Al2O3彌散增強Cu基復合材料拉伸性能研究

杜林飛

（陸軍裝甲兵學院 裝備保障與再制造系，北京 100072）

純Cu的導電導熱性能優良但強度、硬度等力學性能較差，這樣的特點嚴重限制了純Cu的實際應用[1,2]。如何顯著提升其力學性能，成為了銅合金研究中的重要問題。在Cu基體中添加增強顆粒組成彌散強化型復合材料，可以使基體強度得到大幅度提高。在彌散強化Cu基復合材料中，常添加的增強顆粒有Al2O3、TiB2、Cr2O3、SiC、ZrO2等。

由于納米顆粒的含量會對彌散強化復合材料的力學性能有顯著影響。因此本文以Cu-0.3Al、Cu-0.6Al、Cu-0.9Al和Cu-1.2Al合金粉為原料，采用反應球磨結合放電等離子燒結的方法制備了Al2O3體積分數分別為1.27%、2.52%、3.75%和4.95%的銅基復合材料，并研究Al2O3含量對復合材料拉伸性能的影響。

1 實驗

反應球磨工藝：采用QM-3SP2行星球磨機制備復合粉末。質量分數為1%的硬脂酸作為過程控制劑，球料比10:1，球磨轉速400 r/min。

氫氣還原工藝：采用管式還原爐對球磨粉末進行還原處理。將裝有40 g球磨粉末的氧化鋁燒舟放于氫氣還原爐中，以10℃/min的升溫速率升至還原溫度，保溫一定時間后自然冷卻，低于30 ℃時取出粉末。

粉末燒結：采用SPS-1050型放電等離子燒結系統將還原粉末燒結成直徑為30 mm、厚度為5-7 mm的圓片狀材料，燒結模具材質為石墨，初始壓力5 MPa，燒結壓力40 MPa，真空度小于10 Pa，升溫速率100 ℃/min，燒結完成后隨爐循化水冷卻。

拉伸實驗在Instron萬能拉伸試驗機上進行，拉伸速率為0.5 mm/min。采用Nova NanoSEM 450/650型環境掃描電子顯微鏡觀察復合材料的微觀組織及拉伸斷口形貌；

2 Cu-Al2O3復合材料的拉伸性能

圖1所示為Al2O3含量對復合材料抗拉強度和延伸率的影響。從圖1可以看出，隨著Al2O3含量的增加，復合材料的抗拉強度和延伸率均先增大后減小。當Al2O3含量為3.75%時，抗拉強度達到最大值596 MPa，而延伸率僅為2.24%。當Al2O3含量為2.52%時，延伸率達到最大值3.65%，而抗拉強度為589MPa。

圖1 Al2O3含量對復合材料抗拉強度和延伸率的影響

顯然，并非Al2O3含量越多，復合材料抗拉強度越高，還與Al2O3顆粒的粒徑及其在基體中的分布，以及復合材料的致密性等因素密切相關[3]。

眾多研究證實，納米Al2O3顆粒彌散分布在基體中可以顯著提高復合材料的室溫及高溫力學性能[4,5]。就強化機制來講，彌散強化和晶界強化是其主要強化機制。下面將分別論述這兩種強化機制對復合材料強度的貢獻，以更深入的理解Al2O3含量對復合材料力學性能的影響規律。

（1）彌散強化

Cu-Al合金粉和CuO粉經過反應球磨后，在基體中原位生成大量彌散的硬質Al2O3顆粒，這些硬質顆粒對位錯的通過具有強烈的阻礙作用，因此可以顯著提高復合材料的強度。當運動的位錯線在靠近第二相顆粒時將受阻彎曲，隨著外力的增大，位錯線受阻部分的彎曲逐漸增大，以至圍繞著粒子的位錯線在兩邊相遇，使顆粒周圍留下一個位錯環，而位錯線則越過粒子繼續向前運動，如圖2所示。這種機制通常稱為Orowan繞過機制，這種機制引起的強度增量可用式1表示[6]。

