摘要:采用v型缺口試樣對(duì)噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)，用光學(xué)金相顯微鏡和掃描電鏡研究了在熱應(yīng)力作用下的熱疲勞裂紋擴(kuò)展方式和形態(tài)。結(jié)果表明:熱疲勞裂紋優(yōu)先在v型缺口處萌生;復(fù)合材料經(jīng)一定得熱循環(huán)次數(shù)后隨相對(duì)密度的提高，裂紋擴(kuò)展速率下降;在復(fù)合材料的三大相——#61537;-Al基體、Si相以及SiC顆粒中，#61537;-Al基體阻礙熱疲勞裂紋的擴(kuò)展，裂紋非連續(xù)性擴(kuò)展;裂紋擴(kuò)展方式受Si相的尺寸和分布狀態(tài)控制，裂紋繞過Si顆粒向前擴(kuò)展以及裂紋穿過Si顆粒向前擴(kuò)展是裂紋碰到Si顆粒時(shí)常出現(xiàn)的兩種機(jī)制;SiC顆粒與熱疲勞裂紋有強(qiáng)烈的交互作用，加強(qiáng)SiC顆粒與基體的界面結(jié)合有利于提高熱疲勞壽命。

關(guān)鍵詞:噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料;熱疲勞裂紋;相對(duì)密度;#61537;-Al基體;Si相;SiC顆粒

中圖分類號(hào):TG111文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Thermal fatigue behavior of spray deposited Al-20Si/SiCp composite

LI WEI1， CHEN Ding1*， CHEN Zhenhua1， FAN Chang2， XIAO Ting1

1College of materials Science and Engineering ，Hunan University， Changsha， Hunan 410082，China

2Department of Materials Science and Engineering， The University of Tennessee， 318 Dougherty Building，

Knoxville， TN 37996， USA

Abstract: Al-20Si/SiCp composite was fabricated by spray deposition. The thermal fatigue behavior of Al-20Si/SiCp composite was investigated through the water-quench method. Optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) were used to examine the damage mechanisms of thermal fatigue. Almost all the primary fatigue crack at elevated temperature initiated at V-notch. After several thermal cycles， the speed rate of crack propagation decreases with the relative density of composite increasing. Because #61537;-Al matrix can stop crack from propagation， it results in un-continuous crack. The propagation mode of crack is controlled by the size and distribution of Si particles. Crack propagating through the Si particles and around Si particles are observed. Also， the fracture of SiC particles and interfacial debonding between SiC particles and matrix are the principle mechanisms of interaction between SiC particles and matrix.

Key words: spray deposited Al-20Si/SiCp composite; thermal fatigue crack; relative density; #61537;-Al matrix ; Si particles; SiC particles

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度、高電導(dǎo)率、耐磨性和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車和航空工業(yè)上得到了日益廣泛的應(yīng)用，其中Al-Si/SiCp通常用來制備汽車氣缸蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)滑塊等構(gòu)件[1]，特別是過共晶Al-Si復(fù)合材料(由于其具有良好的耐磨性、耐熱腐蝕性和體積穩(wěn)定性等)在制造活塞、高速列車制動(dòng)盤等方面應(yīng)用更為廣泛。通常，采用傳統(tǒng)的鑄造和粉末冶金法制備的鋁硅復(fù)合材料由于存在孔隙、氧化物和非金屬夾雜物等缺陷，強(qiáng)烈影響其服役性能[2]。此外，對(duì)過共晶Al-Si復(fù)合材料來說，一般緩慢冷卻不但難以阻礙初生Si的迅速長大[3]還會(huì)造成初生Si的偏析。目前的一些方法很難以經(jīng)濟(jì)方式制備出理想的過共晶Al-Si復(fù)合材料。

噴射沉積是一種新型的快速凝固和成形工藝，由于在噴射沉積過程中，沉積坯通過水冷基體傳導(dǎo)傳熱和高速氣流的對(duì)流、輻射傳熱，因而與鑄造工藝相比具有較高的冷卻速度(10#61566;102K/s)，能夠獲得晶粒細(xì)小、無宏觀偏析的微晶組織，能夠很好地解決采用傳統(tǒng)方法制備過共晶Al-Si復(fù)合材料遇到的難題。因此，本課題采用噴射沉積法制備Al-20Si復(fù)合材料。

