第35卷第2期2014年2月材料热处理学报TＲANSACTIONS OF MATEＲIALS AND HEAT TＲEATMENTVol ．35No ．2February2014微米级SiC 颗粒对铝基复合材料拉伸性能与强化机制的影响郝世明1，3，谢敬佩2，王行2，王爱琴2，王文焱2，李继文2（1．河南科技大学物理与工程学院，河南洛阳471023；2．河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471023；3．郑州大学物理工程学院，郑州大学材料物理教育部重点实验室，河南郑州450001）摘要：为了研究微米级碳化硅颗粒（SiCp ）尺寸对中体积分数SiCp 增强铝基复合材料的拉伸性能与强化机制的影响，用粉末冶金工艺制备体积分数为30%的SiCp /2024Al 复合材料，利用OM ，SEM ，万能材料试验机等对材料微观结构和拉伸性能进行了研究。
结果表明，复合材料的拉伸强度随着SiCp 尺寸的减小而增大。
当SiCp 尺寸为3μm 时，复合材料的断裂主要以界面处的基体合金撕裂为主；当SiCp 尺寸为25μm 和40μm 时，复合材料的断裂以SiCp 解理断裂为主；当SiCp 尺寸为8μm 和15μm 时，复合材料的断裂方式是以界面处的基体合金撕裂和SiCp 的断裂共同作用。
3μm SiCp 增强复合材料相对密度不高、SiCp 分布不均匀但其拉伸强度最大，主要原因为受力时小SiCp 极少断裂和小颗粒效应导致基体的显微组织强化。
关键词：金属基复合材料；颗粒尺寸；拉伸性能；强化机制；粉末冶金中图分类号：TB 331文献标志码：A文章编号：1009-6264（2014）02-0013-06Effects of size of micrometer SiC particles on tensile properties and strengtheningmechanism of SiCp reinforced aluminum matrix compositesHAO Shi-ming 1，3，XIE Jing-pei 2，WANG Hang 2，WANG Ai-qing 2，WANG Wen-yan 2，LI Ji-wen 2（1．School of physics and engineering ，Henan University of Science and Technology ，Luoyang 471023，China ；2．School of Materials Science and Engineering ，Henan University of Science and Technology ，Luoyang 471023，China ；3．Physical Engineering College ，Zhengzhou University ，Zhengzhou 450001，China ）Abstract ：In order to study the effects of micrometer SiCp size on tensile properties and strengthening mechanism of SiCp reinforced aluminum matrix composites ，SiCp /2024Al composites was fabricated by powder metallurgy technique ，and microstructure of the composites was observed by OM ，SEM and its tensile properties were measured．The results show that strength of the composites increases with decreasing SiCp particle size．When the particle size is 3μm ，the fracture of the material is caused by tearing of matrix near interface．The failure of the composites with SiCp size of 25μm and 40μm results from cracking of the SiCp．When the particle size is 8μm and 15μm ，the failure of the composite occurs by combination mechanism of tearing of matrix near interface and cracking of the SiCp．The SiCp of 3μm reinforced composites has maximum tensile strength despite its relative density is low and distribution is heterogeneous．The main reason is due to the rarely fracture of small SiCp and the higher strengthening effect of the small SiC particles on the matrix．Key words ：metal matrix composites ；particle size ；tensile property ；strengthening mechanism ；powder metallurgy收稿日期：2012-12-30；修订日期：2013-12-28基金项目：国家自然科学基金项目（51371077）；河南省国际科技合作基金项目（084300510006）作者简介：郝世明（1975—），男，博士研究生，讲师，主要从事金属基复合材料研究，E-mail ：s_m_hao@126．com 。
