張曉波, 張全鑫

(1. 蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不斷向大型化、高速化和輕量化的驅(qū)動邁進,復(fù)合材料的研究進程和應(yīng)用范圍已成為衡量一個行業(yè)科技先進水平的重要標志[1].鋁基復(fù)合材料憑借其高比強度、低密度、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異的綜合性能,近些年在軍事、航空、航天以及民用領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用[2-3].與其他金屬基復(fù)合材料相比,鋁基復(fù)合材料可成型性高且是一種環(huán)境友好型材料,從而引起了眾多研究者的關(guān)注[4-5].通過外加法添加SiC、Cu、W、Mn、Al2O3、WC等硬質(zhì)顆粒作為增強體來制備鋁基復(fù)合材料是一種普遍思路[6-7].在過去的幾十年中,傳統(tǒng)的Al/Cu多層復(fù)合材料制備方法主要包括擴散焊接法、爆炸焊接法和軋制復(fù)合法[8-10].考慮到設(shè)備要求低、制備工藝相對簡單以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢,采用軋制工藝制備Al/Cu多層復(fù)合材料是一種理想的選擇.截至目前,許多研究者已經(jīng)采用軋制方法制備了Al/Cu復(fù)合材料,并對其組織演變和力學(xué)性能進行了研究[11-12].

鑒于多層復(fù)合材料變形行為與斷裂破壞間的微妙關(guān)系,原位拉伸實驗是一種必不可少的研究手段[13].Kumar等[14]通過掃描電子顯微鏡(SEM)下的一系列原位拉伸實驗,報道了多層復(fù)合材料的裂紋萌生和擴展過程.同樣,Haddad等[15]也利用原位觀察手段對材料的變形和斷裂行為進行了研究.因此,原位拉伸實驗是分析材料微觀結(jié)構(gòu)演變與力學(xué)性能之間特殊相關(guān)性的重要實驗手段.本文通過對比分析冷軋與熱軋條件下以銅網(wǎng)格增強Al/Cu復(fù)合材料的原位拉伸實驗,研究鋁銅復(fù)合材料微觀組織演變、變形行為、斷裂破壞機理與力學(xué)性能之間的關(guān)系.

1 實驗

1.1 材料與制備過程

基體材料為牌號1060的商業(yè)純鋁板,其平均厚度為2 mm.

增強體材料：T2紫銅纖維網(wǎng)格.纖維網(wǎng)格由絲徑為35 μm的紫銅絲以正交法致密編織而來,其目數(shù)為350目,平均厚度為50 μm.纖維銅網(wǎng)格的SEM結(jié)構(gòu)如圖1所示.兩種材料的化學(xué)成分見表1.

首先,將Al-1060薄板和350目銅網(wǎng)沿其長寬方向按照100 mm×50 mm的尺寸進行剪裁.為了消除殘余應(yīng)力,提高粘結(jié)質(zhì)量,通常將Al-1060板材放置在箱式電爐中加熱至350 ℃進行退火處理2 h.為了將剪裁過程中殘留在鋁板及銅網(wǎng)上的油漬、汗液、灰塵等污染物去除或溶解,需將其置于丙酮溶液中并使用超聲波清洗機反復(fù)清洗.為了徹底去除殘留在Al-1060板上的化學(xué)污染物(氧化膜、腐蝕殘渣等),使用直徑為0.3 mm的不銹鋼鋼刷沿板材的原始軋制方向反復(fù)打磨,直至板材表面出現(xiàn)锃亮的金屬光澤.隨后,將三片Al-1060板和兩片銅網(wǎng)以交替間隔的組合順序(Al-Cu-Al-Cu-Al)疊合在一起,疊合好的五層組胚厚度為6.01 mm,并用細鐵絲將其兩端固定.

為了提高Al/Cu界面的結(jié)合強度,將待結(jié)合的鋁層和銅層接觸面均勻且充分預(yù)熱,并保證鋁原子和銅原子在短時間內(nèi)發(fā)生原子互擴散,根據(jù)初始鋁板及組胚厚度設(shè)定預(yù)熱溫度為400 ℃,保溫時間為35 min.即整個熱軋過程是將組胚置于電阻爐中以400 ℃進行預(yù)熱35 min后進行,而冷軋過程是在室溫(25 ℃)下進行.最后,采用軋輥直徑為180 mm的軋機進行軋制實驗,設(shè)定軋制速度為10 r/min,且沒有使用任何潤滑劑,以61%的壓下量軋制變薄后便可制備出銅網(wǎng)格增強的Al/Cu復(fù)合板.