作為結(jié)構(gòu)材料，顆粒增強(qiáng)鋁硅復(fù)合材料經(jīng)常要在溫度交替變化和復(fù)雜的應(yīng)力作用下長期工作，條件比較惡劣，容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。熱疲勞是低周疲勞，是影響復(fù)合材料服役性能的重要因數(shù)。目前，大多數(shù)的研究都集中于Al-Si合金的力學(xué)性能及疲勞性能的研究[4-6]，對(duì)Al-Si復(fù)合材料的疲勞性能的研究較少，其中絕大部分是關(guān)于鑄造Al-Si/SiCp復(fù)合材料高周疲勞問題，而關(guān)于噴射沉積制備的Al-Si/SiCp復(fù)合材料的熱疲勞性能的研究極少，特別是對(duì)其裂紋萌生和早期擴(kuò)展行為的研究尚未見報(bào)道。

本研究采用自制的噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料作為研究對(duì)象，利用金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)在450#61566;20℃對(duì)其進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)熱疲勞裂紋在復(fù)合材料中的擴(kuò)展行為和機(jī)理進(jìn)行了探討。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料的基體為Al-20Si合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)見表1所示，其中SiC的體積分?jǐn)?shù)為15%，SiC顆粒的平均直徑約為14#61549;m。復(fù)合材料采用噴射沉積錠→熱壓工藝，坯料尺寸為#61542;48mm×150mm的噴射沉積錠在630t四柱液壓機(jī)上兩次熱壓成#61542;50×113mm，熱壓應(yīng)力為16MPa。模具溫度和料溫均為450℃。

表1:基體化學(xué)成分

Tab. 1 Chemical composition of Al-20%Si alloy

基體SiCuMgMnAl

Al-20%Si20310.5余量

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)毛坯料采用電火花線切割沿?zé)釅悍较蛉〕尚螤罴俺叽缛鐖D1所示的熱疲勞試樣。再對(duì)試樣進(jìn)行T6(500℃固溶1h，水淬，155℃人工時(shí)效9h，空氣冷卻)處理。熱疲勞試樣采用夏氏V型缺口，用于研究熱疲勞裂紋的擴(kuò)展行為。為了消除表面劃痕對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展的影響，兩個(gè)主要表面經(jīng)砂紙研磨，并進(jìn)行機(jī)械拋光。

圖1熱疲勞試樣的形狀和尺寸

Fig. 1 Geometry shape and dimension of the specimen used in thermal fatigue test

試驗(yàn)選取循環(huán)溫度為450→25℃，試驗(yàn)在箱式電熱爐中進(jìn)行，循環(huán)周期為試樣加熱到450℃，保溫15min，水冷至室溫，冷卻時(shí)間為5s。采用西德Leitz MM-6臥式金相顯微鏡、JSM-6700F型掃描電鏡對(duì)熱疲勞裂紋形貌及長度，試樣表面形貌進(jìn)行觀測，研究噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料在450#61566;25℃熱循環(huán)下的熱疲勞行為及微觀組織。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)材料的顯微組織結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)材料熱壓后的顯微硬度為125.06(材料經(jīng)熱處理后的顯微硬度為177.08)，顯微組織結(jié)構(gòu)見圖2。由白色Si顆粒，灰色的不規(guī)則多邊形-SiC顆粒以及#61537;-Al基體組成。復(fù)合材料經(jīng)熱壓后，Si顆粒分兩種情況:大尺寸，不規(guī)則多邊形顆粒以及小尺寸圓角化的粒子。

圖2復(fù)合材料熱壓后的顯微組織

Fig. 2 Surface metallographic morphology ofhot-pressed composite

2.2試樣表面裂紋形貌和擴(kuò)展

圖3 為噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料經(jīng)250次熱循環(huán)后，試樣表面的裂紋擴(kuò)展形貌。測試試樣中的主裂紋都起始于V形缺口，進(jìn)而向前擴(kuò)展。在熱循環(huán)過程中，裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)和彎曲。此外，在450→25℃熱循環(huán)下，試樣表面有一定的氧化現(xiàn)象，隨循環(huán)次數(shù)的上升，試樣表面會(huì)發(fā)生不斷的氧化和氧化皮剝落的現(xiàn)象，其中氧化皮剝落的主要原因是由于氧化膜與基體的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力而造成的。

圖4分別為噴射沉積Al-20Si/SiCp(相對(duì)密度為96.59%)復(fù)合材料熱處理前后熱循環(huán)次數(shù)與熱疲勞裂紋長度的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，裂紋長度a與熱循環(huán)次數(shù)N呈線性關(guān)系。在同樣的熱循環(huán)次數(shù)下，與熱處理后的試樣相比，熱處理前試樣優(yōu)先出現(xiàn)裂紋。

圖3試樣表面的裂紋形態(tài)(N=250)

Fig. 3 Crack shape on the Surface of the sample(N=250)

