趙興國 ，聶慧慧 ，陳洪勝 ，張媛琦

（1.太原理工大學材料科學與工程學院，山西太原030024；2.太原理工大學機械與運載工程學院，山西太原 030024；3.山西省鎂基重點實驗室，山西太原 030024）

顆粒增強鎂基復合材料（P MM Cs）由于具有高的強度，良好的彈性模量、硬度以及耐磨性能使其成為航空航天、汽車、電子電工等領域潛在的應用材料[1-3]。在鎂基復合材料中，作為顆粒增強體的材料主要有 SiCp、TiC、Al2O3、B4C 和 Ti B2等[4-6]。其中B4C材料密度小，僅為2.53 g/cm3，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，具有良好的物理、化學穩(wěn)定性，是優(yōu)良的金屬基復合材料的顆粒增強體[7]，此外B4C中硼的同位素10B具有較大的熱中子吸收截面，是良好的中子吸收體，將B4C顆粒添加到鎂或鋁合金基體當中可制備成集結構/功能一體化的中子吸收材料。

目前，制備顆粒增強金屬基復合材料的方法主要有液態(tài)鑄造法、噴射沉積法、粉末冶金法以及機械合金化法[8-10]。楊國超[11]采用全液態(tài)攪拌鑄造法制備B4C/A Z91D復合材料，對該復合材料的制備工藝進行了試驗，試探了不同工藝因素（如：攪拌速度、攪拌溫度、攪拌器轉速等）對復合材料的顆粒分布均勻性的影響。程建峰[12]采用半固態(tài)攪拌方法制備了SiCp/A Z91鎂基復合材料，并對其進行半固態(tài)真空熱壓及熱處理，結果表明顆粒增強鎂基復合材料適宜采用半固態(tài)攪拌鑄造法制備，并且具有增強顆粒分布均勻、顆粒沉降及團聚現(xiàn)象控制良好、氣孔率低的特點。武高輝教授等人[13]采用液態(tài)濺射方法制備了SiCp/Al基復合材料，對復合材料的微觀組織和力學性能進行了研究。X.P.Li等人[14]采用等離子放電后軋制的方法制備了SiC顆粒增強AA6061復合材料，制備的復合材料具有優(yōu)異的力學性能。

本文利用蒙特卡洛數值模擬方法對不同B4C顆粒含量的鎂基復合材料的中子吸收性能進行了模擬計算，采用真空熱壓燒結方法（V HPS）制備了體積分數為20%B4C顆粒增強鎂基（B4C/A Z91）復合材料，研究了燒結溫度對復合材料微觀組織和力學性能的影響。對不同燒結溫度下復合材料的致密度、硬度進行了測試分析。采用配有能譜（EDS）的掃描電子顯微鏡（SE M）對B4C/A Z91復合材料的微觀組織進行了分析，運用X射線衍射儀（X R D）結合EDS對復合材料的物相進行分析。采用萬能試驗機對復合材料的壓縮性能進行測試，結合SE M斷口分析對復合材料的斷裂機理進行討論。

1 試驗材料與方法

采用蒙特卡洛數值模擬方法對不同B4C顆粒含量的鎂基復合材料的中子吸收性能進行模擬計算。選擇能量為0.025e V的各向同性點源為中子發(fā)射源，點源距入射面距離為13 cm，模擬試件尺寸為5 cm×5 cm，入射粒子數為8×107個，模擬過程中假設試件內部無空洞、裂紋等缺陷，模擬過程示意圖如圖1所示。

選用A Z91鎂合金粉末為基體材料，B4C顆粒為增強體，A Z91鎂合金基體材料和B4C顆粒增強體的SE M微觀組織形貌如圖2所示，化學成分如表1和2所示。

圖1 模擬過程示意圖

圖2 SEM微觀組織形貌圖

表1 AZ91鎂合金的化學成分（質量分數，%）

表2 B4C顆粒粉末的化學成分（質量分數，%）

采用真空熱壓燒結爐對B4C/A Z91鎂基復合材料進行燒結。燒結前按照體積分數20%B4C顆粒進行稱量混粉，為了防止A Z91鎂合金發(fā)生氧化，整個稱量過程在充有氬氣的手套箱中完成。將稱量好的混合粉末置于球磨機上進行球磨混粉，球磨機轉速為300 r/min，球料比為5：1，采用氧化鋯球作為對磨材料，球磨時間為30 min.在真空燒結過程中，真空度為10 Pa，模具選用石墨模具，內徑尺寸20 mm，燒結過程中對試驗持續(xù)施壓，施加壓力為40 M Pa，燒結溫度分別為470℃、490℃和510℃，燒結保溫時間為5 min.

