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 鄧高生  楊瑞賓  劉忠俠

 （鄭州大學物理工程學院，材料物理教育部重點實驗室）

 摘要采用液態(tài)攪拌鑄造制出了纖維長度分別為2 mm和3 mm、含量為2%的短碳纖維增強的含Sc的2024鋁基復(fù)合材料。用加載-卸載法研究了兩種材料不同時效態(tài)的微屈服性能。結(jié)果表明，短碳纖維增強2024鋁基復(fù)合材料的微屈服強度具有宏觀強度時效強化規(guī)律特征。峰值時效的材料具有最高的微屈服強度；微屈服階段硬化率先增大后減小，均遠高于宏觀屈服初期硬化率。相比于2 mm碳纖維，3 mm碳纖維增強的含Se的2024鋁基復(fù)合材料具有更高的微屈服強度。

 關(guān)鍵詞鋁基復(fù)合材料；微屈服；碳纖維長度；時效工藝

 中圖分類號  TB331; TG146. 21DOI:10. 15980/j. tzzz．2016. 06. 023

 短碳纖維增強鋁基復(fù)合材料兼具低密度、高導電導熱性、高比強度、高尺寸穩(wěn)定性及耐腐蝕性等優(yōu)點，在精密儀器儀表領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，短碳纖維增強鋁基復(fù)合材料的性能受到碳纖維與基體的性能、碳纖維的含量與分布、碳纖維與鋁基體的熱匹配性能、基體的界面性能等因素的影響。特別是大部分短碳纖維增強鋁基復(fù)合材料具有較高的碳纖維體積含量，這雖然有利于復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性的改善，但會使復(fù)合材料的致密度和加工性能有所下降。因此，要實現(xiàn)復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性、致密度和加工性能的良好配合，有必要降低復(fù)合材料中的碳纖維含量。

 微屈服強度亦即精密彈性極限，是復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性的重要評價標準，它是指材料在載荷短期作用下材料產(chǎn)生10 -6量級殘余應(yīng)變時所對應(yīng)的強度。目前關(guān)于鋁基復(fù)合材料微屈服性能的研究主要集中于顆粒增強如Si C、Al2 O3等顆粒、亞微米級顆粒和少數(shù)硅酸鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料等材料。然而，關(guān)于不同長度短碳纖維增強鋁基復(fù)合材料的微屈服行為研究報道較少。研究發(fā)現(xiàn)，Si C、Al2 O3等顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有較鋁合金更高的微屈服強度。增加增強體的體積含量，進行固溶時效處理有利于改善復(fù)合材料的微屈服強度。特別是當進行峰值時效處理時，復(fù)合材料具有最好的微屈服強度。增強體的形狀、體積分數(shù)也對材料性能具有顯著的影響，較小的顆粒尺寸，較長的纖維長度均可改善材料的微屈服行為。值得注意的是，復(fù)合材料的微屈服強度對復(fù)合材料微觀組織非常敏感，基體的晶粒尺寸，析出相的形貌、尺寸、分布均會對復(fù)合材料的微屈服強度產(chǎn)生顯著的影響。2024鋁合金具有顯著的時效強化特性，在航空、航天和汽車制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，與2024鋁合金相比，含鈧2024鋁合金由于Sc的加入，晶粒更加細小，形成的初生及次生Al3 Sc粒子與基體共格，能作為異質(zhì)形核核心，細化晶粒，使析出相分布更加彌散，且Al3 Sc粒子本身具有良好的高溫穩(wěn)定性，能抑制合金再結(jié)晶和長大，有效釘扎位錯運動及穩(wěn)定合金亞結(jié)構(gòu)，因此有可能進一步改善2024鋁合金的微屈服強度和尺寸穩(wěn)定性。本課題通過制備碳纖維含量為2%的含Sc的2024鋁合金復(fù)合材料，研究了不同時效工藝對不同長度短碳纖維增強含Sc的2024鋁基復(fù)合材料微屈服行為的影響，探究復(fù)合材料微屈服行為的規(guī)律，以期為短碳纖維增強鋁基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用提供參考。

