顆粒增強金屬基復合材料的強化機制研究進展

俞雪奇 柏興旺

（南華大學 機械工程學院，衡陽 421001）

顆粒增強金屬基復合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）是將增強相顆粒（B4C、SiC、Al2O3等）彌散分布在金屬合金中形成的復合材料，具有高比強度和高比剛度，是航空航天、電子封裝、軌道交通等工業中的關鍵材料。強度作為MMCs的基本性能之一，受諸多因素的影響，包括基體的晶粒尺寸、成型工藝、增強相的粒徑及含量等。研究不同增強相MMCs體系的強化機制，對于MMCs的設計、制備工藝的優化等具有重要意義。

1 強化機制

MMCs試樣從受拉到破壞可分為彈性、屈服和斷裂3個階段，通常表現出比金屬基體更高的屈服強度。導致其強度增加的強化機制主要有細晶強化、Orowan強化、載荷轉移強化、熱膨脹系數錯配強化、加工硬化強化以及彈性模量錯配強化。

1.1 細晶強化

細晶強化機制源自基體晶粒尺寸對材料強度的貢獻。研究表明，增強顆粒的存在不僅阻礙了成核晶粒的生長，而且促進了液態金屬的異質形核，從而細化晶粒增大晶界密度。晶界能阻礙位錯移動，而增大的晶界密度進一步降低了位錯的運動，從而提高了復合材料強度。

材料屈服強度σy可由Hall-petch關系表示為[1]：

式中：σ0是粗晶金屬基體的屈服強度；ky是常數，一般鋁基體取0.1 MPa·；d是晶粒尺寸。

由細晶強化引起的MMCs屈服強度的增量可表示為[3-4]：

式中：d0和d分別為未增強基體材料和已增強復合材料的平均晶粒尺寸。其中，d的大小取決于加入增強體的體積分數及粒徑，由Zener方程可表示為[5]：

式中：α是常數；dP和vP為增強相粒徑和體積分數。

由于Zener方程是經驗公式，Reddy等人分別使用納米級氧化鋁顆粒增強6061鋁和納米級碳化硅顆粒增強6061鋁實驗數據[1]，成功擬合出其表達式為：

1.2 Orowan強化

Orowan強化是由第二相顆粒對位錯的定扎作用形成的。在外加載荷驅動下，當位錯運動到緊密排列的硬質增強顆粒處時，位錯線只能從相鄰兩個顆粒之間穿出繼續運動，從而在增強顆粒周圍形成位錯環，阻礙原有位錯運動，如圖1所示[6]。

圖1 Orowan強化機制

Orowan強化通常發生在增強相為納米級的MMCs中。在微米級增強體系中，較大的顆粒間距無法形成有效的位錯環，Orowan強化效果不顯著。

Orowan強化效果可表示為[5]：

式中：M是平均取向因子，面心立方金屬基體取3.06；Gm是金屬基體的剪切模量；b是伯格矢量；v是泊松比；E是金屬基體的彈性模量；λ是增強顆粒間距。

1.3 載荷轉移強化

應用合適的制備方法和后處理，使金屬基體和增強體之間產生牢固的冶金結合。良好的結合界面把金屬基體受到的載荷轉移到分布均勻的強化顆粒上，增加復合材料的屈服強度。增加的屈服強度可表示為[5]：

式中：σm是基體屈服強度；l和t分別為增強顆粒平行和垂直于載荷方向的長度；A是顆粒長徑比。

對于等軸顆粒，?σL可表示為[1,7]：

1.4 熱膨脹系數錯配強化

在加工溫度下，基體和增強顆粒處于熱平衡狀態。當從加工溫度冷卻到室溫后，由于金屬基體和增強顆粒熱膨脹系數的差異，增強顆粒周圍將產生大量殘余熱應力并引起基體塑性變形。產生的熱應力與界面距離成反比且在界面處達到最大，導致增強顆粒附近產生位錯等缺陷[5]。文獻[8]研究表明，基體中位錯密度主要受增強相含量和顆粒尺寸的影響，而界面處的位錯密度對增強相含量的變化不敏感，只受增強顆粒尺寸的影響。

由位錯密度增加引起材料強度的增量可表示為[1,7]：

式中：K為常數，值為1.25；ρCTE是由熱膨脹系數錯配形成的位錯密度，可表示為[1,7]：

式中：?α為增強相與基體熱膨脹系數之差；?T是材料加工溫度與室溫之差；B是幾何常數，取決于增強顆粒的幾何形狀，取值為10～12。對于等軸顆粒，B取12。

1.5 加工硬化強化

當制造工藝包含冷成型技術（擠壓、彎曲、拉伸和剪切）時，需考慮加工硬化強化機制對復合材料強度的影響。金屬基體發生形變時，由于強化相形變量很小或基本不發生形變，且兩者結合界面不斷裂，強化顆粒附近的金屬基體被迫產生二次滑移并生成大量位錯，阻礙原有位錯的運動，從而強化復合材料的強度。

它對材料強度的貢獻可表示為[2,9]：

式中：K是常數，取值為0.2～0.4；ε1是應變，文獻[2]中取ε1為0.002。

1.6 彈性模量錯配強化

由于基體和增強相彈性模量不同，在受到外加載荷時，金屬基體和剛性強化相顆粒之間發生非均勻變形（熱膨脹系數錯配和加工硬化也產生類似非均勻變形），導致金屬基體產生變形梯度。ASHBY指出，增強顆粒周圍形成了幾何必須位錯，以適應這種梯度變形，保持變形的協調性[10]。

由幾何必須位錯引起的復合材料強度的增加可表示為[5]：

式中：α是常數，一般取值為0.5；ρEM是由彈性模量不匹配形成的位錯密度，可表示為[5]：

式中：ε為應變，是由加工硬化ε1和熱膨脹系數錯配ε2引起的。若取ε1=0.002，則ε=?α?T+0.002。

2 結語

本文分析了顆粒增強金屬基復合材料的強化機制，包括細晶強化、Orowan強化、熱膨脹系數錯配強化、載荷轉移強化、加工硬化強化以及彈性模量錯配強化，但這些強化機制對MMCs屈服強度預測估算的精度仍有提升的空間。究其原因，主要在于：（1）為了方便計算，總是假設增強顆粒為無棱角、光滑的理想形狀，且均勻分布于基體，若增強相以層狀或網狀分布，則復合材料的強度無法預測；（2）沒有完全考慮到界面失效和孔隙率等對材料強度的負面影響；（3）材料強度受到多種強化機制、孔隙率、界面結合等因素的復合影響，各個強化機制對材料強度的貢獻可能并沒有被完全激活，導致實際強度低于理論計算值。可見，深入研究增強相及一些影響因素（顆粒分布、機制間相互作用、孔隙率以及界面結合等）對MMCs強度的影響，是未來研究工作的重點。