗(yàn)指出，在顆粒含量和應(yīng)變率相同的情況下，隨著顆粒的細(xì)化，即顆粒數(shù)目越多，顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料的屈服應(yīng)力越高，顆粒對(duì)金屬基體的增強(qiáng)效果越明顯。

式中，ρ為位錯(cuò)密度；α為幾何常數(shù)；VP為顆粒的體積分?jǐn)?shù)；d為粒子尺寸；b為柏氏矢量；σ為強(qiáng)度。

Lloyd[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于SiC顆粒增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料，在同樣的增強(qiáng)顆粒體積含量（15%）下，顆粒尺寸比較小的復(fù)合材料有較高的屈服應(yīng)力；晏義伍[12]對(duì)以純鋁為基體的不同粒徑的SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著顆粒尺寸的減小而增大，當(dāng)顆粒尺寸小于5μm時(shí)，這種影響非常顯著。以上這種由于顆粒尺寸而引起的應(yīng)變梯度強(qiáng)化效應(yīng)已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Xue等[21]利用應(yīng)變梯度塑性理論結(jié)合有限元單元胞模型對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了研究，指出隨著增強(qiáng)顆粒直徑的遞減，復(fù)合材料顯示出越來(lái)越強(qiáng)的尺寸效應(yīng)。增強(qiáng)顆粒尺寸效應(yīng)主要通過(guò)應(yīng)變梯度效應(yīng)來(lái)表現(xiàn)，而且應(yīng)變梯度有可能是控制材料變形與斷裂的重要因素之一，對(duì)于一定體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料協(xié)調(diào)小顆粒變形的幾何必需位錯(cuò)密度要比大顆粒要高。且增強(qiáng)顆粒越小，在變形時(shí)產(chǎn)生的幾何必需位錯(cuò)密度越高，應(yīng)變梯度也越大，強(qiáng)化效果也就越好，材料所能承受的極限載荷能力也越強(qiáng)。

此外，復(fù)合材料的加工硬化速率也隨增強(qiáng)顆粒尺寸的增大而減小。這是由于顆粒尺寸越大，顆粒所含的缺陷越多，同時(shí)單個(gè)顆粒承受的載荷也增大，導(dǎo)致復(fù)合材料在制備過(guò)程中的熱擠壓變形時(shí)，大顆粒發(fā)生斷裂的幾率增大。而在拉伸過(guò)程中，大顆粒也容易斷裂，使得增強(qiáng)顆粒的承載能力下降。因此，顆粒尺寸越大，復(fù)合材料的加工硬化率越小[12]。Wang等人[22]針對(duì)不同尺寸增強(qiáng)顆粒的金屬基復(fù)合材料的研究發(fā)現(xiàn)：小的增強(qiáng)顆粒對(duì)于復(fù)合材料有更好的強(qiáng)化作用，能明顯提高復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但卻降低了復(fù)合材料的延伸率。

熱殘余應(yīng)力是熱錯(cuò)配應(yīng)力經(jīng)位錯(cuò)環(huán)松弛后所剩余的應(yīng)力。顆粒尺寸主要通過(guò)影響熱錯(cuò)配應(yīng)力的松弛來(lái)影響熱殘余應(yīng)力的大小及分布。Lee[23]研究發(fā)現(xiàn)球形顆粒周圍塑性區(qū)域的大小受顆粒尺寸的影響較大，而當(dāng)錯(cuò)配應(yīng)變一定時(shí)，存在某一臨界顆粒尺寸，低于此臨界尺寸時(shí)將觀察不到塑性松弛現(xiàn)象。且當(dāng)小顆粒與基體為非共格時(shí)，有效屈服應(yīng)力與顆粒尺寸成反比。

基于Eshelby等效夾雜理論及Weibull統(tǒng)計(jì)分布，宋日文等[24]人發(fā)展了SiC/A1金屬基復(fù)合材料斷裂韌性與拉伸延性的力學(xué)模型。模型的解析解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：拉伸延性與斷裂韌性隨SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而減小。且在相同體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)顆粒情況下，拉伸延性與斷裂韌性隨SiC顆粒尺寸的增加而減小。R.Kitey[25]等的研究表明隨著顆粒尺寸的增加，復(fù)合材料的斷裂韌性將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值而后明顯降低。呂毓雄等[26]人對(duì)不同尺寸增強(qiáng)顆粒的金屬基復(fù)合材料研究發(fā)現(xiàn)，金屬基復(fù)合材料的斷裂形式不同，當(dāng)增強(qiáng)顆粒尺寸大于10μm時(shí)，材料的破壞歸因于SiC顆粒解理形成的裂紋；顆粒尺寸為3.5μm時(shí)，復(fù)合材料的破壞歸因于SiC-Al界面處撕裂形成的空洞。Flom和Arsenault[27]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)增強(qiáng)顆粒尺寸較小時(shí)（<2μm），顆粒本身斷裂的概率就很小。