1材料制備及試驗方法

1.1材料制備

 2024鋁合金成分（質(zhì)量分數(shù)，下同）為：4. 45%的Cu，1.71%的Mg，0.5%的M n，0.09%的Zn，0.3%的Sc，0.2%的Z r，余量為Al。當合金中w(Cu)：w(Mg)為2. 61時，析出相主要為Al2 Mg Cu; Al2 Mg Cu比Al2 Cu熱穩(wěn)定性更高，強化作用更強。碳纖維直徑為7m，長度分別為2 mm和3 mm，性能見表1。

在450℃高溫灼燒去除碳纖維束有機包覆層。灼燒后的碳纖維進行化學鍍銅。短碳纖維增強鋁基復(fù)合材料在SG-7. 5-105kW的坩堝電阻爐中配制。先把純鋁原料放入坩堝中加熱至780℃，熔化后添加Zn粒、Al-Cu、Al-M n、Al-Sc中間合金，完全熔化后保溫10min，然后采用高純A r氣除氣精煉10 min，扒渣后加入2%的鍍銅碳纖維并攪拌均勻，加完后保溫10 min。降溫至760℃后加入用鋁箔包覆的Mg，熔化后混合均勻。待溫度降至700～720℃時澆入預(yù)熱至250℃的金屬型，所得試樣尺寸為+70 mm×200 mm。鑄錠經(jīng)470℃×24 h均勻化后，在480℃擠壓成直徑為+28 mm的棒料。擠壓后的兩種復(fù)合材料加工成標距為廬5 m mX25 mm的標準拉伸試樣，在495℃×4h固溶時效后水冷。時效工藝為雙級時效工藝，首先在130 0C×3h時效，空冷到室溫，然后在200℃分別時效5、10、15 h。

1.2微觀組織分析和力學性能試驗

2試驗結(jié)果及討論

2.1微觀組織分析

 圖2為兩種短碳纖維增強含Sc的2024鋁基復(fù)合材料擠壓態(tài)的顯微組織。從圖2看出，2 mm碳纖維較3 mm碳纖維在基體中的分布更加均勻。這可能因為在相同含量下，2 mm碳纖維數(shù)量大于3 mm碳纖維的，因此，碳纖維與基體間的界面更多，界面能更高，在熔鑄過程也容易團聚、聚集。圖3為碳纖維的放大形貌和EDS能譜分析，可見碳纖維周圍富集Cu、Mg等合金元素。碳纖維導熱性優(yōu)于基體合金，因此在合金制備凝固時，基體纖維界面將最后凝固，極易在界面附近產(chǎn)生共晶相。

2.2微屈服規(guī)律

 圖4為復(fù)合材料經(jīng)過不同工藝熱處理后的應(yīng)力一殘余應(yīng)變曲線。可以看出，兩種材料在3種時效狀態(tài)下硬化率均呈先增加后減小趨勢。理論分析表明，與宏觀屈服塑形變形位錯運動機理不同，低于宏觀屈服應(yīng)力下的微塑性變形是材料內(nèi)部局部區(qū)域內(nèi)已有位錯短程滑移的結(jié)果。試驗中由于界面、夾雜、析出相、熱錯配等存在，復(fù)合材料局部區(qū)域內(nèi)部已存在一定密度的可動位錯，達到臨界微屈服應(yīng)力后，位錯滑移，微塑性變形開始，當位錯運動到晶界、亞晶、纖維與基體界面、強化相等處時，此時應(yīng)力不足以使位錯越過障礙，位錯在障礙處塞積，材料內(nèi)可動位錯越來越少，硬化率逐漸增大；隨著外加應(yīng)力逐漸增加，當增大到某一程度時，位錯已能越過障礙，且材料內(nèi)部大部分區(qū)域位錯源被激活，放出大量位錯，硬化率降低，此時材料進入宏觀屈服初期。