1.2 原位拉伸實驗

在場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,Quanta 450FEG)配備的原位拉伸臺上進行原位拉伸實驗.首先,采用電火花線切割慢走絲方法,沿Al/Cu復(fù)合薄板的軋制方向切割原位拉伸試樣.原位拉伸試樣的具體尺寸如圖2所示,試樣標距部分的長度和寬度分別為4 mm和2 mm.原位觀察平面為Al/Cu復(fù)合板軋制方向與法向構(gòu)成的RD-ND平面,該平面是通過機械研磨、拋光和電化學(xué)拋光等一系列工序制備而成.當出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)變化等特征區(qū)域時,應(yīng)立即暫停原位拉伸載荷,以便于掃描電鏡圖像的采集和拍攝.為保證更全面地觀察Al/Cu復(fù)合板的變形和裂紋萌生、擴展行為,整個拉伸過程的拉伸速度設(shè)定為0.05 mm/min.

2 結(jié)果與分析

2.1 原位拉伸曲線特征分析

圖3所示為兩種不同軋制條件(冷軋和熱軋)下制備的Al/Cu多層復(fù)合材料的原位拉伸載荷-位移曲線.整體來看,兩條曲線的變化趨勢相似,均表現(xiàn)出了明顯的彈性階段、塑性階段和失效階段.另外,為了便于獲取特征區(qū)域的掃描電鏡照片,通常暫停了原位拉伸的加載載荷,導(dǎo)致拉伸曲線上出現(xiàn)載荷跌落的現(xiàn)象.由圖3a可以看出,冷軋條件下原位拉伸試樣的極限載荷和最大位移分別為217 N和2.16 mm.當拉伸載荷小于181 N時,根據(jù)虎克定律,曲線線性上升的部分稱為鋁銅復(fù)合板的彈性變形階段.在載荷繼續(xù)增加到極限載荷的過程中,試樣開始發(fā)生塑性變形.在此之后,伴隨著微裂紋的萌生、擴展和長大,當載荷從217 N減小到130 N時,試樣最終斷裂.然而,在熱軋狀態(tài)下(如圖3b所示),試樣的極限載荷和最大位移分別達到256 N和2.75 mm.可以發(fā)現(xiàn),熱軋試樣原位拉伸結(jié)果表現(xiàn)出的極限載荷和最大位移均優(yōu)于冷軋試樣,其主要原因是鋁銅擴散層的形成以及金屬鋁板在熱軋過程中表現(xiàn)出良好的流變特性,變形抗力低,極大降低了軋制變形的能耗.由此可知,400℃熱軋工藝是一種同時提高纖維銅網(wǎng)格增強Al/Cu多層復(fù)合材料強度和塑性的方法.

2.2 變形過程的動態(tài)觀察

圖4描述的是冷軋條件下Al/Cu復(fù)合材料在不同載荷下的拉伸變形過程.經(jīng)61%的軋制變形后,銅網(wǎng)格被破碎成圓形和細長條兩種形狀,并以交替間隔的順序均勻分布在鋁基體中(如圖4a所示).在圖4b中,當拉伸載荷增加至190 N時,可以看到輕微的界面分層,但整個樣品的形貌沒有明顯變化.此外,可以發(fā)現(xiàn)微裂紋最有可能在銅顆粒周圍和應(yīng)力集中處萌生.從圖4c可以看出,試樣已經(jīng)進入屈服階段,其表面可以清晰地觀察到許多線條,通常稱為滑移線.隨著拉伸載荷的持續(xù)增大和變形過程的繼續(xù)進行,試樣開始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.頸縮的直接原因是Al/Cu復(fù)合材料以位錯形式轉(zhuǎn)移到其他位置后發(fā)生的局部大變形.拉伸過程發(fā)展到強化階段(如圖4d所示)后,結(jié)合界面處的微裂紋明顯繼續(xù)擴展并相互連接.如圖4d中虛線框所示,隨著原位拉伸過程的持續(xù)進行,滑移帶逐漸在主裂紋附近出現(xiàn).其主要原因是整個變形過程是不連續(xù)的,滑移層數(shù)增加,意味著整個滑移帶的滑移量增加.一般來說,主裂紋通過以自身擴展的方式或與周圍裂紋連接的方式而擴展.在圖4e中,隨著拉伸載荷從極限拉伸載荷(217 N)逐漸減小至170 N,主裂紋迅速擴展,裂紋間距尺寸迅速增大,主要表現(xiàn)為：裂紋1高0.14 mm,寬0.83 mm,裂紋2高0.18 mm,寬1.07 mm.從圖4f可以看出,拉伸試樣處于完全失穩(wěn)的狀態(tài),最終當拉伸載荷為130 N時,試樣表現(xiàn)出明顯的斷裂特征,其斷裂路徑沿滑移線和單軸拉伸方向呈45°.

