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1、第卷年月第期第一页今庵 学玻认人一含量对一一复合材料组织与力学性能的影响吕鹏茄红强喻亮刘立显孙旭东东北大学材料与冶金学院材料各向异性与织构教育部重点实验室,沈阳摘要通过在一预烧体中真空熔渗制备了一一复合材料,研究了含量对复合材料显微组织和 力学性能的影响结果表明一一复合材料主要由,和等相组成随着含量的增加,复合材料的硬度逐渐降低,抗弯强度逐渐增大,断裂韧性先增大后稍微降低,当含量为质量分数时,复合材料的气孔率、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为,和延性的加入、裂纹的偏转和分叉、和晶粒的细化以及基体和晶粒热膨胀的不匹配,是造成材料断裂韧性提高的主要原因随着渗入量的增加,复合材料断口中金属撕裂棱及韧窝
2、的比例增加关键词复合材料,一一,真空熔渗,力学性能显微组织中图法分类号,文献标识码文章编号一一一一一,儿,乞,二夕,尸了叹斤,几。毕、。,忍革,尽。艺回叩尹艺乙夕才艺。二乞、乞坛彻一一一一一一一,。,。,一一,陶瓷具有密度低、化学稳定性高以及耐磨性好等优异的性能,在军工防护、化工和工程结构件方面具有广泛的应用前景,但由于的脆性很大,使其应国家自然科学基金资助项目收稿日期一一作者简介吕鹏,男,生,博士生用范围大受限制阵为了提高陶瓷的韧性,人们做了不少工作目前,主要的增韧补强方法有相变增韧、纤维晶须增韧和第二相颗粒弥散增韧等科研人员利用原位生成或直接添加制备出具有较高性能的一复合材料,另外,等与几
3、等将一些延性金属通过熔渗等技术添加到基体中来提高其韧性等人采用真空熔渗法向预烧体中熔渗一合金制备了一复合材料,具第期吕鹏等含量对一一复合材料组织与力学性能的影响有较高的力学性能李青等人卜。在氢气气氛中向多孔预烧体中熔渗纯及铝合金制备出具有较高力学性能的复合材料本文基于和同时增韧补强的原理,利用和反应生成,在制备出一多孔预烧体的基础上,采用真空熔渗工艺在一多孔预烧体中熔渗,制备出一复合材料,这方面的工作目前还没有见报道本文详细讨论 了不同成分对复合材料的显微组织和力学性能的影响及其补强增韧机理,论文结果对进一步提高陶瓷的性能、扩大其应用范围将具有重要的意义实验原料与实验方法粉末由大连巨星超硬材料
4、有限公司提供含量质量分数大于,毗。分别为和拼,粉末由沈阳光大照明有限公司提供含量 质量分数大于,毗。拼,熔渗的由永协铝业有限公司苏州提供 牌号为的铝合金板,采用自配的酚醛树脂一丙酮溶液作为粘结剂并提供原位反应生成所需要的碳首先制备一多孔预烧体,其中 毗。赵的和。拜的的比例为,按生成含量质量分数 分别为,添加和酚醛树脂一丙酮溶液采用球磨混料,介质为无水乙醇,磨球为刚玉球物料球磨后,在烘干,加入酚醛树脂一丙酮溶液粘结剂,然后造粒,并在下模压成形成形试样经烘干后,在下真空烧结,真空度为一多孔预烧体在真空下熔渗,熔渗工艺为,真空度为熔渗后的试样经线切割机、磨床等加工成的抗弯强度试样和、中间槽宽约、槽深
5、约的断裂韧性试样采用三点弯曲法测量抗弯强度跨距为,加载速率为采用单边切口梁法测试断裂韧性跨距为,加载速率为测量实验设备均为一型液压式万能试验机利用硬度计测量材料的硬度,排水法测量预烧体和最终复合材料的气孔率,衍射仪测定材料的物相组成,贾金相显微镜与咒透射电镜观察试样的显微组织,一型扫描电子显微镜观察试样的断口形貌实验结果与讨论复合材料的气孔率图是不同含量下一预烧体及渗后复合材料的气孔率从图中可以看出,预烧体的气孔率随含量的增加而增大,复合材料的气孔率随含量的增加呈减小的变化关系预烧体中的是由加入的,和酚醛树脂一丙酮溶液碳化后形成的共同反应形成的,一方面生成物的密度比反应物和的密度大,因此在预烧
6、体的宏观体积未发生明显变化的情况下,由于生成物的形成产生局部体积收缩,导致预烧体中气孔率的增加另一方面由于原料中含有酚醛树脂一丙酮溶液,在加热过程中有机物的挥发和气氛的形成也使预烧体的气孔率增加因此随着生成量的增加,预烧体中的气孔率也在增加预烧体的气孔率增加有利于气孔之间的贯通,使气孔的毛细孔作用力增加,对的渗入有利,随着的生成量增加而下降,复合材料的致密化程度逐渐提高复合材料的物相组成图是含的一一复合材料的图从图中可以看出,材料中除了,和人图不同含量下预烧体及复合材料的气孔率一一一旧利的三二议了夕昙泊一月斗六一几卜,一口一图含的一一复合材料的图一一金属学报第卷外,还有新生成的相产生在预烧体渗
