杜林飛

（陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備保障與再制造系，北京 100072）

純Cu的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良但強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能較差，這樣的特點(diǎn)嚴(yán)重限制了純Cu的實(shí)際應(yīng)用[1,2]。如何顯著提升其力學(xué)性能，成為了銅合金研究中的重要問題。在Cu基體中添加增強(qiáng)顆粒組成彌散強(qiáng)化型復(fù)合材料，可以使基體強(qiáng)度得到大幅度提高。在彌散強(qiáng)化Cu基復(fù)合材料中，常添加的增強(qiáng)顆粒有Al2O3、TiB2、Cr2O3、SiC、ZrO2等。

由于納米顆粒的含量會(huì)對(duì)彌散強(qiáng)化復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響。因此本文以Cu-0.3Al、Cu-0.6Al、Cu-0.9Al和Cu-1.2Al合金粉為原料，采用反應(yīng)球磨結(jié)合放電等離子燒結(jié)的方法制備了Al2O3體積分?jǐn)?shù)分別為1.27%、2.52%、3.75%和4.95%的銅基復(fù)合材料，并研究Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

反應(yīng)球磨工藝：采用QM-3SP2行星球磨機(jī)制備復(fù)合粉末。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的硬脂酸作為過程控制劑，球料比10:1，球磨轉(zhuǎn)速400 r/min。

氫氣還原工藝：采用管式還原爐對(duì)球磨粉末進(jìn)行還原處理。將裝有40 g球磨粉末的氧化鋁燒舟放于氫氣還原爐中，以10℃/min的升溫速率升至還原溫度，保溫一定時(shí)間后自然冷卻，低于30 ℃時(shí)取出粉末。

粉末燒結(jié)：采用SPS-1050型放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)將還原粉末燒結(jié)成直徑為30 mm、厚度為5-7 mm的圓片狀材料，燒結(jié)模具材質(zhì)為石墨，初始?jí)毫? MPa，燒結(jié)壓力40 MPa，真空度小于10 Pa，升溫速率100 ℃/min，燒結(jié)完成后隨爐循化水冷卻。

拉伸實(shí)驗(yàn)在Instron萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為0.5 mm/min。采用Nova NanoSEM 450/650型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的微觀組織及拉伸斷口形貌；

2 Cu-Al2O3復(fù)合材料的拉伸性能

圖1所示為Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響。從圖1可以看出，隨著Al2O3含量的增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率均先增大后減小。當(dāng)Al2O3含量為3.75%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值596 MPa，而延伸率僅為2.24%。當(dāng)Al2O3含量為2.52%時(shí)，延伸率達(dá)到最大值3.65%，而抗拉強(qiáng)度為589MPa。

圖1 Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響

顯然，并非Al2O3含量越多，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度越高，還與Al2O3顆粒的粒徑及其在基體中的分布，以及復(fù)合材料的致密性等因素密切相關(guān)[3]。

眾多研究證實(shí)，納米Al2O3顆粒彌散分布在基體中可以顯著提高復(fù)合材料的室溫及高溫力學(xué)性能[4,5]。就強(qiáng)化機(jī)制來講，彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化是其主要強(qiáng)化機(jī)制。下面將分別論述這兩種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，以更深入的理解Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。

（1）彌散強(qiáng)化

Cu-Al合金粉和CuO粉經(jīng)過反應(yīng)球磨后，在基體中原位生成大量彌散的硬質(zhì)Al2O3顆粒，這些硬質(zhì)顆粒對(duì)位錯(cuò)的通過具有強(qiáng)烈的阻礙作用，因此可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)線在靠近第二相顆粒時(shí)將受阻彎曲，隨著外力的增大，位錯(cuò)線受阻部分的彎曲逐漸增大，以至圍繞著粒子的位錯(cuò)線在兩邊相遇，使顆粒周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，而位錯(cuò)線則越過粒子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。這種機(jī)制通常稱為Orowan繞過機(jī)制，這種機(jī)制引起的強(qiáng)度增量可用式1表示[6]。

式中，

式中，Gm為基體的剪切模量（銅的剪切模量為45.5 GPa），b為柏氏矢量（0.256 nm），r和λ分別為Al2O3顆粒的半徑和間距。

圖2 Orowan強(qiáng)化機(jī)制示意圖

（2）晶界強(qiáng)化

由于晶界的交互作用形成一條線而不是一個(gè)點(diǎn)，因此晶界比線缺陷和點(diǎn)缺陷對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力更大。一般情況下，多晶體強(qiáng)度與其晶粒尺寸的關(guān)系符合Hall-Petch公式[6]：