2.3  時效狀態(tài)及纖維長度對微屈服強度的影響

 合金內(nèi)部對已有可動位錯運動的阻礙性越強，位錯運動越加困難，其微屈服強度越高。2024鋁合金的時效處理研究表明，時效初期，材料內(nèi)部形成溶質(zhì)原子的偏聚區(qū)（G．P區(qū)），與母相結(jié)構(gòu)相同，并具有完全共格的界面。由于G．P區(qū)溶質(zhì)原子（Mg、Cu等）半徑與基體a-AI原子半徑存在差異，使得晶格產(chǎn)生一定程度的畸變，產(chǎn)生晶格畸變應(yīng)力場，應(yīng)力場的存在使得材料內(nèi)部可動位錯運動變得困難。隨著時效的進行，G．P區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎�(wěn)過渡相θ-Al2Cu、S-Al2MgCu，它們與母相也有共格界面，但相比于G．P區(qū)，在材料中它們已成為獨立的結(jié)構(gòu)，此時為保持共格關(guān)系，其周圍會產(chǎn)生很大的點陣畸變，且相比于G．P區(qū)，其畸變能更大，位錯運動更加困難。時效脫溶后期，亞穩(wěn)過渡相θ、S向穩(wěn)定的θ、S平衡相轉(zhuǎn)變，其與基體不共格，無共格彈性應(yīng)力場，對位錯運動的阻力減弱，且隨著時效的進一步進行，θ、S'平衡相聚集長大，發(fā)生Ostwald熟化，對位錯運動阻力進一步減弱。因此，材料微屈服強度呈先增加后減小的趨勢，于峰時效處達到峰值，增加或減少時效時間均無益于微屈服強度的增加。

 在相同體積分數(shù)下，2 mm的碳纖維在加入數(shù)量上相比于3 mm多出33%，較3 mm碳纖維晶粒細化作用更大，微屈服強度理應(yīng)更高；但同時，在復(fù)合材料中，3 mm碳纖維與基體界面接觸面積低于2 mm的；然而，微塑性變形是材料內(nèi)部局部區(qū)域內(nèi)已有可動位錯作短程滑移的結(jié)果，合金內(nèi)部已有可動位錯密度越高，微屈服強度越低。由于碳纖維與基體間熱膨脹性能的差異，材料凝固及熱處理過程中，由熱錯配而在碳纖維與基體界面產(chǎn)生大量可動位錯，3 mm復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的可動位錯密度更低，微塑形變形困難；相比于3 mm碳纖維，2mm碳纖維數(shù)量更多，界面能更高，更易團聚，纖維間縫隙更多，于復(fù)合材料內(nèi)部形成缺陷，應(yīng)力集中程度更高，微塑性變形易發(fā)生，因此合金的微屈服強度減小。

3  結(jié)  論

 (1)采用液態(tài)攪拌鑄造法獲得了纖維長度分別為2mm和3 mm的且含量為2%的短碳纖維增強含Sc的2024鋁基復(fù)合材料，短碳纖維在基體中的分布均勻，與基體結(jié)合良好。

 (2)短碳纖維增強含Sc的2024鋁基復(fù)合材料微屈服強度具有宏觀時效強化規(guī)律特征，峰值時效材料具有最高的微屈服強度；微屈服階段硬化率先增大后減小，均遠高于宏觀屈服初期硬化率，這與其位錯運動機理與宏觀屈服不同有關(guān)。

 (3)相比于2 mm短碳纖維，3 mm短碳纖維增強含Sc的2024鋁基復(fù)合材料微屈服強度更高，原因在于3 mm碳纖維與基體界面接觸面積小，材料內(nèi)部可動位錯密度低，微塑形變形困難。