SiCp/Al復(fù)合材料中，基體為Al，主要依靠自由電子傳遞熱量；增強(qiáng)相為SiC顆粒，主要依靠聲子傳熱。當(dāng)它們組成復(fù)合材料時(shí)，聲子和電子對(duì)熱傳導(dǎo)起共同作用[12]。文獻(xiàn)[28]研究發(fā)現(xiàn)隨著增強(qiáng)顆粒尺寸的增加，使得復(fù)合材料界面熱阻對(duì)復(fù)合材料性能的影響降低，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)熱率提高。這是由于金屬基復(fù)合材料單位體積中的界面面積減少的緣故；此外，當(dāng)顆粒尺寸小于1μm時(shí)，由于受到大量界面熱阻的作用，使得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率低于基體合金；只有顆粒平均尺寸足夠大時(shí)（＞10μm）時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率才能明顯高于基體材料。另外，增強(qiáng)顆粒尺寸對(duì)金屬基復(fù)合材料的熱膨脹行為也有特定的影響，但目前尚無(wú)統(tǒng)一定論。Ma等人[29]研究表明，顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料熱膨脹行為的影響不明顯；但Xu等[30]的研究指出，顆粒尺寸越小，復(fù)合材料界面越大，對(duì)界面處晶格畸變的影響越大，導(dǎo)致復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)減??；Elomari等人[31]針對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的熱膨脹性能研究也獲得了與之相似的結(jié)論。

3.3 SiC顆粒形狀對(duì)復(fù)合材料性能影響

對(duì)于增強(qiáng)顆粒幾何因素對(duì)復(fù)合材料性能影響的研究，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程困難較大，所以研究時(shí)多采用有限元模擬方法。Y.Li[32]等通過(guò)研究指出柱形夾雜物要比球形夾雜物的增強(qiáng)效果好，較高長(zhǎng)寬比的增強(qiáng)顆粒要比單位長(zhǎng)寬比的顆粒增強(qiáng)效果更好。徐緋等[15]采用數(shù)值分析手段針對(duì)軸對(duì)稱體胞模型開展研究，研究發(fā)現(xiàn)在不同的應(yīng)變范圍內(nèi)，柱形顆粒對(duì)復(fù)合材料性能的增強(qiáng)作用強(qiáng)于球形顆粒，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度柱形顆粒的尖角存在明顯的應(yīng)力集中，此處承受了很大的應(yīng)力，而球形顆粒的應(yīng)力分布在鋁合金和SiC顆粒之間過(guò)渡比較緩和、均勻。同時(shí)在高的增強(qiáng)顆粒體積含量的情況下，球形顆粒的應(yīng)變速率敏感性要比柱形顆粒強(qiáng)。徐娜等[33]采用平面應(yīng)變和軸對(duì)稱兩種單胞模型，分析研究了形狀不同的SiC增強(qiáng)顆粒對(duì)經(jīng)T6處理后的鋁基復(fù)合材料力學(xué)行為的影響，結(jié)果均顯示出：增強(qiáng)顆粒為多邊形狀的鋁基復(fù)合材料，隨著顆粒邊數(shù)的增大，顆粒的平均受力逐漸減小，從而復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度也逐漸降低。

秦蜀懿等[34-35]對(duì)SiC/LD2復(fù)合材料的有限元分析顯示，不同的顆粒形狀會(huì)對(duì)周圍基體產(chǎn)生不同分布的熱殘余應(yīng)變分布，尤其是在顆粒的尖角端，熱殘余應(yīng)力存在集中現(xiàn)象，且其程度隨顆粒尖銳角度的減小而增加。由于在尖角上應(yīng)力過(guò)大，且顆粒尖角處塑性應(yīng)變區(qū)明顯大于平直處，導(dǎo)致即使復(fù)合材料界面接合良好，顆粒尖角處即使在外加應(yīng)變水平較低時(shí)也會(huì)斷裂出孔洞，這些都是降低金屬基復(fù)合材料塑性的重要原因。

晏義伍[12]通過(guò)對(duì)圓形顆粒和方形顆粒增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的形狀對(duì)基體的Von Mises等效應(yīng)力分布有很大影響。以方形顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料基體中處于高應(yīng)力區(qū)域明顯比球形顆粒增強(qiáng)時(shí)多，并且方形顆粒的等效應(yīng)力分布較均勻，且方形顆粒增強(qiáng)后的熱殘余應(yīng)力使得復(fù)合材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和加工硬化率等均增加。但在其尖角處易形成應(yīng)力集中從而導(dǎo)致顆粒的斷裂，這對(duì)復(fù)合材料的性能反而不利。