式中，σy為多晶體的屈服強(qiáng)度；σ0為位錯(cuò)在金屬單晶中運(yùn)動(dòng)的總阻力，決定于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度；ky為表征晶界對(duì)強(qiáng)度影響程度的常數(shù)，對(duì)于銅而言，k=0.142 MPa·m1/2；d為晶粒尺寸。因此，晶界強(qiáng)化引起屈服強(qiáng)度的增值可用式4表示。

由式4可知，材料屈服強(qiáng)度的增量Δσg與成反比，因此晶粒越小，晶界強(qiáng)化效果越顯著。Lee等測定了晶粒尺寸約為30μm的擠壓態(tài)純銅的屈服強(qiáng)度σy為109 MPa[7]，代入公式3可求的σ0為83MPa。

通過式1至4計(jì)算ΔσOrowan和Δσg，結(jié)果列于表1。

表1 復(fù)合材料屈服強(qiáng)度的理論值σt與實(shí)驗(yàn)值σ0.2（單位：MPa）

從表1可以看出，當(dāng)Al2O3含量由1.27%增加至3.75%時(shí)，由彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化計(jì)算的屈服強(qiáng)度與材料的實(shí)驗(yàn)值變化規(guī)律相同，均逐漸增大。繼續(xù)增加Al2O3含量時(shí)，理論值繼續(xù)增加，而實(shí)驗(yàn)值卻降低。實(shí)驗(yàn)值低于理論值的原因是由于復(fù)合材料中含有粒徑大于100 nm的Al2O3顆粒，這些粗化的Al2O3顆粒并不能夠?qū)w起到彌散強(qiáng)化的效果，即這些粗化顆粒減少了參與彌散強(qiáng)化的細(xì)小顆粒在材料中的濃度，從而降低了彌散強(qiáng)化的效果，而理論計(jì)算時(shí)卻未對(duì)此進(jìn)行考慮。同時(shí)，粗化或團(tuán)聚的Al2O3顆粒由于與基體結(jié)合強(qiáng)度較低，在應(yīng)力作用下容易萌生裂紋和加速裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。另外，Al2O3含量較低時(shí)，復(fù)合材料相對(duì)密度較高，孔隙對(duì)力學(xué)性能影響較小，而隨著Al2O3含量的增加，復(fù)合材料中的孔隙逐漸增多，孔隙對(duì)力學(xué)性能的影響將會(huì)明顯加劇。而孔隙往往會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生和加速裂紋的生長。因此，當(dāng)Al2O3含量超過一定值時(shí)，繼續(xù)增加Al2O3含量，反而會(huì)由于Al2O3顆粒的長大、團(tuán)聚以及孔隙的增多導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能降低。

圖3 復(fù)合材料拉伸斷口（a）Cu-1.27Al2O3;（b）（e）Cu-2.52Al2O3;（c）Cu-3.75Al2O3;（d）（f）Cu-4.95Al2O3

3 拉伸斷口形貌分析

圖3所示為復(fù)合材料拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，拉伸斷口比較粗糙，斷面上布滿細(xì)密的等軸韌窩，表明復(fù)合材料以韌性斷裂為主。但是，韌窩周圍撕裂棱較短，尤其是當(dāng)Al2O3含量為3.75%和4.95%時(shí)，撕裂棱明顯減少，表明隨著Al2O3含量的增加，復(fù)合材料的塑性逐漸降低。同時(shí)可以看出，在韌窩底部有裂紋和孔洞存在，這種現(xiàn)象在Al2O3含量為4.95%時(shí)尤為明顯，如圖3中 e、f所示。這是由于復(fù)合材料的相對(duì)密度低于98%，即材料內(nèi)部存在一定數(shù)量的孔隙，隨著應(yīng)變的增加，這些顯微孔隙將不斷長大，相互吞并，直至材料發(fā)生頸縮和破斷，從而在韌窩底部生成孔洞。由此可見，孔隙越多，復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性越低。另外，由于第二相顆粒與基體的界面可以起到裂紋形核的作用，而在顆粒的團(tuán)聚位置裂紋往往更易于萌生和長大。而隨著Al2O3含量增加，Al2O3在基體中的團(tuán)聚將逐漸加重，這無疑會(huì)降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）隨著Al2O3體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與延伸率都先增大而后減小，其抗拉強(qiáng)度最大達(dá)到596MPa，延伸率最大可達(dá)3.65%。

（2）實(shí)驗(yàn)說明基體中彌散分布的Al2O3納米顆?？梢燥@著提升復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與延伸率。而彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化是復(fù)合材料屈服強(qiáng)度提高的主要原因。