圖4裂紋長度與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

Fig. 4 Relationship of crack length rate and Cycle number

2.3相對(duì)密度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

表2為不同的相對(duì)密度噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料在經(jīng)200次熱循環(huán)后，熱疲勞裂紋擴(kuò)展長度。由于噴射沉積材料是一種多孔材料，孔隙作為其固有的屬性，是材料的應(yīng)力集中區(qū)和微裂紋的產(chǎn)生源，在外力作用下，往往是致使材料破壞的直接因素。噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料經(jīng)熱壓后，還存在一定量的孔隙，并不是全致密材料。目前， 孔隙對(duì)噴射沉積材料隨后的熱疲勞作用尚未見報(bào)導(dǎo)。因此，本文從這方面作了嘗試，研究了相對(duì)密度對(duì)噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料在450→25℃熱循環(huán)作用下的影響。

表2:相對(duì)密度對(duì)噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料熱疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

Tab. 2The effect of relative density on the thermal fatigue crack propagation of spray-formed Al-20Si/SiCp composite

相對(duì)密度/℅循環(huán)次數(shù)/次裂紋長度/μmda/dN/μm次-1

95200657.81253.289

96.12200479.1842.395

96.59200412.0012.060

99.7200244.1841.221

由表2可知，隨相對(duì)密度的提高，噴射沉積材料內(nèi)部的孔隙減少，孔隙作為應(yīng)力集中源產(chǎn)生裂紋并促使裂紋沿顆粒的弱連接處擴(kuò)展的作用相對(duì)變?nèi)?，材料熱疲勞裂紋擴(kuò)展的速率下降。

2.4裂紋在#61537;-Al基體中的擴(kuò)展

熱疲勞裂紋在#61537;-Al基體中主要表現(xiàn)為非連續(xù)性擴(kuò)展。這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展到Al基體相的前沿，將受阻、裂紋尖端變鈍。在熱應(yīng)力的繼續(xù)作用下，它將積蓄能量，準(zhǔn)備穿越Al基體相，但是這種穿越不是裂紋的直接擴(kuò)展，而是選擇#61537;-Al基體兩岸距離最近處，以“搭橋”的方式穿越Al基體相(如圖5所示):擴(kuò)展裂紋Ⅰ到達(dá)Al基體相前沿(A處)后受阻，在熱應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下，裂紋Ⅰ的上方Si相、SiC顆粒內(nèi)，又萌生裂紋Ⅱ;在裂紋向前擴(kuò)展的同時(shí)，其尾部(B處)與裂紋Ⅰ的終止點(diǎn)A之間的Al基體相內(nèi)，又萌生了微細(xì)裂紋Ⅲ。該裂紋起“搭橋”作用，將裂紋Ⅰ和Ⅱ首尾相接(其中黑色箭頭表示裂紋擴(kuò)展的方向)。因此，熱循環(huán)過程中，裂紋在Al-Si/SiCp復(fù)合材料中擴(kuò)展往往發(fā)生偏折和彎曲。

圖5裂紋在在#61537;-Al基體中的擴(kuò)展

Fig. 5 The propagating of crack in #61537;-Al matrix

2.5裂紋在Si相中擴(kuò)展

圖6為裂紋在Si相中擴(kuò)展的金相觀察。由圖6可知，裂紋繞Si顆粒向前擴(kuò)展(圖6(a))以及裂紋穿過Si顆粒向前擴(kuò)展(如 圖6(b)所示)是裂紋在Si相中擴(kuò)展的兩種主要表現(xiàn)形式。這與Diana[7]所報(bào)道的結(jié)果相同。當(dāng)Si顆粒的長軸方向與主裂紋面所成角度較小時(shí)(如圖7A處所指)，Si顆粒/#61537;-Al基體的界面容易發(fā)生解離，裂紋繞Si顆粒向前擴(kuò)展，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，分叉，裂紋前端的應(yīng)力因子會(huì)下降，裂紋向前擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力降低。當(dāng)Si顆粒長軸與主裂紋面所成角度較大甚至垂直時(shí)(如圖7B處所指)，由于Si顆粒自身脆性較大，Si顆粒以自身斷裂的方式來降低裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，減緩裂紋擴(kuò)展速率。無論裂紋繞過Si顆粒還是穿過Si顆粒，都會(huì)減緩裂紋的擴(kuò)展速度。此外，這種偏轉(zhuǎn)會(huì)使裂紋面變得粗糙，誘發(fā)裂紋閉合。

硅顆粒與基體之間的彈性模量和膨脹系數(shù)之間的差異會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生徑向的張應(yīng)力和切向壓應(yīng)力，這種應(yīng)力的存在和熱應(yīng)力的相互作用，會(huì)使裂紋前進(jìn)的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)、微橋接和彎曲。