通讯作者：谢敬佩（1957—），男，博士，教授，E-mail ：xiejp @haust．edu．cn 。
先进航空航天飞行器不断追求轻量化，高性能化，长寿命，高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展［1］。
SiCp /Al 复合材料具有低密度、高比刚度、低膨胀、高导热等优异的综合性能，经过近30年的发展，在航空航天领域逐渐得到了规模应用［2-5］，有望成为继铝合金和钛合金后的新型结构材料。
与低体分的结构级碳化硅颗粒增强铝基复合材料相比，光学/仪表级的中等体分（30% 45%）碳化硅颗粒增强铝基复合材料的功能化特性比较突出，即不仅具有比铝合金和钛合金高出一倍的比刚度，还有着与铍材及钢材接近的低热胀系数和优于铍材的尺寸稳定性。
因此，该种复合材料可替代铍材用作惯性器件，并被誉为继铝合金和铍合金后“第三代航空航天惯性器件材料”［6］。
近年来许多学者对增强体尺寸对铝基复合材料力学性能和强化机理进行研究。
郦定强等［7］研究了SiC 颗粒尺寸对用粉末冶金工艺制得的SiCp /2124AlDOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2014.02.003材料热处理学报第35卷复合材料变形行为和力学性能的影响，结果表明在体积比为20%的条件下，当尺寸为8μm时屈服强度和拉伸强度出现峰值。
金鹏等［8］研究了碳化硅颗粒（SiCp）尺寸对用粉末冶金法制备体积分数为15%的SiCp/2009Al复合材料力学性能和断裂机制的影响，结果表明，复合材料的强度随着SiCp尺寸的增大而减小，塑性则随着颗粒的增大而增大。
肖伯律等［9］对粉末冶金法制备的不同尺寸、体积分数为l7%的SiCp增强铝基复合材料的拉伸性能进行了研究，SiCp 尺寸分别为3.5、7、10和20μm，结果表明，SiCp尺寸为7μm时复合材料拉伸性能最好。
部分学者［10-11］认为颗粒增强复合材料的力学性能随增强体颗粒尺寸的增大而降低。
也有学者［12］认为，增强粒子体积分数一定时，粒子尺寸对于强度没有明显的影响。
以上研究均侧重于低体积分数（小于20%）。
刘君武等［13］利用近净成形技术制备60vol% 67vol% SiCp/Al复合材料，研究碳化硅颗粒级配及热处理对材料力学性能的影响，认为较细的SiCp级配和退火处理都能有效提高复合材料的强度。
尽管多篇论文涉及到增强体颗粒尺寸对复合材料力学性能影响，并且引起越来越多研究者的关注，但所得实验结论和观点却不尽相同。
由于颗粒选取尺寸差异较大，不利于归纳其影响规律。
对于粉末冶金制备中体积分数SiCp增强铝基复合材料，由于颗粒含量的增加，其分布和结合均会相应发生变化，研究增强体颗粒尺寸对复合材料力学性能影响是十分必要的。
鉴于此，本文选择合适的增强体颗粒尺寸变化范围，用粉末冶金法制备不同SiCp尺寸增强铝基复合材料，研究SiCp尺寸对复合材料拉伸性能与强化机制的影响。
1试验材料及方法以雾化法获得的平均直径10μm的2024Al粉末作为基体材料。
增强体SiCp平均粒径分别为3，8，15，25和40μm。
增强体以30%的体积比与铝粉混合，采用Y型混料机球磨混料，磨球的直径为8mm 和5mm，材质为氧化铝，球料比2：1，转速50r/min，时间24h。
将混合粉末装入模具中，在VDBF-250型真空扩散焊实验机（真空度为2.3ˑ10－3Pa）上进行真空热压烧结，以8ħ/min的速度加热到580ħ，施加80MPa压力，保压保温时间为3h，然后在真空保护状态下炉冷。
材料的密度用Archimedes水浸法测量。
拉伸试验在在岛津AG-I250KN精密万能材料试验机上以0.5mm/min的位移速度进行，拉伸试样直径5mm，标距段长25mm。
采用OLYMPUSPME型光学显微镜分析复合材料的颗粒分布，在JSM-5610LV型扫描电镜上对试样微观组织及断口形貌进行观察。
2结果与讨论2.1复合材料中SiC颗粒分布图1为不同尺寸SiCp增强复合材料的显微组织。
图中黑色部分为SiCp，白色部分为铝基体。
由图1（a）看出在复合材料中SiCp出现了明显的团聚现象；由图1（b）和1（c）看出SiCp在复合材料中基本分布均匀，略有颗粒团聚。
从图1（c）和1（d）看出SiCp分布更加均匀。
SiCp尺寸越细小越容易形成颗粒簇。
2.2复合材料的显微组织图2为不同SiCp尺寸复合材料在1500倍下的显微组织及EDS图谱。
除明显的SiC和铝基体外，在颗粒尖角处和基体中存在白色颗粒，EDS分析显示为AlCu合金相，如图2（f）所示。