哈工大《MSEA》：金属基复合材料的柔性强化新方法！

传统的颗粒增强铝基复合材料均采用SiC、B4C等刚性陶瓷颗粒作为增强体，其模量及强度较基体合金相差近10倍，复合材料在受载过程中增强体难以发生协调变形，导致复合材料不能完全发挥应有的增强效率。

哈尔滨工业大学武高辉教授课题组提出了“柔性”强化的概念，试图寻找一种在复合材料变形过程中可发生协调变形的“柔性”增强体来强化铝合金。本文利用45vol.% SiCp/2024Al车削屑，通过球磨的方式制成复合材料颗粒，并以此作为增强体来强化不同Al合金基体，以探索金属基复合材料柔性强化机制的基础理论问题，其工程价值在于为颗粒增强金属基复合材料的回收利用探索新的技术途径。相关论文以题为“Mechanical behavior of deformable particles reinforced Al matrix composites”发表在Materials Science and Engineering: A上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509321000848

研究人员将45vol.% SiCp/2024Al复合材料车削屑进行球磨，采用压力浸渗法制备(SiCp/Al)/Al复合材料（Composite particle/Al，简记CP/Al）。研究者制备CP/1050Al、CP/2024Al、CP/7A60Al。其中CP含量为67vol.%，SiCp含量为30vol.%。同时制备相同SiCp含量相同热处理工艺的均匀30vol.% SiCp/Al复合材料作为对照。

研究人员分别对铸态、挤压态复合材料的O态和T6态进行拉伸力学性能分析。CP/Al复合材料与同体积分数均匀复合材料相比，强度相当，塑性更强。尤其是挤压态CP/2024Al在T6态相比30vol.% SiCp/Al，抗拉强度相当，延伸率提高95.5%，韧性提高30%。甚至存在CP/Al复合材料屈服强度同时高于CPs与基体屈服强度的现象。

图1 铸态CP/Al拉伸力学性能曲线及屈服强度比较(a)(b)O态; (c)(d)T6态

图2 挤压态CP/Al拉伸力学性能曲线及屈服强度比较(a)(b)O态; (c)(d)T6态

结合DIC技术、FEM分析以及断裂裂纹分析，研究人员进一步探讨CP/Al柔性强化机制。因为柔性CPs与基体发生了协调变形，减缓了复合材料内部的应力集中现象，更容易发挥出复合材料的本征性能。

图3 DIC分析拉伸过程中CP/Al应变分布(a)(c)(e)CP/1050Al, CP/2024Al, CP/7A60Al正应变; (b)(d)(f)CP/1050Al, CP/2024Al, CP/7A60Al切应变

图4 不同基体屈服强度下CP/Al复合材料CPs和基体塑性应变的FEM分析。（虚线表示CPs的屈服强度）

图5 CP/Al断裂面图像(a)(b)(c)CP/1050Al; (d)(e)(f)CP/2024Al;(g)(h)(i)CP/7A60Al

研究人员结合混合定律（ROM），剪切滞后定律与试验数据推导得出半经验公式：

。材料强化率（

）受增强体与基体的屈服强度比(relative yield strength ratio，简记RYSR)影响。进一步对该公式求极值，可知当RYSR=

时，增强体可实现增强效率的极大值，可以此指导复合材料设计。利用马氏体/铁素体双相钢的力学性能及其对应的马氏体、铁素体的力学性能进行验证，进一步验证了该公式的正确性。

图6 挤压前后CP/Al复合材料屈服强度的拟合曲线

图7 双相钢屈服强度与马氏体、铁素体屈服强度的关系

对于利用刚性增强体制备的复合材料，增强体极高的强度导致复合材料RYSR值非常高，导致实际屈服强度远低于ROM预测。然而，铁素体/马氏体双相钢和CP/Al复合材料的屈服强度接近甚至高于ROM预测，这是由于增强体相对较低的强度和可变形性。因此，建议使用可变形的增强材料，如金属颗粒、高熵合金或复合材料颗粒等，在保证良好界面结合的情况下，可以制备出具有高于ROM预测屈服强度和良好塑性的复合材料。

图8 传统陶瓷颗粒增强Al基复合材料、铁素体/马氏体双相钢和CP/Al复合材料的屈服强度与混合定律预测值的比值以及与其对应的RYSR之间的关系

总的来说，本研究采用SiCp/Al复合材料颗粒制备复合材料，实现了增强体和基体的协调变形；并给出了预测这种柔性强化复合材料力学性能的半经验公式。这项工作对“柔性”强化复合材料的开发具有一定的指导意义，并对颗粒增强复合材料的回收提供了一种有效方法。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。