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1、http:/-1-ECAP 加工对加工对 SiCp/ZL108 铝基复合材料韧性的影响铝基复合材料韧性的影响 吴瑛，林萍华，马爱斌，江静华 河海大学材料科学与工程系，南京(210098)E-mail：wuying1981hotmail.con 摘摘 要：要：本文采用等通道转角挤压（ECAP）对 6%SiCp/ZL108 铝基复合材料进行加工，研究其常温和低温冲击韧性。研究结果表明，经过 ECAP 挤压 6 道次试样，其低温冲击韧性，在 20C 到 0C 温度范围内，随温度的降低而下降，在 0C 到-35C 温度范围内，随温度的降低而升高。经 ECAP 加工后的复合材料，冲击韧性为11.9J/c
2、m2，是未经 ECAP 加工复合材料冲击韧性（1.3J/cm2）的 9 倍。关键词：关键词：ECAP；颗粒增强金属基复合材料；冲击韧性 中图分类号：中图分类号：TG113.25+4 1.引引 言言 颗粒增强金属基复合材料（PMMC）因其工艺简单，价格低廉，性能各向同性，可二次加工的优点1，使金属基复合材料（MMC）的实用化成为可能，逐渐成为研究的热点，但是，PMMC 的低塑性和低韧性已逐渐成为其发展的阻碍之一，因此近年来改善 PMMC 塑性和韧性已成为这个学科的研究热点之一。ECAP 作为大塑性变形的一种加工方法，能有效细化材料晶粒，提高材料力学性能2-6。在过去的 20 多年中，ECAP 已
3、应用于许多金属及其合金7-10，但是直到目前，ECAP 在复合材料领域的应用还是非常有限。本文研究采用搅拌铸造法制备的 SiCp/Al 复合材料，并对其进行 ECAP 加工。本文将就搅拌铸造法的装置及工艺，ECAP 加工后 SiCp/Al 冲击韧性进行研究、分析，并对冲击断口进行了 SEM 观察。2.实验方法实验方法 2.1 复合材料制备复合材料制备 本文采用液态搅拌铸造法12-13制备 6%SiC/ZL108 复合材料。加热装置为 4KW 井式炉，炉温控制精度5C。搅拌装置采用数显无级调速电机，转速从 0-3000r/min 无级调速。浇铸出来试样尺寸为直径为 20mm，长度为 150mm
4、的试棒（不包括浇冒口）。2.2 ECAP 原理及挤压路径原理及挤压路径 本文 ECAP 试样采用线切割，沿浇铸试棒长轴方向加工成长方体试块，尺寸为14.5mm14.5mm40mm。采用课题组自行设计的等通道转角挤压（英文全称：Equal-channel Angular Pressing，简称：ECAP）模具，内角为 90、外角为 0，原理见图 1。模具材料由 H13 热作模具钢制造，其通道直径尺寸为 15mm15mm。挤压路径采用近似 A 路径的方法（标为 A）和近似 C 路径的方法（标为 C），见图 2 和图 3 所示。路径 A：试样每次挤压后，沿 X 轴方向旋转 180（如图 2）。路径
5、C：试样每次挤压后，沿 X 轴方向旋转 180，同时沿 Y 轴方向旋转 180（如图 3）。http:/-2-图 2 路径 A Fig.2 Route A of ECAP 图 3 路径C Fig.3 Route C of ECAP A B Y XA BA A B A B Y XA B A B 图 1 等通道转角挤压原理图14 Fig.1 Principle diagram of ECAP http:/-3-2.3 冲击试验冲击试验 沿 ECAP 加工后试块的纵轴方向取尺寸为 3mm4mm34mm 的长方体,不开缺口。常温冲击试验：在 18C 室温下，分别测定路径 A、C下不同道次冲击试样的冲击
6、功，计算相应的冲击韧度值。低温冲击试验测定不同道次、不同路径（路径 A、路径 C）挤压试样在-35C、-20C 和 0C 下放置 24 小时后的低温冲击功，计算相应的冲击韧度值。3.结果与讨论结果与讨论 3.1 常温冲击韧性常温冲击韧性 012345670246810Abosorbed energy,J.cm-2Number of ECAP passes(a)Route C 0123456702468101214Absorbed energy,J.cm-2Number of ECAP passes(b)Route A 图 4 SiCp/ZL108 常温下不同道次变形后冲击韧性变化曲线（a）路径
