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摘要采用无压浸渗法制备了SiC/Al复合材料，研究不同颗粒大小的复合材料的抗弯强度、金相组织和断裂机理。结果表明：颗粒尺寸为20μm的 SiC/Al复合材料抗弯强度最高；小颗粒复合材料的断裂以沿晶断裂为主，局部有韧性撕裂的特征，而大颗粒还伴有穿晶解理特征。
关键词SiC/Al复合材料，无压浸渗，抗弯强度，断裂机理
1 引 言
SiC/Al复合材料由于具有比强度高、比刚度高、耐磨性好、耐疲劳、高弹性模量等优异性能，广泛应用于航空航天、军事武器、汽车、电子、体育器材等领域[1]。但是对于高体积比SiC/Al复合材料的制备工艺，技术尚不成熟，对制备工艺与组织性能之间关系的研究也不充分。因此，本文采用无压浸渗法制备SiC/Al复合材料，并对其进行组织、强度和断口分析，以便为SiC/Al复合材料的力学性能设计提供科学依据。
2实验方法
2.1 试验材料
本试验选用SiC粉料，粒度大小分别为7、20、40和63μm；选用淀粉作为造孔剂，酚醛树脂作为粘结剂；浸渗用的铝为工业纯铝。
2.2 试验方案
（1） 试样的制备：取一定量的SiC粉末和淀粉（5%），放入混料坩埚中搅拌均匀，然后再加入适量的酚醛树脂（2～5%），再次搅拌均匀，将混匀的原料称量后倒入钢模模具中，利用万能材料试验机，低速加压压制成毛坯。将毛坯在空气电阻炉中加热至120℃，并保温1.5h进行烘干处理，得到预制体。然后将预制体与适量纯Al放入坩埚里，在真空炉（真空度为15Pa左右）中以1150℃、保温2h的工艺条件下进行纯铝的无压浸渗，工艺曲线如图1所示。制备过程中，造孔剂在400℃左右燃尽，留下间隙，形成气孔。
（2） 组织与性能检测：用阿基米德排水法测量复合材料的密度与气孔率；采用三点弯曲法在电液伺服压力试验机上测定SiC/Al复合材料的弯曲强度，试样跨距20mm，加载速度0.5mm/min；采用光学显微镜观察无压浸渗法制备SiC/Al复合材料的组织结构；采用扫描电子显微镜分析复合材料的力学试验后的微观断口形貌。
3实验结果与讨论
3.1 强度与组织分析
不同颗粒大小的SiC预制体在形成复合材料时，其性能如表所示，可以看出强度由颗粒尺寸和气孔率共同决定，除20μm的SiC/Al复合材料以外,其余复合材料的抗弯强度随SiC颗粒尺寸的增大而减小。当铝液接触SiC多孔预制体时，颗粒越细小，形成的通道的尺寸越小，铝液受到的毛细压力越大，因此，细小颗粒越容易浸渗，得到的复合材料越致密[2]。在图2中，SiC 颗粒比较均匀地分布于铝基体中，SiC颗粒呈暗灰色，铝基体呈白色。由图可以看出,7μm的小颗粒虽然气孔率最低，但是在制备预制体过程中，颗粒容易积聚，导致最终形成的复合材料组织不均匀，而20μm的SiC 颗粒分布更为均匀，均匀分布的微观组织有利于复合材料在承载时缓和应力集中, 利于载荷传递, 提高材料的力学性能，因此强度较高[3]。
3.2 断口形貌的SEM观察
当复合材料的SiC 颗粒粒度分别为20、40μm时，进行断口形貌SEM 观察，观察结果如图3、4所示。相比之下，二种材料中，SiC颗粒粒度为20μm时复合材料断口较为平齐，断口表面上的SiC颗粒基本都是沿晶断裂，即一些裂纹的走向大致可勾画出SiC颗粒的形状，但当裂纹穿过铝合金相时，铝合金的韧性撕裂特征还是比较明显。