3.4 SiC顆粒分布對(duì)復(fù)合材料性能影響

增強(qiáng)顆粒在基體中的分布同樣是影響材料性能的一個(gè)重要因素，均勻性越差的顆粒分布在基體中的割裂作用就越發(fā)明顯，從而在一定程度上消弱了增強(qiáng)顆粒的積極作用。Tszeng[36]利用等效法對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)基體中顆粒分布均勻性高時(shí)復(fù)合材料具有較高的屈服強(qiáng)度，較大的拉伸強(qiáng)度以及延伸率。顆粒的聚集會(huì)降低復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且顆粒聚集區(qū)域的應(yīng)力集中程度隨著聚集區(qū)長(zhǎng)徑比的增加而增加。Wang等[22]研究也發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒均勻分布的復(fù)合材料具有較高的屈服應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度和延伸率。但均勻性分布需要合理的生產(chǎn)工藝，如對(duì)于粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合材料：小的基體/顆粒比，以及較長(zhǎng)時(shí)間的混粉才有可能得到比較理想的均勻顆粒分布。

徐娜[33]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)顆粒均勻分布與隨機(jī)分布在彈性區(qū)域基本重合，即彈性模量基本相同，當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)均勻分布的彈性模量略高于隨機(jī)分布的彈性模量，且顆粒以方形均勻分布時(shí)的屈服強(qiáng)度均略高于顆粒隨機(jī)分布的屈服強(qiáng)度。但是隨著顆粒尺寸的逐漸減小，這兩種排布方式的影響逐漸變得不明顯。

同樣的研究也表明，增強(qiáng)顆粒的分布均勻性是嚴(yán)重影響顆粒斷裂的因素，原因是增強(qiáng)顆粒的分布影響基體中三向應(yīng)力值和基體塑性變形的具體行為[37-38]。P.Ganguly等[39]通過(guò)有限元模擬研究表明：增強(qiáng)顆粒偏聚處的顆粒將會(huì)受到較大的內(nèi)部應(yīng)力，這些地方將是材料破壞的起始位置，也是最容易引起金屬基復(fù)合材料破壞的增強(qiáng)顆粒聚集形式。因此，要制備出性能良好的復(fù)合材料，就需要對(duì)增強(qiáng)顆粒在基體中的均勻分布進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[40]講述了機(jī)械攪拌鑄造法制備的SiCp/6061Al復(fù)合材料中，影響SiC顆粒分布均勻性的因素有：預(yù)處理，氣流量，攪拌溫度，攪拌速度和攪拌時(shí)間等，這些工藝參數(shù)值得進(jìn)一步研究與優(yōu)化。

3.5 SiC顆粒與基體界面對(duì)復(fù)合材料性能影響

金屬基復(fù)合材料界面，乃至所有復(fù)合材料界面都是場(chǎng)量在復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體間傳遞的媒介，復(fù)合材料界面的性質(zhì)在很大程度上決定了復(fù)合材料的性能。復(fù)合材料界面的功能特性主要表現(xiàn)為：①傳遞功能，界面是基體與增強(qiáng)體之間傳遞場(chǎng)量的橋梁；②阻斷功能，界面適當(dāng)?shù)恼尺B強(qiáng)度有阻斷裂紋擴(kuò)展的功能；③吸收和散射效應(yīng)，對(duì)一般振動(dòng)阻尼復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，界面具有吸收和散射振動(dòng)波的功能。

王水兵等人[41]將顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中的界面層和增強(qiáng)顆粒視為等效增強(qiáng)體，并針對(duì)SiCp/Al基復(fù)合材料，計(jì)算了界面厚度和界面強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料彈性模量及界面阻尼的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論增強(qiáng)體中是否計(jì)入了界面體積，彈性模量隨界面層厚度的減薄而增加，并隨界面結(jié)合強(qiáng)度的提高而提高；而復(fù)合材料的界面阻尼則與此相反；當(dāng)增強(qiáng)體中計(jì)入界面體積時(shí)，較厚的界面對(duì)彈性模量和界面阻尼的影響較大。且理論研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，從而為實(shí)際制備復(fù)合材料時(shí)控制界面提供了科學(xué)依據(jù)。Zhang等人[42]利用嵌入單元法和有限元法相結(jié)合，對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面的硬度、厚度和脫粘位置等進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示硬界面顯著提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，軟界面顯著降低了復(fù)合材料的強(qiáng)度，但對(duì)脫粘位置的影響無(wú)規(guī)律。極點(diǎn)脫粘導(dǎo)致復(fù)合材料整體強(qiáng)度下降嚴(yán)重，而赤道脫粘則影響較小。界面-基體脫粘比界面-顆粒脫粘對(duì)材料性能的影響更大。張亞芳等人[43]從細(xì)觀尺度分析了考慮界面情況下的顆粒增強(qiáng)脆性基復(fù)合材料在單軸拉伸過(guò)程中的損傷破壞機(jī)制，模擬了裂紋萌生、擴(kuò)展直至貫通性破壞的全過(guò)程。研究表明，當(dāng)界面結(jié)合較強(qiáng)時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度高，但韌性差；而當(dāng)界面結(jié)合較弱時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度弱，但韌性好，說(shuō)明較強(qiáng)的界面可有效傳遞荷載，而較弱的界面則可提升復(fù)合材料的韌性。

