噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料的熱疲勞行為

摘要:采用v型缺口試樣對噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料進行了熱循環試驗，用光學金相顯微鏡和掃描電鏡研究了在熱應力作用下的熱疲勞裂紋擴展方式和形態。結果表明:熱疲勞裂紋優先在v型缺口處萌生;復合材料經一定得熱循環次數后隨相對密度的提高，裂紋擴展速率下降;在復合材料的三大相——#61537;-Al基體、Si相以及SiC顆粒中，#61537;-Al基體阻礙熱疲勞裂紋的擴展，裂紋非連續性擴展;裂紋擴展方式受Si相的尺寸和分布狀態控制，裂紋繞過Si顆粒向前擴展以及裂紋穿過Si顆粒向前擴展是裂紋碰到Si顆粒時常出現的兩種機制;SiC顆粒與熱疲勞裂紋有強烈的交互作用，加強SiC顆粒與基體的界面結合有利于提高熱疲勞壽命。

關鍵詞:噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料;熱疲勞裂紋;相對密度;#61537;-Al基體;Si相;SiC顆粒

中圖分類號:TG111文獻標識碼:A

Thermal fatigue behavior of spray deposited Al-20Si/SiCp composite

LI WEI1， CHEN Ding1*， CHEN Zhenhua1， FAN Chang2， XIAO Ting1

1College of materials Science and Engineering ，Hunan University， Changsha， Hunan 410082，China

2Department of Materials Science and Engineering， The University of Tennessee， 318 Dougherty Building，

Knoxville， TN 37996， USA

Abstract: Al-20Si/SiCp composite was fabricated by spray deposition. The thermal fatigue behavior of Al-20Si/SiCp composite was investigated through the water-quench method. Optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) were used to examine the damage mechanisms of thermal fatigue. Almost all the primary fatigue crack at elevated temperature initiated at V-notch. After several thermal cycles， the speed rate of crack propagation decreases with the relative density of composite increasing. Because #61537;-Al matrix can stop crack from propagation， it results in un-continuous crack. The propagation mode of crack is controlled by the size and distribution of Si particles. Crack propagating through the Si particles and around Si particles are observed. Also， the fracture of SiC particles and interfacial debonding between SiC particles and matrix are the principle mechanisms of interaction between SiC particles and matrix.

Key words: spray deposited Al-20Si/SiCp composite; thermal fatigue crack; relative density; #61537;-Al matrix ; Si particles; SiC particles

顆粒增強復合材料由于具有高的比強度、比剛度、高電導率、耐磨性和抗疲勞性好等優點，在汽車和航空工業上得到了日益廣泛的應用，其中Al-Si/SiCp通常用來制備汽車氣缸蓋及發動機滑塊等構件[1]，特別是過共晶Al-Si復合材料(由于其具有良好的耐磨性、耐熱腐蝕性和體積穩定性等)在制造活塞、高速列車制動盤等方面應用更為廣泛。通常，采用傳統的鑄造和粉末冶金法制備的鋁硅復合材料由于存在孔隙、氧化物和非金屬夾雜物等缺陷，強烈影響其服役性能[2]。此外，對過共晶Al-Si復合材料來說，一般緩慢冷卻不但難以阻礙初生Si的迅速長大[3]還會造成初生Si的偏析。目前的一些方法很難以經濟方式制備出理想的過共晶Al-Si復合材料。

噴射沉積是一種新型的快速凝固和成形工藝，由于在噴射沉積過程中，沉積坯通過水冷基體傳導傳熱和高速氣流的對流、輻射傳熱，因而與鑄造工藝相比具有較高的冷卻速度(10#61566;102K/s)，能夠獲得晶粒細小、無宏觀偏析的微晶組織，能夠很好地解決采用傳統方法制備過共晶Al-Si復合材料遇到的難題。因此，本課題采用噴射沉積法制備Al-20Si復合材料。

作為結構材料，顆粒增強鋁硅復合材料經常要在溫度交替變化和復雜的應力作用下長期工作，條件比較惡劣，容易產生熱疲勞裂紋。熱疲勞是低周疲勞，是影響復合材料服役性能的重要因數。目前，大多數的研究都集中于Al-Si合金的力學性能及疲勞性能的研究[4-6]，對Al-Si復合材料的疲勞性能的研究較少，其中絕大部分是關于鑄造Al-Si/SiCp復合材料高周疲勞問題，而關于噴射沉積制備的Al-Si/SiCp復合材料的熱疲勞性能的研究極少，特別是對其裂紋萌生和早期擴展行為的研究尚未見報道。