而对于SiC 颗粒粒度为40μm的复合材料，断口形貌起伏较大，是组织在断裂过程中呈现韧性断裂的结果。这说明这种沿晶断裂可能发生在SiC颗粒与基体的界面处，也可能是在基体中的近界面区；同时， 发现了穿晶解理特征。
在碳化硅颗粒较细的情况下(20μm)，肉眼观测即可发现，复合材料断口在色泽上有独特之处：即相当一部分断口区域呈现黑亮光泽(而其它区域为无光泽的灰色)；而当复合材料中加入的碳化硅颗粒尺寸较大时(40μm)，断口则呈现出无光泽的灰色。在复合材料弯曲变形过程中，大尺寸颗粒较难协同基体产生变形，由此容易产生应力集中，也会导致颗粒开裂，小尺寸的SiC容易和基体合金一起变形，而且由于其尺寸小，内部缺陷较少，因而解理倾向较小[4]。
4 结 论
（1） 由20μm的SiC 颗粒制备的SiC/Al复合材料组织均匀、强度高，若从力学性能角度设计复合材料，该尺寸较为理想。
（2） 小颗粒SiC/Al复合材料的断裂特征以沿晶断裂为主、局部有韧性撕裂，而大颗粒还伴有穿晶解理的特征。
参考文献
1 王文明,潘复生,LU Yun.搅拌铸造制备SiCp/Al复合材料 的研究现状[J].轻合金加工技术,2004，32（4）：1～6
2 胡 锐,朱冠勇,白海琪,李金山,傅恒志.高含量SiCp/Al复合 材料的无压浸渗机制[J].中国有色金属学报,2004, 14(11)∶1822～1827
3 张全萍,许伯藩,吴新杰,王 蕾.Mg对无压自浸渗制备SiCp/Al 复合材料组织与性能的影响[J]．中国有色金属学报，2002，2 (S1)：147
4 肖伯律，笔 敬，赵明久，马宗义．SiC 颗粒尺寸对铝基复合材 料拉伸性能和断裂机制的影响[J].金属学报,2002,38(9)
关键词SiC/Al复合材料，无压浸渗，抗弯强度，断裂机理
1 引 言
SiC/Al复合材料由于具有比强度高、比刚度高、耐磨性好、耐疲劳、高弹性模量等优异性能，广泛应用于航空航天、军事武器、汽车、电子、体育器材等领域[1]。但是对于高体积比SiC/Al复合材料的制备工艺，技术尚不成熟，对制备工艺与组织性能之间关系的研究也不充分。因此，本文采用无压浸渗法制备SiC/Al复合材料，并对其进行组织、强度和断口分析，以便为SiC/Al复合材料的力学性能设计提供科学依据。
2实验方法
2.1 试验材料
本试验选用SiC粉料，粒度大小分别为7、20、40和63μm；选用淀粉作为造孔剂，酚醛树脂作为粘结剂；浸渗用的铝为工业纯铝。
2.2 试验方案
（1） 试样的制备：取一定量的SiC粉末和淀粉（5%），放入混料坩埚中搅拌均匀，然后再加入适量的酚醛树脂（2～5%），再次搅拌均匀，将混匀的原料称量后倒入钢模模具中，利用万能材料试验机，低速加压压制成毛坯。将毛坯在空气电阻炉中加热至120℃，并保温1.5h进行烘干处理，得到预制体。然后将预制体与适量纯Al放入坩埚里，在真空炉（真空度为15Pa左右）中以1150℃、保温2h的工艺条件下进行纯铝的无压浸渗，工艺曲线如图1所示。制备过程中，造孔剂在400℃左右燃尽，留下间隙，形成气孔。
