Si含量對(duì)Al-Cu-Si復(fù)合材料組織及性能的影響*

孟秋燕，梁玉霞，賈瑞紅，趙利軍，白 碩

(河北工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，石家莊 050000)

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化和工業(yè)化對(duì)于高性能工程材料的要求越來(lái)越高，在未來(lái)，高強(qiáng)度、輕質(zhì)量和耐腐蝕必然是工程材料的核心要求。鋁及鋁合金憑借著其高強(qiáng)度、高韌性、小密度、可塑性較高等優(yōu)異的性能已經(jīng)成為了首選材料[1-6]。目前鋁及鋁合金不僅在鐵路、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用較多，在航天航空、建筑包裝、手機(jī)電子配件等方面也應(yīng)用廣泛[7-8]。與此同時(shí)，鋁合金的一些缺點(diǎn)如彈性模量低、金屬疲勞性差和熔點(diǎn)較低等也限制了自身的應(yīng)用[9]。在眾多鋁合金研究中，鋁銅合金的強(qiáng)度較高，韌性也較好，銅元素引入后，不僅提高了鋁合金的強(qiáng)度，改善了韌性，力學(xué)性能也得到了顯著提升[10-15]。目前，對(duì)于鋁合金的研究及改善主要通過(guò)以下3個(gè)方面：優(yōu)化合金熔煉工藝、調(diào)節(jié)熱處理溫度以及在合金中引入其它金屬元素，通過(guò)以上方式不僅可以去除鋁合金中的雜質(zhì)缺陷，還能根據(jù)工程需要對(duì)鋁合金進(jìn)行指向性的性能優(yōu)化，因而鋁合金也成為了近年來(lái)許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[16-18]。王明杰等[19]采用同心三螺旋合金流動(dòng)性測(cè)定儀和正交實(shí)驗(yàn)法研究了稀土La、Ce和溫度對(duì)ZL205A合金流動(dòng)性的影響規(guī)律，并通過(guò)斷口形貌分析了鋁銅合金停止流動(dòng)機(jī)理，結(jié)果表明，流動(dòng)性隨不同的澆注溫度呈正相關(guān)的線性變化規(guī)律，且隨著稀土元素La和Ce的加入，合金的流動(dòng)性明顯提高，當(dāng)熔煉溫度為720 ℃，稀土Ce的含量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，La的含量為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，ZL205A合金的流動(dòng)長(zhǎng)度為980 mm，并且合金的晶粒得到了細(xì)化，流動(dòng)性得到了提高。田宇等[20]將Mg元素加入到鋁銅合金中，分析了Mg元素的加入量對(duì)Al-4.4Cu-0.15Zr-xMg(x=1.0%,1.5%,1.7%,2.0%,2.2%和2.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金熱裂敏感性的影響，結(jié)果表明，隨著Mg元素含量的增多，晶粒先細(xì)化后粗化，晶間低熔點(diǎn)相逐漸增多，合金的熱裂傾向先降低后增加，當(dāng)Mg元素添加量為1.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，合金抗熱裂性最好，熱裂敏感系數(shù)為1.16，此時(shí)合金晶粒最均勻細(xì)小，晶粒間的低熔點(diǎn)相幾乎形成連續(xù)網(wǎng)狀分布。本文以Al-Cu-Si復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整Si元素的含量，制備出一系列不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)該復(fù)合材料的硬度、斷口形貌及力學(xué)性能表征，研究了Si含量對(duì)Al-Cu-Si復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

工業(yè)純Al (純度為 99.85%)、工業(yè)純Zn(純度為 99.85%)、工業(yè)純Mg(純度為 99.85%)、Al-Si中間合金(Si含量為20wt%)、Al-Cu中間合金(Cu含量為50%質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Al-Mn中間合金(Mn含量為13%質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