采用阿基米德排水法對不同燒結溫度下B4C/A Z91復合材料的致密度進行測試，采用金相顯微鏡（O M）和配有能譜（EDS）的掃描電子顯微鏡（SE M）對復合材料的微觀組織形貌進行觀察。試驗前，采用SiC砂紙對制樣進行打磨拋光處理，打磨拋光后將試樣置于無水乙醇當中，防止氧化。通過X射線衍射儀結合EDS能譜對不同燒結溫度條件下復合材料內部的物相進行分析。運用維氏硬度儀對復合材料的硬度進行測試，測試過程中施加載荷為5 N，保載時間為15 s，單一試樣測試十次取平均值。通過萬能試驗機對復合材料的壓縮力學性能進行測試，壓縮速度為0.5 mm/min，試樣過程中每組試樣測試五組數據并取平均值，對壓縮試樣斷口采用SE M進行觀察，結合斷口的微觀組織形貌對復合材料強化機理和斷裂失效機制進行討論。

2 結果與討論

2.1 中子吸收性能、微觀組織及物相分析

圖3為鎂基復合材料中B4C顆粒含量與中子吸收率之間的關系。由圖可以看出，在同一B4C顆粒含量下，隨著材料厚度的增加，中子吸收材料的中子吸收性能呈指數上升的趨勢，中子透過率降低，中子吸收性能提高。在同一厚度條件下，隨著B4C顆粒含量的增加，中子吸收性能也隨之提高，當B4C顆粒體積分數為20%時，材料的中子吸收率可達90%以上，具有良好的中子吸收性能。

圖3 顆粒含量與中子透過率之間關系

對不同燒結溫度下體積分數20%B4C/A Z91鎂基復合材料的致密度進行測試，結果如表3所示。由表可以可知，隨著燒結溫度的升高，復合材料的致密度升高，當燒結溫度為510℃時，B4C/A Z91鎂基復合材料的致密度可達97.19%.這是由于隨著燒結溫度的升高，基體鎂合金容易發(fā)生塑性變形，使得復合材料內部的氣孔、裂紋減少，致密度提高。

表3 不同溫度下B4C/AZ91中子吸收復合材料密度測試

圖4為不同燒結溫度條件下，B4C/A Z91鎂基復合材料的SE M微觀組織形貌圖。由圖可以看出B4C顆粒均勻的分布在鎂合金基體當中，未出現(xiàn)大面積的團聚現(xiàn)象，顆粒主要分布在鎂合金基體的晶界部位，B4C顆粒與基體鎂合金之間界面結合良好。隨著燒結溫度的升高，當燒結溫度為510℃時，在復合材料內部基體鎂合金部位出現(xiàn)了少量的微裂紋。在復合材料承受載荷的過程中，這些微裂紋的存在會成為裂紋萌生的裂紋源，在復合材料內部擴展開裂，最終導致復合材料的宏觀失效。

圖4 不同燒結溫度下B4C/AZ91鎂基復合材料的SEM微觀組織形貌

圖5 為不同燒結溫度條件下，B4C/A Z91鎂基復合材料的X射線衍射（X R D）圖譜。由圖5可以看出，在B4C/A Z91鎂基復合材料內部的物相主要為M g和B4C相。相關研究結果表明：在溫度分別為437℃和450℃的溫度條件下，M g和Al反應會生成Al3M g2與Al12M g17兩種金屬間化合物，但由于在基體鎂合金中，Al元素的含量較少，Al3M g2與Al12M g17兩種金屬間化合物的X射線衍射峰值不明顯。同時B4C顆粒表面會自然的生產一層B2O3的氧化硼，該氧化膜的熔點較低為450℃，在燒結過程中，B4C顆粒表面的B2O3薄膜會與M g發(fā)生化學反應，在B4C顆粒與基體鎂合金的界面處生成M g B2和M gO兩種化合物，界面處化合物的生成有利于顆粒與基體之間的界面結合，提高復合材料的力學性能。

圖5 B4C/AZ91鎂基復合材料的XRD圖譜

圖6 為B4C/A Z91鎂基復合材料中，B4C顆粒與基體鎂合金之間界面的微觀組織形貌和EDS線掃描能譜。由圖6a）可以看出，B4C顆粒與鎂合金基體之間的界面處未出現(xiàn)微裂紋、氣孔等缺陷，在界面處存在一層界面反應層。由圖6b）可以看出，在界面處各個元素呈光滑過渡，未出現(xiàn)陡峭的過渡峰，在界面處O元素的含量較高，表明在界面有M gO的存在，界面反應層厚度約為3μm.

圖6 B4C與AZ91基體界面微觀組織及EDS線掃描圖譜

2.2 力學性能分析

圖7 所示為不同燒結溫度條件下的A Z91鎂合金材料與B4C/A Z91鎂基復合材料的硬度圖。由圖可以看出，隨著燒結溫度的升高，兩種材料的硬度值幾乎沒有變化。A Z91鎂合金材料的硬度值大約為65 H V～70 H V；B4C/A Z91鎂基復合材料的硬度值大約為H V130～H V135.說明在比較小的溫度差距范圍下，溫度對材料的硬度沒有特別大的影響；但是B4C/A Z91鎂基復合材料的硬度值明顯高于純A Z91鎂合金材料，大約為純鎂合金材料的2倍，這是由于B4C屬于硬質顆粒并且彌散地分布在A Z91鎂合金基體中，從而大大地提高了純A Z91鎂合金的硬度，起到了第二相彌散強化的作用。