綜上分析，界面的微觀結(jié)構(gòu)及性能對(duì)復(fù)合材料的性能有著重要影響，因此對(duì)于界面微觀結(jié)構(gòu)的研究有著重要意義。黃大千等人[44]通過(guò)對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)Al2024基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面觀察發(fā)現(xiàn)，SiCp和基體之間的界面有多種形態(tài)，多數(shù)界面是平滑的，有的界面非常平直，但還有少數(shù)是鋸齒形的。增強(qiáng)顆粒與基體間的界面多由SiC顆粒原料決定，而部分界面則可能由SiC顆粒的邊緣與液態(tài)鋁溶解及生長(zhǎng)作用形成。在所研究的SiC顆粒增強(qiáng)Al2024基復(fù)合材料界面上存在著沉淀相，主要為CuAl2、Cu2Mg8SiAl5、（Mn，F(xiàn)e）4SiAl12。 Wang[45]針 對(duì) SiCp/Al6061顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面，通過(guò)多種方式進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)界面基體中的構(gòu)成相為Al15（Mn，F(xiàn)e，Cu）3Si2，晶格類型為BCC，晶格常數(shù)為1.28nm，SiC顆粒包含六邊形結(jié)構(gòu)的α-SiC和立方體結(jié)構(gòu)的β-SiC。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了界面反應(yīng)物為MgAl2O4和MgO。王文明等人[46]對(duì)Al合金液與SiC顆?？赡艽嬖诘慕缑婊瘜W(xué)反應(yīng)，界面反應(yīng)過(guò)程和界面反應(yīng)的模型等做了總結(jié)。同時(shí)指出界面反應(yīng)與制備工藝過(guò)程和參數(shù)的關(guān)系規(guī)律，并由此提出可以通過(guò)基體合金化、SiC顆粒表面處理、工藝選擇及工藝參數(shù)控制等技術(shù)手段來(lái)控制界面反應(yīng)，從而改善界面狀態(tài)以達(dá)到提高復(fù)合材料性能的目的。此外，隋賢棟等人[47]以ZL109合金為基體，國(guó)產(chǎn)的綠碳化硅顆粒為增強(qiáng)體進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在靠近SiC的界面層存在厚度小于1μm的“亞晶鋁帶”，它緊靠SiC表面形成，與遠(yuǎn)離SiC的Al基體有幾度的位向差。這層“亞晶鋁帶”對(duì)界面性能起到了關(guān)鍵性的作用，因?yàn)榻缑娴慕Y(jié)合實(shí)際上是“亞晶鋁帶”與SiC的結(jié)合，“亞晶鋁帶”與SiC的結(jié)合力就是SiC/Al界面的結(jié)合力。在SiC/Al界面的這層“亞晶鋁帶”內(nèi)可以看到大量的位錯(cuò)，它比遠(yuǎn)離界面的基體中的位錯(cuò)密度要高許多。而且“亞晶鋁帶”的組織結(jié)構(gòu)要比遠(yuǎn)離界面的基體組織復(fù)雜。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)以SiCp/Al基復(fù)合材料為代表的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料有了較深入的研究，從而使其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中得到了更進(jìn)一步的應(yīng)用。但是關(guān)于SiC顆粒的特性及其對(duì)金屬基復(fù)合材料性能的影響了解的還不是很全面，如在有限元建模時(shí)對(duì)復(fù)合材料界面的考慮較少，復(fù)合材料制備加工和成形過(guò)程中的組織形成機(jī)制及演化規(guī)律等還有待系統(tǒng)研究。另外增強(qiáng)體顆粒尺寸對(duì)位錯(cuò)密度及復(fù)合材料彈性模量的影響規(guī)律說(shuō)法不一，對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律還不夠系統(tǒng)，這在一定程度上制約了SiCp/Al基復(fù)合材料的更廣泛應(yīng)用。同時(shí)對(duì)SiCp/Al基復(fù)合材料的加工工藝、焊接性和防腐等方面的研究有待加強(qiáng)，從而有利于充分發(fā)揮SiCp/Al基復(fù)合材料為代表的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料性能潛力。

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