Al2O3弥散增强Cu基复合材料拉伸性能研究

杜林飞

（陆军装甲兵学院 装备保障与再制造系，北京 100072）

纯Cu的导电导热性能优良但强度、硬度等力学性能较差，这样的特点严重限制了纯Cu的实际应用[1,2]。如何显著提升其力学性能，成为了铜合金研究中的重要问题。在Cu基体中添加增强颗粒组成弥散强化型复合材料，可以使基体强度得到大幅度提高。在弥散强化Cu基复合材料中，常添加的增强颗粒有Al2O3、TiB2、Cr2O3、SiC、ZrO2等。

由于纳米颗粒的含量会对弥散强化复合材料的力学性能有显著影响。因此本文以Cu-0.3Al、Cu-0.6Al、Cu-0.9Al和Cu-1.2Al合金粉为原料，采用反应球磨结合放电等离子烧结的方法制备了Al2O3体积分数分别为1.27%、2.52%、3.75%和4.95%的铜基复合材料，并研究Al2O3含量对复合材料拉伸性能的影响。

1 实验

反应球磨工艺：采用QM-3SP2行星球磨机制备复合粉末。质量分数为1%的硬脂酸作为过程控制剂，球料比10:1，球磨转速400 r/min。

氢气还原工艺：采用管式还原炉对球磨粉末进行还原处理。将装有40 g球磨粉末的氧化铝烧舟放于氢气还原炉中，以10℃/min的升温速率升至还原温度，保温一定时间后自然冷却，低于30 ℃时取出粉末。

粉末烧结：采用SPS-1050型放电等离子烧结系统将还原粉末烧结成直径为30 mm、厚度为5-7 mm的圆片状材料，烧结模具材质为石墨，初始压力5 MPa，烧结压力40 MPa，真空度小于10 Pa，升温速率100 ℃/min，烧结完成后随炉循化水冷却。

拉伸实验在Instron万能拉伸试验机上进行，拉伸速率为0.5 mm/min。采用Nova NanoSEM 450/650型环境扫描电子显微镜观察复合材料的微观组织及拉伸断口形貌；

2 Cu-Al2O3复合材料的拉伸性能

图1所示为Al2O3含量对复合材料抗拉强度和延伸率的影响。从图1可以看出，随着Al2O3含量的增加，复合材料的抗拉强度和延伸率均先增大后减小。当Al2O3含量为3.75%时，抗拉强度达到最大值596 MPa，而延伸率仅为2.24%。当Al2O3含量为2.52%时，延伸率达到最大值3.65%，而抗拉强度为589MPa。

图1 Al2O3含量对复合材料抗拉强度和延伸率的影响

显然，并非Al2O3含量越多，复合材料抗拉强度越高，还与Al2O3颗粒的粒径及其在基体中的分布，以及复合材料的致密性等因素密切相关[3]。

众多研究证实，纳米Al2O3颗粒弥散分布在基体中可以显著提高复合材料的室温及高温力学性能[4,5]。就强化机制来讲，弥散强化和晶界强化是其主要强化机制。下面将分别论述这两种强化机制对复合材料强度的贡献，以更深入的理解Al2O3含量对复合材料力学性能的影响规律。

（1）弥散强化

Cu-Al合金粉和CuO粉经过反应球磨后，在基体中原位生成大量弥散的硬质Al2O3颗粒，这些硬质颗粒对位错的通过具有强烈的阻碍作用，因此可以显著提高复合材料的强度。当运动的位错线在靠近第二相颗粒时将受阻弯曲，随着外力的增大，位错线受阻部分的弯曲逐渐增大，以至围绕着粒子的位错线在两边相遇，使颗粒周围留下一个位错环，而位错线则越过粒子继续向前运动，如图2所示。这种机制通常称为Orowan绕过机制，这种机制引起的强度增量可用式1表示[6]。

