颗粒增强金属基复合材料的强化机制研究进展

俞雪奇 柏兴旺

（南华大学 机械工程学院，衡阳 421001）

颗粒增强金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）是将增强相颗粒（B4C、SiC、Al2O3等）弥散分布在金属合金中形成的复合材料，具有高比强度和高比刚度，是航空航天、电子封装、轨道交通等工业中的关键材料。强度作为MMCs的基本性能之一，受诸多因素的影响，包括基体的晶粒尺寸、成型工艺、增强相的粒径及含量等。研究不同增强相MMCs体系的强化机制，对于MMCs的设计、制备工艺的优化等具有重要意义。

1 强化机制

MMCs试样从受拉到破坏可分为弹性、屈服和断裂3个阶段，通常表现出比金属基体更高的屈服强度。导致其强度增加的强化机制主要有细晶强化、Orowan强化、载荷转移强化、热膨胀系数错配强化、加工硬化强化以及弹性模量错配强化。

1.1 细晶强化

细晶强化机制源自基体晶粒尺寸对材料强度的贡献。研究表明，增强颗粒的存在不仅阻碍了成核晶粒的生长，而且促进了液态金属的异质形核，从而细化晶粒增大晶界密度。晶界能阻碍位错移动，而增大的晶界密度进一步降低了位错的运动，从而提高了复合材料强度。

材料屈服强度σy可由Hall-petch关系表示为[1]：

式中：σ0是粗晶金属基体的屈服强度；ky是常数，一般铝基体取0.1 MPa·；d是晶粒尺寸。

由细晶强化引起的MMCs屈服强度的增量可表示为[3-4]：

式中：d0和d分别为未增强基体材料和已增强复合材料的平均晶粒尺寸。其中，d的大小取决于加入增强体的体积分数及粒径，由Zener方程可表示为[5]：

式中：α是常数；dP和vP为增强相粒径和体积分数。

由于Zener方程是经验公式，Reddy等人分别使用纳米级氧化铝颗粒增强6061铝和纳米级碳化硅颗粒增强6061铝实验数据[1]，成功拟合出其表达式为：

1.2 Orowan强化

Orowan强化是由第二相颗粒对位错的定扎作用形成的。在外加载荷驱动下，当位错运动到紧密排列的硬质增强颗粒处时，位错线只能从相邻两个颗粒之间穿出继续运动，从而在增强颗粒周围形成位错环，阻碍原有位错运动，如图1所示[6]。

图1 Orowan强化机制

Orowan强化通常发生在增强相为纳米级的MMCs中。在微米级增强体系中，较大的颗粒间距无法形成有效的位错环，Orowan强化效果不显著。

Orowan强化效果可表示为[5]：

式中：M是平均取向因子，面心立方金属基体取3.06；Gm是金属基体的剪切模量；b是伯格矢量；v是泊松比；E是金属基体的弹性模量；λ是增强颗粒间距。

1.3 载荷转移强化

应用合适的制备方法和后处理，使金属基体和增强体之间产生牢固的冶金结合。良好的结合界面把金属基体受到的载荷转移到分布均匀的强化颗粒上，增加复合材料的屈服强度。增加的屈服强度可表示为[5]：

式中：σm是基体屈服强度；l和t分别为增强颗粒平行和垂直于载荷方向的长度；A是颗粒长径比。

对于等轴颗粒，∆σL可表示为[1,7]：

1.4 热膨胀系数错配强化

在加工温度下，基体和增强颗粒处于热平衡状态。当从加工温度冷却到室温后，由于金属基体和增强颗粒热膨胀系数的差异，增强颗粒周围将产生大量残余热应力并引起基体塑性变形。产生的热应力与界面距离成反比且在界面处达到最大，导致增强颗粒附近产生位错等缺陷[5]。文献[8]研究表明，基体中位错密度主要受增强相含量和颗粒尺寸的影响，而界面处的位错密度对增强相含量的变化不敏感，只受增强颗粒尺寸的影响。

由位错密度增加引起材料强度的增量可表示为[1,7]：

式中：K为常数，值为1.25；ρCTE是由热膨胀系数错配形成的位错密度，可表示为[1,7]：

式中：∆α为增强相与基体热膨胀系数之差；∆T是材料加工温度与室温之差；B是几何常数，取决于增强颗粒的几何形状，取值为10～12。对于等轴颗粒，B取12。

1.5 加工硬化强化

当制造工艺包含冷成型技术（挤压、弯曲、拉伸和剪切）时，需考虑加工硬化强化机制对复合材料强度的影响。金属基体发生形变时，由于强化相形变量很小或基本不发生形变，且两者结合界面不断裂，强化颗粒附近的金属基体被迫产生二次滑移并生成大量位错，阻碍原有位错的运动，从而强化复合材料的强度。

它对材料强度的贡献可表示为[2,9]：

式中：K是常数，取值为0.2～0.4；ε1是应变，文献[2]中取ε1为0.002。

1.6 弹性模量错配强化

由于基体和增强相弹性模量不同，在受到外加载荷时，金属基体和刚性强化相颗粒之间发生非均匀变形（热膨胀系数错配和加工硬化也产生类似非均匀变形），导致金属基体产生变形梯度。ASHBY指出，增强颗粒周围形成了几何必须位错，以适应这种梯度变形，保持变形的协调性[10]。

由几何必须位错引起的复合材料强度的增加可表示为[5]：

式中：α是常数，一般取值为0.5；ρEM是由弹性模量不匹配形成的位错密度，可表示为[5]：

式中：ε为应变，是由加工硬化ε1和热膨胀系数错配ε2引起的。若取ε1=0.002，则ε=∆α∆T+0.002。

2 结语

本文分析了颗粒增强金属基复合材料的强化机制，包括细晶强化、Orowan强化、热膨胀系数错配强化、载荷转移强化、加工硬化强化以及弹性模量错配强化，但这些强化机制对MMCs屈服强度预测估算的精度仍有提升的空间。究其原因，主要在于：（1）为了方便计算，总是假设增强颗粒为无棱角、光滑的理想形状，且均匀分布于基体，若增强相以层状或网状分布，则复合材料的强度无法预测；（2）没有完全考虑到界面失效和孔隙率等对材料强度的负面影响；（3）材料强度受到多种强化机制、孔隙率、界面结合等因素的复合影响，各个强化机制对材料强度的贡献可能并没有被完全激活，导致实际强度低于理论计算值。可见，深入研究增强相及一些影响因素（颗粒分布、机制间相互作用、孔隙率以及界面结合等）对MMCs强度的影响，是未来研究工作的重点。