1.2 樣品的制備

本文制備了不同Si含量(0，0.3%，0.6%和0.9%質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al-Cu-Si復(fù)合材料，編號(hào)分別為1-4#，合金的化學(xué)成分如表1所示。制備過(guò)程如下：在制備前對(duì)所有原材料進(jìn)行去污及去除表面氧化物處理，待原材料處理干凈后進(jìn)行預(yù)熱，將坩堝溫度升至300 ℃后，加入工業(yè)純Al、工業(yè)純Zn和工業(yè)純Mg，加熱至所有材料熔化，等到溫度上升至700 ℃后，將Al-Si中間合金、Al-Cu中間合金和Al-Mn中間合金加入，待所有合金全部熔化后，加入0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的精煉劑ZnCl2，并通入氬氣精煉，扒渣處理完成后，將金屬模具預(yù)熱處理至250 ℃，把熔體澆筑至金屬模具中成型即得Al-Cu-Si復(fù)合材料。

表1 合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of alloys

1.3 樣品的性能測(cè)試

測(cè)試布氏硬度：采用淬火鋼球作為壓頭，載荷為1 000 kg，將Φ10 mm 的壓頭壓入Φ12.5 mm×20 mm 的試樣表面，保持按壓15 s，通過(guò)測(cè)試壓痕的直徑來(lái)計(jì)算出布氏硬度值；力學(xué)性能測(cè)試：將Al-Cu-Si復(fù)合材料按照GB/T16865-1997 《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣標(biāo)準(zhǔn)》中試樣尺寸標(biāo)準(zhǔn)制備成樣品，在CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸速度為2 mm/min，每個(gè)系列的樣品測(cè)試5次，取平均值為測(cè)試結(jié)果；沖擊性能測(cè)試：將Al-Cu-Si復(fù)合材料制成10 mm×60 mm的試樣，并打磨光滑后在沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊性能測(cè)試，每個(gè)系列的樣品測(cè)試3組，取平均值記為樣品的沖擊韌性值；SEM測(cè)試：通過(guò)日本HITACHI公司的S-4800型掃描電子顯微鏡，觀察試樣的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的硬度分析

圖1為不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的布氏硬度變化曲線。從圖1可以看出，未摻雜Si的復(fù)合材料的布氏硬度最低為48.7 HB，在摻入Si元素后，所有復(fù)合材料的布氏硬度均得到了顯著提高，且隨著Si含量的增加，試樣的布氏硬度逐漸增加。當(dāng)Si含量為0.3%和0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的布氏硬度分別為51.1和57.6 HB；當(dāng)Si含量為0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的布氏硬度達(dá)到最大值為60.2 HB，相比未摻雜Si元素的試樣，提高了23.6%。這主要是因?yàn)镾i元素引入基體后，會(huì)以初晶硅的形式存在于復(fù)合材料中，且自身硬度較高，使得基體的硬度有明顯的改善。

圖1 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度曲線Fig 3 Tensile strength and compressive strength curves of Al-Cu-Si composites with different Si contents

圖1 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的布氏硬度Fig 1 Brinell hardness of doped Al-Cu matrix composites with different Si content

2.2 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的拉伸性能分析

對(duì)制備的不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig 2 Tensile specimen size

圖3為不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度曲線。從圖3可以看出，隨著Si元素的引入，Al-Cu-Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均得到了提高，并且隨著Si含量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Si含量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為143.5和327.1 MPa；而當(dāng)Si含量增加到0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

圖4為不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的延伸率曲線。從圖4可以看出，隨著Si含量的增加，Al-Cu-Si復(fù)合材料的延伸率持續(xù)下降，但當(dāng)Si含量>0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，延伸率的下降幅度開(kāi)始降低。由圖4可知，當(dāng)Si含量為0，0.3%，0.6%和0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的延伸率分別為2.77%，2.51%，2.28%和1.91%。這是因?yàn)殡S著Si的摻入，復(fù)合材料的晶粒得到了細(xì)化，抗拉、抗壓強(qiáng)度得到了提高，與此同時(shí)，初晶硅的存在會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生分割作用，使得復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中，基體產(chǎn)生裂紋的可能性增加，延伸率出現(xiàn)降低。

圖4 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的延伸率曲線Fig 4 Elongation curves of Al-Cu-Si composites with different Si content