本研究采用自制的噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料作為研究對象，利用金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)在450#61566;20℃對其進行熱疲勞試驗，同時對熱疲勞裂紋在復合材料中的擴展行為和機理進行了探討。

1實驗

1.1實驗材料

實驗材料的基體為Al-20Si合金，其主要化學成分(質量分數，%)見表1所示，其中SiC的體積分數為15%，SiC顆粒的平均直徑約為14#61549;m。復合材料采用噴射沉積錠→熱壓工藝，坯料尺寸為#61542;48mm×150mm的噴射沉積錠在630t四柱液壓機上兩次熱壓成#61542;50×113mm，熱壓應力為16MPa。模具溫度和料溫均為450℃。

表1:基體化學成分

Tab. 1 Chemical composition of Al-20%Si alloy

基體SiCuMgMnAl

Al-20%Si20310.5余量

1.2實驗方法

將實驗毛坯料采用電火花線切割沿熱壓方向取成形狀及尺寸如圖1所示的熱疲勞試樣。再對試樣進行T6(500℃固溶1h，水淬，155℃人工時效9h，空氣冷卻)處理。熱疲勞試樣采用夏氏V型缺口，用于研究熱疲勞裂紋的擴展行為。為了消除表面劃痕對裂紋萌生和擴展的影響，兩個主要表面經砂紙研磨，并進行機械拋光。

圖1熱疲勞試樣的形狀和尺寸

Fig. 1 Geometry shape and dimension of the specimen used in thermal fatigue test

試驗選取循環溫度為450→25℃，試驗在箱式電熱爐中進行，循環周期為試樣加熱到450℃，保溫15min，水冷至室溫，冷卻時間為5s。采用西德Leitz MM-6臥式金相顯微鏡、JSM-6700F型掃描電鏡對熱疲勞裂紋形貌及長度，試樣表面形貌進行觀測，研究噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料在450#61566;25℃熱循環下的熱疲勞行為及微觀組織。

2實驗結果與分析

2.1實驗材料的顯微組織結構

實驗材料熱壓后的顯微硬度為125.06(材料經熱處理后的顯微硬度為177.08)，顯微組織結構見圖2。由白色Si顆粒，灰色的不規則多邊形-SiC顆粒以及#61537;-Al基體組成。復合材料經熱壓后，Si顆粒分兩種情況:大尺寸，不規則多邊形顆粒以及小尺寸圓角化的粒子。

圖2復合材料熱壓后的顯微組織

Fig. 2 Surface metallographic morphology ofhot-pressed composite

2.2試樣表面裂紋形貌和擴展

圖3 為噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料經250次熱循環后，試樣表面的裂紋擴展形貌。測試試樣中的主裂紋都起始于V形缺口，進而向前擴展。在熱循環過程中，裂紋擴展時會發生偏轉和彎曲。此外，在450→25℃熱循環下，試樣表面有一定的氧化現象，隨循環次數的上升，試樣表面會發生不斷的氧化和氧化皮剝落的現象，其中氧化皮剝落的主要原因是由于氧化膜與基體的熱膨脹系數不同導致的內應力而造成的。

圖4分別為噴射沉積Al-20Si/SiCp(相對密度為96.59%)復合材料熱處理前后熱循環次數與熱疲勞裂紋長度的關系。在一定范圍內，裂紋長度a與熱循環次數N呈線性關系。在同樣的熱循環次數下，與熱處理后的試樣相比，熱處理前試樣優先出現裂紋。

圖3試樣表面的裂紋形態(N=250)

Fig. 3 Crack shape on the Surface of the sample(N=250)

圖4裂紋長度與熱循環次數的關系

Fig. 4 Relationship of crack length rate and Cycle number

2.3相對密度對裂紋擴展的影響

表2為不同的相對密度噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料在經200次熱循環后，熱疲勞裂紋擴展長度。由于噴射沉積材料是一種多孔材料，孔隙作為其固有的屬性，是材料的應力集中區和微裂紋的產生源，在外力作用下，往往是致使材料破壞的直接因素。噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料經熱壓后，還存在一定量的孔隙，并不是全致密材料。目前， 孔隙對噴射沉積材料隨后的熱疲勞作用尚未見報導。因此，本文從這方面作了嘗試，研究了相對密度對噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料在450→25℃熱循環作用下的影響。

表2:相對密度對噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料熱疲勞裂紋擴展的影響

Tab. 2The effect of relative density on the thermal fatigue crack propagation of spray-formed Al-20Si/SiCp composite