圖6裂紋在Si相中擴(kuò)展 a)裂紋繞過Si顆粒擴(kuò)展 b)裂紋穿過Si顆粒擴(kuò)展

Fig. 6 The propagating of crack in Si phase a) propagation of cracking around Si particles (b)propagaton of cracking through large Si

圖7裂紋在Si相中擴(kuò)展機(jī)制

Fig. 7 The propagation mechanism of thermal crack in Si phase

總之，硅相的形態(tài)和分布對(duì)材料的熱疲勞行為的影響顯著，硅相均勻分布在鋁基體上，對(duì)基體造成第二相彌散強(qiáng)化作用，有利于提高鋁硅復(fù)合材料的熱疲勞壽命。

2.6裂紋在SiC顆粒中的擴(kuò)展

關(guān)于復(fù)合材料斷裂機(jī)制的研究結(jié)果表明:復(fù)合材料在增強(qiáng)體顆粒大于20μm時(shí)，以顆粒斷裂為主;增強(qiáng)體顆粒小于10μm時(shí)，以界面脫粘為主;增強(qiáng)顆粒尺寸介于其間時(shí)，兩種斷裂機(jī)制都存在[8-10]。本文采用的SiC增強(qiáng)體顆粒平均粒徑約為15μm，因此復(fù)合材料在熱應(yīng)力作用下，裂紋在V型缺口處萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過程中，SiC增強(qiáng)顆粒的開裂以及SiC增強(qiáng)顆粒與基體分離這兩種機(jī)制同時(shí)存在，如圖8所示。當(dāng)SiC顆粒斷裂強(qiáng)度小于SiC/基體界面結(jié)合強(qiáng)度熱疲勞裂紋就會(huì)以SiC破裂的形式通過如圖8(a);反之，當(dāng)SiC顆粒斷裂強(qiáng)度大于SiC/基體界面結(jié)合強(qiáng)度，熱疲勞裂紋將以界面剝離的形式穿過SiC區(qū)域，如圖8(b)。熱疲勞裂紋與SiC的強(qiáng)烈相互作用，將會(huì)不同程度地降低裂紋尖端的應(yīng)力場大小，從而對(duì)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生抑制作用。因此，加強(qiáng)基體與SiC顆粒的界面結(jié)合，有利于提高復(fù)合材料的熱疲勞裂紋擴(kuò)展抗力。

圖8熱疲勞裂紋在SiC顆粒中的擴(kuò)展 (a)SiC顆粒斷裂(b)SiC顆粒與基體界面剝離

Fig. 8 The propagating of crack in SiC particles (a)fracture of SiC particles (b)interfacial debonding between SiC particles and matrix

3.結(jié)論

(1)在本試驗(yàn)條件下，噴射沉積Al-20Si/SiCp復(fù)合材料的主裂紋都起始于V形缺口，進(jìn)而向前擴(kuò)展。在熱循環(huán)過程中，裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)和彎曲;隨相對(duì)密度的提高，噴射沉積材料內(nèi)部的孔隙減少，孔隙作為應(yīng)力集中源產(chǎn)生裂紋并促使裂紋沿顆粒的弱連接處擴(kuò)展的作用相對(duì)變?nèi)?，材料熱疲勞裂紋擴(kuò)展的速率下降。

(2)裂紋擴(kuò)展到Al基體相的前沿，受阻，以“搭橋”的方式穿越Al基體相(非連續(xù)性擴(kuò)展)。

(3)裂紋繞過Si顆粒向前擴(kuò)展，裂紋穿過Si顆粒向前擴(kuò)展是裂紋在Si相中擴(kuò)展的兩種主要表現(xiàn)形式;當(dāng)Si顆粒的長軸方向與主裂紋面所成角度較小時(shí)，Si顆粒/#61537;-Al基體的界面容易發(fā)生解離，裂紋繞Si顆粒擴(kuò)展。裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，分叉，裂紋前端的應(yīng)力因子會(huì)下降，裂紋向前擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力降低。當(dāng)Si顆粒長軸與主裂紋面所成角度較大甚至垂直時(shí)，Si顆粒以自身斷裂的方式來降低裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，減緩裂紋擴(kuò)展速率。

(4)當(dāng)SiC顆粒斷裂強(qiáng)度大于SiC/基體界面結(jié)合強(qiáng)度，熱疲勞裂紋將以界面剝離的形式穿過SiC區(qū)域;反之，就會(huì)以SiC破裂的形式通過。熱疲勞裂紋與SiC的強(qiáng)烈相互作用，將會(huì)不同程度地降低裂紋尖端的應(yīng)力場大小，從而對(duì)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生抑制作用。

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