式中，

式中，Gm为基体的剪切模量（铜的剪切模量为45.5 GPa），b为柏氏矢量（0.256 nm），r和λ分别为Al2O3颗粒的半径和间距。

图2 Orowan强化机制示意图

（2）晶界强化

由于晶界的交互作用形成一条线而不是一个点，因此晶界比线缺陷和点缺陷对位错运动的阻力更大。一般情况下，多晶体强度与其晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch公式[6]：

式中，σy为多晶体的屈服强度；σ0为位错在金属单晶中运动的总阻力，决定于晶体结构和位错密度；ky为表征晶界对强度影响程度的常数，对于铜而言，k=0.142 MPa·m1/2；d为晶粒尺寸。因此，晶界强化引起屈服强度的增值可用式4表示。

由式4可知，材料屈服强度的增量Δσg与成反比，因此晶粒越小，晶界强化效果越显著。Lee等测定了晶粒尺寸约为30μm的挤压态纯铜的屈服强度σy为109 MPa[7]，代入公式3可求的σ0为83MPa。

通过式1至4计算ΔσOrowan和Δσg，结果列于表1。

表1 复合材料屈服强度的理论值σt与实验值σ0.2（单位：MPa）

从表1可以看出，当Al2O3含量由1.27%增加至3.75%时，由弥散强化和晶界强化计算的屈服强度与材料的实验值变化规律相同，均逐渐增大。继续增加Al2O3含量时，理论值继续增加，而实验值却降低。实验值低于理论值的原因是由于复合材料中含有粒径大于100 nm的Al2O3颗粒，这些粗化的Al2O3颗粒并不能够对基体起到弥散强化的效果，即这些粗化颗粒减少了参与弥散强化的细小颗粒在材料中的浓度，从而降低了弥散强化的效果，而理论计算时却未对此进行考虑。同时，粗化或团聚的Al2O3颗粒由于与基体结合强度较低，在应力作用下容易萌生裂纹和加速裂纹的扩展，从而导致材料强度降低。另外，Al2O3含量较低时，复合材料相对密度较高，孔隙对力学性能影响较小，而随着Al2O3含量的增加，复合材料中的孔隙逐渐增多，孔隙对力学性能的影响将会明显加剧。而孔隙往往会导致裂纹的萌生和加速裂纹的生长。因此，当Al2O3含量超过一定值时，继续增加Al2O3含量，反而会由于Al2O3颗粒的长大、团聚以及孔隙的增多导致复合材料力学性能降低。

图3 复合材料拉伸断口（a）Cu-1.27Al2O3;（b）（e）Cu-2.52Al2O3;（c）Cu-3.75Al2O3;（d）（f）Cu-4.95Al2O3

3 拉伸断口形貌分析

图3所示为复合材料拉伸断口形貌。从图中可以看出，拉伸断口比较粗糙，断面上布满细密的等轴韧窝，表明复合材料以韧性断裂为主。但是，韧窝周围撕裂棱较短，尤其是当Al2O3含量为3.75%和4.95%时，撕裂棱明显减少，表明随着Al2O3含量的增加，复合材料的塑性逐渐降低。同时可以看出，在韧窝底部有裂纹和孔洞存在，这种现象在Al2O3含量为4.95%时尤为明显，如图3中 e、f所示。这是由于复合材料的相对密度低于98%，即材料内部存在一定数量的孔隙，随着应变的增加，这些显微孔隙将不断长大，相互吞并，直至材料发生颈缩和破断，从而在韧窝底部生成孔洞。由此可见，孔隙越多，复合材料的强度和塑性越低。另外，由于第二相颗粒与基体的界面可以起到裂纹形核的作用，而在颗粒的团聚位置裂纹往往更易于萌生和长大。而随着Al2O3含量增加，Al2O3在基体中的团聚将逐渐加重，这无疑会降低复合材料的强度。

4 结论

（1）随着Al2O3体积分数的增加，复合材料的抗拉强度与延伸率都先增大而后减小，其抗拉强度最大达到596MPa，延伸率最大可达3.65%。

（2）实验说明基体中弥散分布的Al2O3纳米颗粒可以显著提升复合材料的抗拉强度与延伸率。而弥散强化和晶界强化是复合材料屈服强度提高的主要原因。