圖7 不同溫度下AZ91鎂合金材料與B4C/AZ91鎂基復合材料的硬度

圖8 為不同燒結溫度條件下，A Z91鎂合金與B4C/A Z91鎂基復合材料壓縮的應力-應變曲線。從圖中可以看出，隨著燒結溫度的升高，A Z91鎂合金與B4C/A Z91鎂基復合材料的壓縮強度呈先升高后降低的趨勢。當燒結溫度為490℃時，純A Z91鎂合金與B4C/A Z91鎂基復合材料的抗壓縮強度取得最大值，分別可以達到327 M Pa與403 M Pa，均高于470℃和510℃燒結溫度下制備的材料。這是由于在470℃的燒結溫度下，材料結合不是非常致密，因此可能產生比較多的裂紋源；而在510℃時，M g與Al反應生成的脆性金屬間化合物含量過多，從而降低了材料的抗壓強度。但是與純A Z91鎂合金材料相比，B4C/A Z91鎂基復合材料的抗壓強度明顯提高，相反延伸率降低。這是由于B4C硬質顆粒強化作用，提高了鎂合金的強度從而降低了塑性。

圖8 不同燒結溫度條件下AZ91鎂合金與B4C/AZ91鎂基復合材料的應力-應變曲線

圖9 為不同燒結溫度條件下，A Z91鎂合金材料的壓縮斷口微觀組織形貌圖。從圖中可以明顯看出，該材料呈脆性斷裂。產生這種現(xiàn)象是由于在室溫條件下，鎂合金的滑移系較少，不容易發(fā)生塑性變形，在斷口處呈現(xiàn)解理特征的45°剪切斷裂。發(fā)生斷裂的裂紋源為燒結完成后鎂合金材料產生孔洞的位置。

圖9 AZ91鎂合金材料的斷口微觀組織形貌

圖10 B4C/AZ91鎂基復合材料斷口微觀組織形貌

圖10 為不同燒結溫度條件下，B4C/A Z91鎂基復合材料的壓縮斷口微觀組織形貌。由圖可以看出，B4C/A Z91鎂基復合材料的斷裂呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂。鎂基復合材料的斷裂機理與A Z91純鎂合金的斷裂機理一致，但與鎂合金材料相比，產生裂紋源的位置為鎂合金基體與B4C顆粒結合的界面處。

2.3 強化機理分析

B4C顆粒加入到鎂合金基體當中，抗壓強度升高主要可以歸結為以下幾方面原因：

首先，根據文獻[15]，B4C顆粒與基體鎂合金的熱膨脹系數不同，隨著燒結溫度的變化，在B4C顆粒與基體鎂合金之間產生熱配錯強化，會提高復合材料的強度，由熱配錯強化所引起的強度提高Δσ1（M Pa）可由公式1進行計算[15]：

式中，K—為比例常數；

Δα—B4C顆粒與基體的熱膨脹系數差，m/K；

ΔT—材料制備過程與室溫溫度差值，K；

G—剪切模量，M Pa；

b——柏氏矢量，

d—顆粒的平均粒徑，m；

f—顆粒含量體積分數，%.

其次，在鎂合金基體當中加入B4C顆粒時，根據文獻[16]，B4C顆粒在復合材料內部起到了載荷傳遞的作用，在承受載荷的過程中，載荷從基體通過界面?zhèn)鬟f到B4C顆粒上，良好的界面結合強度是載荷傳遞的關鍵，由載荷傳遞所引起的B4C/A Z91鎂基復合材料強度的提高（Δσ2）可由公式（2）進行計算[16]：

最后，根據文獻[1]，在基體鎂合金中加入B4C顆粒時，鎂合金基體中的位錯在運動過程中遇到B4C顆粒時，容易在B4C顆粒周邊塞積，形成位錯環(huán)，阻礙位錯運動，有助于提高B4C/A Z91鎂基復合材料的強度，其強化效果類似于Orowan強化，由Orowan強化所引起的復合材料強度的提高Δσ3可由公式3進行計算[1]：

式中，λ—為顆粒之間的距離，m.

3 結論

采用真空熱壓方法制備了B4C/A Z91鎂基復合材料，對中子吸收復合材料的中子吸收性能、微觀組織、物相以及壓縮強度進行了測試與分析，具體結論如下：

1）在B4C/A Z91鎂基復合材料內部，隨著材料厚度和B4C顆粒含量的增加，中子吸收材料的中子吸收性能提高。

2）采用真空熱壓法制備的B4C/A Z91鎂基復合材料內部，B4C顆粒分布均勻，未出現(xiàn)明顯的裂紋、氣孔等缺陷，顆粒/基體之間界面結合良好。

3）B4C/A Z1鎂基復合材料內部物相主要為M g和B4C，界面處存在一層界面反應層，反應層厚度為3μm.

4）隨著燒結溫度的提高，復合材料的壓縮強度呈先升高后降低的趨勢，最高可達407 M Pa，斷裂方式為脆性剪切斷裂，強化機理主要為熱配錯強化、載荷傳遞強化和Orowan強化機理。