相對密度/℅循環次數/次裂紋長度/μmda/dN/μm次-1

95200657.81253.289

96.12200479.1842.395

96.59200412.0012.060

99.7200244.1841.221

由表2可知，隨相對密度的提高，噴射沉積材料內部的孔隙減少，孔隙作為應力集中源產生裂紋并促使裂紋沿顆粒的弱連接處擴展的作用相對變弱，材料熱疲勞裂紋擴展的速率下降。

2.4裂紋在#61537;-Al基體中的擴展

熱疲勞裂紋在#61537;-Al基體中主要表現為非連續性擴展。這是因為裂紋擴展到Al基體相的前沿，將受阻、裂紋尖端變鈍。在熱應力的繼續作用下，它將積蓄能量，準備穿越Al基體相，但是這種穿越不是裂紋的直接擴展，而是選擇#61537;-Al基體兩岸距離最近處，以“搭橋”的方式穿越Al基體相(如圖5所示):擴展裂紋Ⅰ到達Al基體相前沿(A處)后受阻，在熱應力的驅動下，裂紋Ⅰ的上方Si相、SiC顆粒內，又萌生裂紋Ⅱ;在裂紋向前擴展的同時，其尾部(B處)與裂紋Ⅰ的終止點A之間的Al基體相內，又萌生了微細裂紋Ⅲ。該裂紋起“搭橋”作用，將裂紋Ⅰ和Ⅱ首尾相接(其中黑色箭頭表示裂紋擴展的方向)。因此，熱循環過程中，裂紋在Al-Si/SiCp復合材料中擴展往往發生偏折和彎曲。

圖5裂紋在在#61537;-Al基體中的擴展

Fig. 5 The propagating of crack in #61537;-Al matrix

2.5裂紋在Si相中擴展

圖6為裂紋在Si相中擴展的金相觀察。由圖6可知，裂紋繞Si顆粒向前擴展(圖6(a))以及裂紋穿過Si顆粒向前擴展(如 圖6(b)所示)是裂紋在Si相中擴展的兩種主要表現形式。這與Diana[7]所報道的結果相同。當Si顆粒的長軸方向與主裂紋面所成角度較小時(如圖7A處所指)，Si顆粒/#61537;-Al基體的界面容易發生解離，裂紋繞Si顆粒向前擴展，裂紋發生偏轉，分叉，裂紋前端的應力因子會下降，裂紋向前擴展的驅動力降低。當Si顆粒長軸與主裂紋面所成角度較大甚至垂直時(如圖7B處所指)，由于Si顆粒自身脆性較大，Si顆粒以自身斷裂的方式來降低裂紋擴展的驅動力，減緩裂紋擴展速率。無論裂紋繞過Si顆粒還是穿過Si顆粒，都會減緩裂紋的擴展速度。此外，這種偏轉會使裂紋面變得粗糙，誘發裂紋閉合。

硅顆粒與基體之間的彈性模量和膨脹系數之間的差異會使材料內部產生徑向的張應力和切向壓應力，這種應力的存在和熱應力的相互作用，會使裂紋前進的方向發生偏轉、微橋接和彎曲。

圖6裂紋在Si相中擴展 a)裂紋繞過Si顆粒擴展 b)裂紋穿過Si顆粒擴展

Fig. 6 The propagating of crack in Si phase a) propagation of cracking around Si particles (b)propagaton of cracking through large Si

圖7裂紋在Si相中擴展機制

Fig. 7 The propagation mechanism of thermal crack in Si phase

總之，硅相的形態和分布對材料的熱疲勞行為的影響顯著，硅相均勻分布在鋁基體上，對基體造成第二相彌散強化作用，有利于提高鋁硅復合材料的熱疲勞壽命。

2.6裂紋在SiC顆粒中的擴展

關于復合材料斷裂機制的研究結果表明:復合材料在增強體顆粒大于20μm時，以顆粒斷裂為主;增強體顆粒小于10μm時，以界面脫粘為主;增強顆粒尺寸介于其間時，兩種斷裂機制都存在[8-10]。本文采用的SiC增強體顆粒平均粒徑約為15μm，因此復合材料在熱應力作用下，裂紋在V型缺口處萌生、擴展直至斷裂的過程中，SiC增強顆粒的開裂以及SiC增強顆粒與基體分離這兩種機制同時存在，如圖8所示。當SiC顆粒斷裂強度小于SiC/基體界面結合強度熱疲勞裂紋就會以SiC破裂的形式通過如圖8(a);反之，當SiC顆粒斷裂強度大于SiC/基體界面結合強度，熱疲勞裂紋將以界面剝離的形式穿過SiC區域，如圖8(b)。熱疲勞裂紋與SiC的強烈相互作用，將會不同程度地降低裂紋尖端的應力場大小，從而對裂紋的進一步擴展產生抑制作用。因此，加強基體與SiC顆粒的界面結合，有利于提高復合材料的熱疲勞裂紋擴展抗力。