圖5描述了熱軋條件下Al/Cu復(fù)合板的原位拉伸變形行為.在圖5a中,圓形和細長條形狀的銅顆粒與鋁基體結(jié)合狀態(tài)良好,且結(jié)合面上沒有出現(xiàn)任何開裂的現(xiàn)象.從圖5b可以看出,隨著載荷增加至250 N,處在塑性變形階段的Cu顆粒周圍開始出現(xiàn)微裂紋.當載荷從最大值(256 N)減小至229 N時,試樣的高度尺寸明顯減小,宏觀表現(xiàn)為圖5c中的頸縮現(xiàn)象.觀察圖5d,當拉伸載荷降低至200 N時,試樣在較大的拉伸變形后出現(xiàn)了許多裂紋和嚴重的塑性變形區(qū).由此可知,經(jīng)軋制破碎后細小且均勻分布的銅顆粒能有效阻止和抑制裂紋的進一步擴展.此外,熱軋條件為Al/Cu層狀復(fù)合材料提供了較好的結(jié)合強度,從而使熱軋試樣能夠承受比冷軋復(fù)合板試樣更大的塑性變形.如圖5d所示,主裂紋1沿滑移線方向進一步擴展并最終與鄰近的Al/Cu結(jié)合界面上的主裂紋2連接貫通.最后,當拉伸載荷減小至140 N時,試樣表現(xiàn)出明顯的斷裂特征,且斷裂位置與斷裂特征跟冷軋態(tài)試樣表現(xiàn)出相似的變化趨勢,即斷裂路徑和單軸拉伸方向呈45°.

2.3 斷口形貌分析

圖6描述了不同軋制條件下Al/Cu復(fù)合板的原位拉伸斷口形貌.觀察圖6a和6d中的宏觀斷口,Al/Cu結(jié)合界面清晰可見,并可以發(fā)現(xiàn)界面處存在明顯的分層現(xiàn)象.然而,冷軋條件下試樣的界面分層程度較熱軋態(tài)試樣更為嚴重,這是因為熱軋條件可以為Al/Cu界面的結(jié)合提供更好的軋制結(jié)合力.較高的界面結(jié)合強度可以抵消應(yīng)力集中區(qū)的拉應(yīng)力,因此,熱軋試樣的界面分層程度在圖6d中較弱.

從圖6e可以看出,復(fù)合板RD-ND平面上的銅顆粒在結(jié)合界面上均勻分布,這可以抑制周圍應(yīng)力集中區(qū)裂紋的擴展,所以熱軋態(tài)復(fù)合板表現(xiàn)出更好的塑性,這一結(jié)果與載荷-位移曲線(如圖3所示)一致.熱軋復(fù)合板表現(xiàn)出較高的界面結(jié)合強度以及銅增強體顆粒更加均勻的分布性,這對提高鋁銅復(fù)合板的綜合力學(xué)性能有積極作用.從圖6c和6f可以看出,在Al層的斷裂面上可以發(fā)現(xiàn)大量的剪切韌窩和孔洞,說明復(fù)合板在拉伸斷裂過程中的變形主要集中在Al層,這呈現(xiàn)出典型的塑性斷裂特征.這一結(jié)果與Al/SiC、Al/Cu等層狀復(fù)合材料的斷裂特征類似,其主要原因可以歸結(jié)為鋁的本質(zhì)屬性(立方晶體結(jié)構(gòu))[16].由圖6f可知,熱軋狀態(tài)下的韌窩分布均勻,韌窩形狀為非圓形,且韌窩深度比冷軋態(tài)的深.因此,在發(fā)生斷裂破壞之前,斷裂特征表現(xiàn)出較好的延展性.綜上所述,熱軋條件對提高銅網(wǎng)增強Al/Cu復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能具有重要作用.

3 結(jié)論

1) 在相同軋制變形量下,25 ℃冷軋和400 ℃熱軋均可實現(xiàn)各基體鋁板的界面結(jié)合,且復(fù)合板原位拉伸載荷-位移曲線均表現(xiàn)出明顯的彈性階段、塑性階段和失效階段.但熱軋試樣較冷軋試樣表現(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)性能,其極限載荷和最大位移分別為256 N和2.75 mm.由此發(fā)現(xiàn),熱軋方法可使Al/Cu復(fù)合材料的強度和塑性同時提高.

2) 在Cu顆粒周圍和應(yīng)力集中處微裂紋萌生,之后在結(jié)合界面處繼續(xù)擴展并相互連接為主裂紋,主裂紋通過自身擴展與鄰近的Al/Cu結(jié)合界面上萌生的微裂紋連接.隨著加載過程的持續(xù),拉伸試樣最終處于完全失穩(wěn)狀態(tài),主裂紋迅速擴展直至發(fā)生明顯斷裂,且斷裂路徑沿滑移線和單軸拉伸方向呈45°.

3) 冷軋與熱軋條件制備的Al/Cu復(fù)合板的斷裂模式主要以發(fā)生在Al層的塑性斷裂和Al/Cu結(jié)合界面上的界面分層斷裂兩種形式表現(xiàn).