（2） 组织与性能检测：用阿基米德排水法测量复合材料的密度与气孔率；采用三点弯曲法在电液伺服压力试验机上测定SiC/Al复合材料的弯曲强度，试样跨距20mm，加载速度0.5mm/min；采用光学显微镜观察无压浸渗法制备SiC/Al复合材料的组织结构；采用扫描电子显微镜分析复合材料的力学试验后的微观断口形貌。
3实验结果与讨论
3.1 强度与组织分析
不同颗粒大小的SiC预制体在形成复合材料时，其性能如表所示，可以看出强度由颗粒尺寸和气孔率共同决定，除20μm的SiC/Al复合材料以外,其余复合材料的抗弯强度随SiC颗粒尺寸的增大而减小。当铝液接触SiC多孔预制体时，颗粒越细小，形成的通道的尺寸越小，铝液受到的毛细压力越大，因此，细小颗粒越容易浸渗，得到的复合材料越致密[2]。在图2中，SiC 颗粒比较均匀地分布于铝基体中，SiC颗粒呈暗灰色，铝基体呈白色。由图可以看出,7μm的小颗粒虽然气孔率最低，但是在制备预制体过程中，颗粒容易积聚，导致最终形成的复合材料组织不均匀，而20μm的SiC 颗粒分布更为均匀，均匀分布的微观组织有利于复合材料在承载时缓和应力集中, 利于载荷传递, 提高材料的力学性能，因此强度较高[3]。
3.2 断口形貌的SEM观察
当复合材料的SiC 颗粒粒度分别为20、40μm时，进行断口形貌SEM 观察，观察结果如图3、4所示。相比之下，二种材料中，SiC颗粒粒度为20μm时复合材料断口较为平齐，断口表面上的SiC颗粒基本都是沿晶断裂，即一些裂纹的走向大致可勾画出SiC颗粒的形状，但当裂纹穿过铝合金相时，铝合金的韧性撕裂特征还是比较明显。
而对于SiC 颗粒粒度为40μm的复合材料，断口形貌起伏较大，是组织在断裂过程中呈现韧性断裂的结果。这说明这种沿晶断裂可能发生在SiC颗粒与基体的界面处，也可能是在基体中的近界面区；同时， 发现了穿晶解理特征。
在碳化硅颗粒较细的情况下(20μm)，肉眼观测即可发现，复合材料断口在色泽上有独特之处：即相当一部分断口区域呈现黑亮光泽(而其它区域为无光泽的灰色)；而当复合材料中加入的碳化硅颗粒尺寸较大时(40μm)，断口则呈现出无光泽的灰色。在复合材料弯曲变形过程中，大尺寸颗粒较难协同基体产生变形，由此容易产生应力集中，也会导致颗粒开裂，小尺寸的SiC容易和基体合金一起变形，而且由于其尺寸小，内部缺陷较少，因而解理倾向较小[4]。
4 结 论
（1） 由20μm的SiC 颗粒制备的SiC/Al复合材料组织均匀、强度高，若从力学性能角度设计复合材料，该尺寸较为理想。
（2） 小颗粒SiC/Al复合材料的断裂特征以沿晶断裂为主、局部有韧性撕裂，而大颗粒还伴有穿晶解理的特征。
参考文献
1 王文明,潘复生,LU Yun.搅拌铸造制备SiCp/Al复合材料 的研究现状[J].轻合金加工技术,2004，32（4）：1～6
2 胡 锐,朱冠勇,白海琪,李金山,傅恒志.高含量SiCp/Al复合 材料的无压浸渗机制[J].中国有色金属学报,2004, 14(11)∶1822～1827
3 张全萍,许伯藩,吴新杰,王 蕾.Mg对无压自浸渗制备SiCp/Al 复合材料组织与性能的影响[J]．中国有色金属学报，2002，2 (S1)：147
4 肖伯律，笔 敬，赵明久，马宗义．SiC 颗粒尺寸对铝基复合材 料拉伸性能和断裂机制的影响[J].金属学报,2002,38(9)