圖8熱疲勞裂紋在SiC顆粒中的擴展 (a)SiC顆粒斷裂(b)SiC顆粒與基體界面剝離

Fig. 8 The propagating of crack in SiC particles (a)fracture of SiC particles (b)interfacial debonding between SiC particles and matrix

3.結論

(1)在本試驗條件下，噴射沉積Al-20Si/SiCp復合材料的主裂紋都起始于V形缺口，進而向前擴展。在熱循環過程中，裂紋擴展時會發生偏轉和彎曲;隨相對密度的提高，噴射沉積材料內部的孔隙減少，孔隙作為應力集中源產生裂紋并促使裂紋沿顆粒的弱連接處擴展的作用相對變弱，材料熱疲勞裂紋擴展的速率下降。

(2)裂紋擴展到Al基體相的前沿，受阻，以“搭橋”的方式穿越Al基體相(非連續性擴展)。

(3)裂紋繞過Si顆粒向前擴展，裂紋穿過Si顆粒向前擴展是裂紋在Si相中擴展的兩種主要表現形式;當Si顆粒的長軸方向與主裂紋面所成角度較小時，Si顆粒/#61537;-Al基體的界面容易發生解離，裂紋繞Si顆粒擴展。裂紋發生偏轉，分叉，裂紋前端的應力因子會下降，裂紋向前擴展的驅動力降低。當Si顆粒長軸與主裂紋面所成角度較大甚至垂直時，Si顆粒以自身斷裂的方式來降低裂紋擴展的驅動力，減緩裂紋擴展速率。

(4)當SiC顆粒斷裂強度大于SiC/基體界面結合強度，熱疲勞裂紋將以界面剝離的形式穿過SiC區域;反之，就會以SiC破裂的形式通過。熱疲勞裂紋與SiC的強烈相互作用，將會不同程度地降低裂紋尖端的應力場大小，從而對裂紋的進一步擴展產生抑制作用。

參考文獻

[1]ARAMI H， KHALIFEHZADEH M， AKBAI M et al. Microporosity control and thermal-fatigue resistance of A319 aluminum foundry alloy [J]. Materials Science and Engineering A， 2008， 472(1-2): 107-114.

[2]MAYER H， PAPAKYRIACOU M， ZETTL B et al. Influence of porosity on the fatigue limit of die cast magnesium and aluminum alloys[J]. International Journal of Fatigue， 2003， 25(3): 245-256.

[3]DEEPAK S，DIRAN A ，RATHINDA D G. SSM processing of hypereutectic Al-Si alloys –An overview[C]//Proceeding of the 8th international S2P conference. Cyprus: Limassol， 2004: 855-864

[4]AYALLE M， BELINGARDI G， CACATORTA M P， et al. Casting defects and fatigue strength of a die cast aluminum alloy: a comparison between standard specimens and production components [J]. International Journal of Fatigue， 2002， 24(1): 1-9.

[5]WANG Q G， APELIAN D， LADOS D A， et al. Fatigue behavior of A356-T6 aluminum cast alloys. Part 1. Effect of casting defects [J]. Journal of Light Metals， 2001，1 (1): 73-84.

[6]STANZL-TSHEGG S E， MAYER H R， BESTE A， et al. Fatigue and fatigue crack propagation in AlSi7Mg cast alloys under in-service loading conditions [J]. International Journal of Fatigue， 1995， 17 (2) : 149-155.

[7]DIANAA L， DIRAN A， PEGGY E J， et al. Microstructural mechanisms controlling fatigue crack growth inAl-Si-Mg cast alloys [J]. Materials Science Engineering A， 2007， 468-470: 237-245.

[8]NIE S， BASARAN C. A micromechanical model for effective elastic properties of particulate composites with imperfect interfacial bonds [J]. International Journal of Solids and Structures， 2005， 42(14): 4179 - 4191.

[9]SHYONG J H， DERBY B. Deformation characteristics of SiC particulate-reinforced aluminum alloy 6061 [J]. Materials Science and Engineering A， 1995， 197(1): 11 - 18.

[10]CHEN Z Z， TOKAJI K. Effects of particle size on fatigue crack initiation and small crack growth in SiC particulate- reinforced aluminum alloy composites [J]. Materials Letters， 2004， 17-18(58): 2314 - 2321.