7、 C（b）路径 A Fig4 The absorbed energy of the samples as a function of passes（a）Route C（b）Route A 图4为SiCp/ZL108铝基复合材料在常温下，冲击韧性随挤压道次增加的变化情况。从图4（a）中可以明显地看出，在C路径下随着挤压道次的增加，即变形量的增加，冲击韧性整体的趋势是提高的。铸态时SiCp/ZL108的冲击韧度值为1.3J/cm2，挤压1道次后，冲击韧度值提高到5.9J/cm2，材料冲击韧度值随着挤压道次的增加而升高；经过6道次挤压后，提高到9.1J/cm2，相当于铸态SiCp/ZL108复合材料
8、冲击韧度值的7倍。从图4（b）可以看到，经过A路径挤压后SiCp/ZL108铝基复合材料的冲击韧性明显提高，A路径下随着挤压http:/-4-道次的增加，冲击韧性急剧增加，经过5道次挤压后，冲击韧度值提高到11.9J/cm2，相当于铸态SiCp/ZL108复合材料冲击韧度值的9倍；当经过6次挤压后，复合材料的冲击韧性有所下降，相关原因有待进一步探讨。由图5可见，在同样挤压4、5道次下，SiCp/ZL108复合材料经过A路径挤压后其冲击韧性明显高于经过C路径挤压后的冲击韧性。这是因为在相同挤压道次（即变形量相同）的情况下，A路径比C路径能更有效的细化基体晶粒14-16，从而表现为A路径下冲击韧性
9、高于C路径。01234567024681012Absorbed energy,J.cm-2Number of ECAP passes A C 图 5 SiCp/ZL108 在常温下，A、C路径下同道次变形后冲击韧性曲线比较 Fig.5 The absorbed energy of the samples as a function of passes:route A compared to route C 3.2 低温冲击韧性低温冲击韧性 3.2.1 相同路径和不同道次下的韧性相同路径和不同道次下的韧性 由图6（a）可以看出，在路径C方式挤压下，当试样经ECAP挤压3道次后，其冲击韧性随温度降
10、低不规则变化，从20C到0C过程中，冲击韧性略有上升，随着温度进一步下降到-20C，试样的冲击韧性下降到曲线最低点，而当温度由-20C下降到-35C时，试样的冲击韧性明显提高，并且高于试样在常温时的冲击韧性。当试样经ECAP挤压4道次后，其冲击韧性随温度降低而降低，在-20C时，下降到曲线的最低点，然后温度继续降低，冲击韧性反而升高。当试样经ECAP挤压6道次后，其冲击韧性先随着温度的降低而下降，在0C时下降到曲线最低点，然后随着温度的下降，其冲击韧性明显升高。由图6（b）可以看到，在A路径下，试样经过ECAP挤压4道次后，其冲击韧性先随温度的降低而下降，在-20C时，下降到曲线的最低点，然后
11、随着温度的下降，其冲击韧性升高。试样经过ECAP挤压6道次后，其冲击韧性随着温度的降低而减少，在0C达到曲线的最低点，然后随着温度的下降，其冲击韧性明显升高。这一现象与通常金属低温韧性随温度降低而降低相矛盾。但与Y.T.Zhu等人17在对纳米钛低温冲击韧性研究结果相一致，据分析，这是因为材料在低温下具有更高的塑性；从微观角度来说，位错饱和率是由位错产生速率和回复速率两部分的平衡而决定，在低温高应变速率下位错饱和率增加，结果导致加工硬化速率恢复，均匀变形增加，从而导致高的塑性变形能力。因此，高强度、高塑性、大量细密均匀的韧窝是低温下材料冲击韧性得以提高的主要原因。http:/-5-40-30-2
12、0-10010200246810Absorbed energy,J.cm-2Temperature,T/oC C6 C4 C3(a)-40-30-20-1001020024681012Absorbed energy,J.cm-2Temperature,T/C A6 A4(b)图 6 SiCp/ZL108 不同道次挤压变形后，低温下冲击韧性变化曲线（a）路径 C（b）路径 A Fig.6 The variety of absorbed energy under different temperature(a)by route A(b)by route C.3.2.2 相同道次和不同路径下的韧性相