式中，

式中，Gm為基體的剪切模量（銅的剪切模量為45.5 GPa），b為柏氏矢量（0.256 nm），r和λ分別為Al2O3顆粒的半徑和間距。

圖2 Orowan強化機制示意圖

（2）晶界強化

由于晶界的交互作用形成一條線而不是一個點，因此晶界比線缺陷和點缺陷對位錯運動的阻力更大。一般情況下，多晶體強度與其晶粒尺寸的關系符合Hall-Petch公式[6]：

式中，σy為多晶體的屈服強度；σ0為位錯在金屬單晶中運動的總阻力，決定于晶體結構和位錯密度；ky為表征晶界對強度影響程度的常數，對于銅而言，k=0.142 MPa·m1/2；d為晶粒尺寸。因此，晶界強化引起屈服強度的增值可用式4表示。

由式4可知，材料屈服強度的增量Δσg與成反比，因此晶粒越小，晶界強化效果越顯著。Lee等測定了晶粒尺寸約為30μm的擠壓態純銅的屈服強度σy為109 MPa[7]，代入公式3可求的σ0為83MPa。

通過式1至4計算ΔσOrowan和Δσg，結果列于表1。

表1 復合材料屈服強度的理論值σt與實驗值σ0.2（單位：MPa）

從表1可以看出，當Al2O3含量由1.27%增加至3.75%時，由彌散強化和晶界強化計算的屈服強度與材料的實驗值變化規律相同，均逐漸增大。繼續增加Al2O3含量時，理論值繼續增加，而實驗值卻降低。實驗值低于理論值的原因是由于復合材料中含有粒徑大于100 nm的Al2O3顆粒，這些粗化的Al2O3顆粒并不能夠對基體起到彌散強化的效果，即這些粗化顆粒減少了參與彌散強化的細小顆粒在材料中的濃度，從而降低了彌散強化的效果，而理論計算時卻未對此進行考慮。同時，粗化或團聚的Al2O3顆粒由于與基體結合強度較低，在應力作用下容易萌生裂紋和加速裂紋的擴展，從而導致材料強度降低。另外，Al2O3含量較低時，復合材料相對密度較高，孔隙對力學性能影響較小，而隨著Al2O3含量的增加，復合材料中的孔隙逐漸增多，孔隙對力學性能的影響將會明顯加劇。而孔隙往往會導致裂紋的萌生和加速裂紋的生長。因此，當Al2O3含量超過一定值時，繼續增加Al2O3含量，反而會由于Al2O3顆粒的長大、團聚以及孔隙的增多導致復合材料力學性能降低。

圖3 復合材料拉伸斷口（a）Cu-1.27Al2O3;（b）（e）Cu-2.52Al2O3;（c）Cu-3.75Al2O3;（d）（f）Cu-4.95Al2O3

3 拉伸斷口形貌分析

圖3所示為復合材料拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，拉伸斷口比較粗糙，斷面上布滿細密的等軸韌窩，表明復合材料以韌性斷裂為主。但是，韌窩周圍撕裂棱較短，尤其是當Al2O3含量為3.75%和4.95%時，撕裂棱明顯減少，表明隨著Al2O3含量的增加，復合材料的塑性逐漸降低。同時可以看出，在韌窩底部有裂紋和孔洞存在，這種現象在Al2O3含量為4.95%時尤為明顯，如圖3中 e、f所示。這是由于復合材料的相對密度低于98%，即材料內部存在一定數量的孔隙，隨著應變的增加，這些顯微孔隙將不斷長大，相互吞并，直至材料發生頸縮和破斷，從而在韌窩底部生成孔洞。由此可見，孔隙越多，復合材料的強度和塑性越低。另外，由于第二相顆粒與基體的界面可以起到裂紋形核的作用，而在顆粒的團聚位置裂紋往往更易于萌生和長大。而隨著Al2O3含量增加，Al2O3在基體中的團聚將逐漸加重，這無疑會降低復合材料的強度。

4 結論

（1）隨著Al2O3體積分數的增加，復合材料的抗拉強度與延伸率都先增大而后減小，其抗拉強度最大達到596MPa，延伸率最大可達3.65%。

（2）實驗說明基體中彌散分布的Al2O3納米顆粒可以顯著提升復合材料的抗拉強度與延伸率。而彌散強化和晶界強化是復合材料屈服強度提高的主要原因。