7、过程中,和要发生如下反应、产、飞,才,乙最终反应产物是,该产物沿颗粒的边缘生长,具有增强与界面结合的作用复合材料中可能还含有,和,但由于其含量低于的测量灵敏度,所以在图中未出现复合材料的显微组织图是不同成分下一一复合材料的金相显微组织,呈深灰色的是基体相,较大的白色颗粒是相,呈浅灰色以及连续分布较小的白色颗粒是及相,黑色区域 可能是制样过程中陶瓷相脱落造成的由图可知,及主要存在于的颗粒之间,随着沼含量的增加的尺寸在细化,说明具有阻止晶粒长大的作用从图中还可以看出,及主要分布在基体的间隙处,并具有连续分布的特征,这是熔渗的基本特征随着含量的增加,及的量也在增加,并且连续分布的特征也明显增加复合材
8、料的力学性能一一复合材料的性能和与的含量以及相界面的结合强度有关,复合材料的硬度图为不同成分下复合材料硬度的变化规律由图可知,复合材料的硬度随着含量的增加而降低因为随着含量的增加预烧体中的气孔率增加,使复合材料中的渗入量增加,因此导致复合材料的硬度下降复合材料的杭弯强度图是不同成分下复合材料的抗弯强度由图可知,复合材料的抗弯强度随着含量的增加也即随着含量的增加而增加复合材料的抗弯强度与材料中的气孔率、强化相的尺寸和分布、相界面强度及晶粒尺寸有关材料中的气孔一方面降低了载荷作用的横截面积,使材料能够承受的应力减小另一方面气孔也是应力容易集中的地方,当孔隙处的应力达到临界值时,就会形成裂纹并扩展“
9、复合材料中的相是与的产物,因此该相主要存在于与的相界处,相可改善骨架与界面的结合强度晶粒尺寸对强度的影响可由关系式二而,为系数,为颗粒直径 来反映,可见断裂强度随颗粒尺寸减小而增大随着含量的增加,材料气孔率降低,晶粒逐渐细化,界面结合强度提高,这些因素对材料抗弯强度的提高起到积极作用图不同含量的复合材料的金相组织,第期吕鹏等含量对一一复合材料组织与力学性能的影响料断裂韧性的进一步提高,含量为的复合材料的断裂韧性稍微下降可能就是这个原因另外,和两相的热膨胀系数及弹性模量不匹配将导致残余热应力场的存在,对韧性提高也起到一定的作用,图的照片表明,在颗粒上存在明显的应力环这样当裂纹扩展经过这个应力场时
10、,将发生如图所示的偏转,从而增加了裂纹扩展路径,吸收了更多的能量,使断裂韧性得到了提高匕工的的 门工口芝小石。们一山图复合材料中颗粒周围的应力环一韶望任门乏,。二。巴乞比图含量对复合材料硬度、抗弯强度及断裂韧性的影响图热膨胀不匹配引起的裂纹偏转复合材料的断裂韧性图是不同成分下复合材料的断裂韧性变化由图可知,随着含量的增加,材料的断裂韧性基本上呈增大趋势,仅在含量为处略有下降晶粒尺寸的大小直接影响裂纹的产生、分叉和走向,延性铝的加入可以导致塑性变形引起的裂纹尖端屏蔽、主裂纹周围微开裂以及延性裂纹桥,由于使材料晶粒细化、渗入的屏蔽了裂纹,因此使材料的断裂韧性提高但渗入过多时可能会与反应生成危害性较
11、大的脆性相,从而影响材复合材料的断裂特点图为不同成分复合材料的断口形貌可以看出当含量较少时,断口中主要呈现穿晶和沿晶混合的断裂特点图含量增加时,断口中出现了少量的金属撕裂棱和较浅的韧窝图当含量的进一步增加时,金属撕裂棱及韧窝的比例增加图,断口中呈现穿晶断裂,是由于与的相界面的强度大于本身的强度所致,呈现沿晶断裂则可能是与或与的界面强度低所致渗入量的增加改善了陶瓷相之间的界面状态,因此形成了金属撕裂棱和韧窝的断裂特点金属学报第卷图不同含量复合材料的断口形貌,艺结论经反应预烧结和真空熔渗制备的一复合材料主要是由,以及等相组成随着含量增加,复合材料硬度逐渐降低,杭弯强度和断裂韧性逐渐增大,但断裂韧性在含量为时略有降低当含量为时,复合材料具有较好的综合性能材料的气孔率、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为,和延性铝的加入、裂纹的偏转和分叉、晶粒的细化以及热膨胀的不匹配是造成材料断裂韧性提高的主要原因随着渗入量的增加,复合材料断口中金属撕裂棱及韧窝的比例增加参考文献【,。二爪,已,云亡从。,李世波,温广武,张宝生金属学报,【,、晓,二二。,二、,【,【,亡,【,亡亡已吼,【,一【,。二夕,李青,华文君,崔岩,张少卿材料工程,【,。二、,周玉,雷廷权陶瓷材料学第二版,北京科学出版社,【乞二。乞,王零森 特种陶瓷第二版,长沙中南工业大学出版社,。、,【,二二,【,乞,【,二饥,二二,