13、同道次和不同路径下的韧性 由图7（a）可以明显看出，4次挤压后，在路径A、C变形量相同情况下，复合材料冲击韧性的趋势一致，随着温度的降低而下降。在-20C时冲击韧性最低，然后温度继续降低，冲击韧性反而升高；常温下，路径A挤压下复合材料冲击韧性高于路径C挤压下复合材料的冲击韧性；低温下，路径C挤压下复合材料冲击韧性高于路径A挤压下复合材料的冲击韧性。由图7（b）看出，6次挤压后，在路径A、C变形量相同情况下，复合材料冲击韧性的趋势一致，随着温度的降低而下降，在0C时，冲击韧性最低；温度继续降低，冲击韧性反而升高；但路径A挤压6次后，试样冲击韧性急剧下降，所以常温下路径A试样的冲击韧性小于由路径C
14、挤压试样的冲击韧性。同时，发现随着温度的下降，路径A试样的冲击韧性在0C、-20C下略高于路径C试样的冲击韧性，当温度降到-40C时，其冲击韧性明显低于路径C试样的冲击韧性。http:/-6-40-30-20-1001020024681012Absorbed energy,J.cm-2Temperature,T/oC A4 C4(a)-40-30-20-100102030024681012Absorbed energy,J.cm-2Temperature,T/oC A6 C6(b)图 7 SiCp/ZL108 低温冲击韧性变化曲线 A、C路径挤压比较（a）4 道次（b）6 道次 Fig.7 T
15、he variety of absorbed energy under different temperature(a)after 4 passes(b)after 6 passes.4.结论结论（1）在370C下，采用路径C，ECAP能成功挤压SiCp/ZL108复合材料6次；采用路径A，能成功挤压5次。（2）ECAP加工可显著提高SiCp/ZL108复合材料的冲击韧性。经C路径挤压6道次后，其冲击韧性是铸态材料的7倍；经A路径挤压5道次后，其冲击韧性是铸态材料的9倍。冲击韧性是材料强度和塑性两方面的综合表现，复合材料通过挤压后，强度和塑性都得到了提高，因此材料的冲击韧性得到显著提高。（3）
16、SiCp/ZL108复合材料经ECAP挤压4道次，其冲击韧性在20C到-20C范围内随温度的降低而下降，在-20C到-35C范围内随温度的降低而升高；经过ECAP挤压6道次，其低温冲击韧性在20C至0C范围内随温度的降低而下降，在0C至-35C范围内随温度的降低而升高。（4）随着挤压道次的增加（即变形量的增加），SiCp/ZL108复合材料低温冲击韧性最http:/-7-低所对应的温度从挤压4道次下的-20变为6道次下的0C。参考文献参考文献 1 刘耀辉，李庆春，何镇明金属基铸造颗粒复合材料 J复合材料学报，1989，6（1）：55 2 田景来ECAP 纯铝 L2 的组织与性能研究 D西安，西
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22、ughness Wu Ying Department of Material science and engineering,Hohai University,Nanjing(210098)Abstract Equal channel angular pressing(ECAP)was applied to the 6%SiCp/ZL108 composite,and the impact toughness at ambient temperature and at low temperature were investigated.The results showed that the i
23、mpact toughness of composite which was processed 6 passes,was decreased with the depressed temperature from 20C to 0C,and was elevated from 0C to-35C.The impact toughness of as-cast sample is only 1.3J/cm2,but the impact toughness increased to 11.9J/cm2 after processing 5 passes by route A.Keywords:ECAP;particle reinforced metal matrix composite;toughness 作者简介：作者简介：吴瑛，女，1981年生，硕士研究生，主要研究方向是等通道转角挤压，金属基复合材料。