2.3 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的沖擊性能測(cè)試

圖5為不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的沖擊韌性曲線。從圖5可以看出，隨著Si的摻入，復(fù)合材料的沖擊韌性均得到了明顯的提高，且隨著Si含量的增加，沖擊韌性呈現(xiàn)出先升高后略微降低的趨勢(shì)，在Si含量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，沖擊韌性達(dá)到了最大值為30.4 J/cm2，相較未引入Si元素的體系，沖擊韌性提高了74.7%。這是因?yàn)樯倭縎i元素的摻入，使得基體的晶粒得到了細(xì)化，對(duì)韌性有一定的改善，而Si含量較多時(shí)，細(xì)化效果減弱，且初晶硅附著在基體上并逐漸長(zhǎng)大，位錯(cuò)及缺陷的發(fā)生概率增大，并對(duì)基體產(chǎn)生的割裂作用增強(qiáng)，從而使得基體的韌性產(chǎn)生降低。

圖5 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的沖擊韌性曲線Fig 5 Impact toughness curves of Al-Cu-Si composites with different Si content

2.4 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的SEM分析

圖6為不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的SEM圖。從圖6(a)可以看出，未摻雜Si元素的Al-Cu復(fù)合材料的晶粒尺寸大約為40 μm。從圖6(b)和(c)可以看出，在摻入Si元素后，試樣的晶粒尺寸得到了明顯的細(xì)化，這與上述測(cè)試的力學(xué)性能結(jié)果相吻合，Si元素的摻入使得Al-Cu-Si復(fù)合材料塊狀的晶粒逐漸轉(zhuǎn)化為條狀顆粒，且初晶硅的存在使基體中枝晶生長(zhǎng)受到了抑制，合金的組織更加均勻，拉伸過(guò)程中的斷口有較小的韌窩。從圖6(d)可以看出，當(dāng)Si含量為0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，基體中的晶粒在局部區(qū)域有長(zhǎng)大趨勢(shì)，這是因?yàn)檫^(guò)量Si元素在該處產(chǎn)生聚集，使得缺陷和裂紋在該處更容易聚合，從而導(dǎo)致該處晶粒聚集長(zhǎng)大，拉伸過(guò)程中的裂紋在晶界處較為粗大[21]。由此可見(jiàn)，0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))含量的Si元素對(duì)Al-Cu-Si復(fù)合材料基體的綜合性能提升最佳。

圖6 不同Si含量的Al-Cu-Si復(fù)合材料的SEM圖Fig 6 SEM images of Al-Cu-Si composites with different Si contents

3 結(jié) 論

(1)未摻雜Si元素的試樣的布氏硬度最低，在摻入Si元素后，所有Al-Cu-Si復(fù)合材料的布氏硬度均得到了顯著提高，且硬度隨著Si含量的增加而增加，當(dāng)Si含量為0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，硬度達(dá)到最大值為60.2 HB，相比未摻雜的試樣提高了23.6%。

(2)隨著Si元素的摻入，試樣的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均得到了提高，且隨著Si含量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在Si含量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為143.5和327.1 MPa；試樣的延伸率隨著Si元素的摻入呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)，但當(dāng)Si含量>0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，延伸率的下降幅度開(kāi)始降低；試樣的沖擊韌性在摻入Si元素后均得到了明顯的提高，且隨著Si含量的增加，試樣的沖擊韌性呈現(xiàn)出先升高后略微降低的趨勢(shì)，在Si含量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，沖擊韌性達(dá)到了最大值為30.4 J/cm2，與未摻入Si元素的體系對(duì)比，沖擊韌性提高了74.7%。

(3)SEM分析發(fā)現(xiàn)，未摻雜Si元素的試樣的晶粒尺寸約為40 μm，在摻入Si元素后，試樣的晶粒尺寸得到了明顯的細(xì)化，Si元素的摻入使得Al-Cu-Si復(fù)合材料塊狀的晶粒逐漸轉(zhuǎn)化為條狀顆粒，且初晶硅的存在使基體中枝晶的生長(zhǎng)受到了抑制，從而使試樣的組織更加均勻。

綜合以上分析來(lái)看，Al-Cu-Si復(fù)合材料中的Si元素的最佳含量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。