共晶Al-Si基SiC复合材料中镁溶解度对其力学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Magnesium solubility in eutectic Al-Si matrix SiC composites on the mechanical properties

Al-Si复合材料的机械性能和耐磨性通过添加镁（0-1.5 wt%）和硅 carbide（0-4 wt%）协同优化。研究显示，镁的添加提高了硬度（127-157 BHN）和抗拉强度（158.8-217.8 MPa），而硅 carbide的增强效果在复合体系中尤为显著，两者协同作用使磨损率降低（5.82-13.1×10-3 mm3/Nm）。微观结构分析证实镁和硅 carbide的均匀分布及强化相形成，验证了搅拌铸造工艺的有效性。

　　本研究探讨了镁（Mg）合金含量（0–1.5 wt%）和碳化硅（SiC）（0–4 wt%）对搅拌铸造铝硅（Al-Si）复合材料的机械性能和摩擦学性能的综合影响。通过微观结构分析，确认了SiC在合金基体中的均匀分散，从而提升了材料的整体性能。机械性能测试表明，硬度和极限抗拉强度（UTS）随着Mg和SiC的添加而提高。具体而言，在未增强的Al-Si复合材料中，随着Mg含量从0%增加到1.5%，UTS值从158.8 MPa上升至191.3 MPa，再进一步提升至217.8 MPa。在SiC增强的复合材料中，随着SiC含量从0%增加到2%和4%，UTS分别提升至207 MPa和217.8 MPa。磨损测试则显示，在不同负载（15–45 N）和转速（150–450 RPM）条件下，磨损率均随着Mg和SiC含量的增加而降低。这些结果强调了Mg和SiC的协同作用，对Al-Si基复合材料的耐磨性和机械性能有显著提升，使其适用于高性能应用。

### 1. 引言

在工业应用中，材料的选择通常需要考虑其特定强度、耐磨性和成本等因素。传统单质材料在许多应用中占据主导地位，但它们在密度、韧性、刚度和强度之间往往难以达到理想的平衡。随着技术的不断进步，现代工业对先进工程材料的需求日益增长，这促使了复合材料的广泛应用。复合材料在航空航天、生物医学、国防和体育等行业中被大量使用，展现出卓越的性能。此外，基于SiC的增强材料也被用于功能性应用，例如金纳米粒子修饰的SiC纳米线，据报道具有较低的开启场和稳定的电流输出，显示出在电子应用中的广阔前景。

复合材料主要由基体和增强相组成。基体负责传递外部载荷，而增强相则通过其高硬度和强度提高材料的整体性能。铝及其合金因其优异的机械性能、低密度和出色的耐磨性而受到广泛关注。这些合金包括铝硅（Al-Si）合金，它们因其轻质、易于加工和高温强度而在工业中具有重要价值。然而，这些合金在热处理过程中常常面临挑战，通过在合金中添加微量的镁（Mg），可以缓解这一问题。研究指出，添加Mg后会形成次生相如Mg?Si和Mg?Zn?Al?颗粒，这些颗粒的机械性能优越，适合用于汽车和航空航天领域。此外，时效硬化过程也可以提高材料的强度。在时效硬化过程中，除了Mg?Si颗粒的形成，还会出现Al?C?和MgAl?O?颗粒的生成，这些颗粒的形成是热力学反应的结果，具有很高的热力学可行性。

### 2. 材料与方法

#### 2.1. 所用材料

本研究的基本材料是一种含有约12 wt%硅（Si）的共晶Al-Si合金。详细化学成分见表1。商用镁粉的粒径为50 μm，而用于增强的SiC颗粒粒径范围为60–80 μm。这些材料的选择基于其在提升复合材料性能方面的潜力。

#### 2.2. 复合材料制备

复合材料通过两步搅拌铸造法进行合成。原始铸锭被切割并在石墨坩埚中于700°C下熔化，使用电炉进行加热。随后，将温度降至600°C，并加入包裹在铝箔中的镁颗粒，再加入预热的SiC颗粒（200°C），在约600 rpm的搅拌速度下确保颗粒的均匀分散。搅拌持续5–7分钟，以形成一致的漩涡并实现增强相的均匀分布。材料成分如表2所示，使用OLYMPUS-U-TV0.5XC-3光学显微镜（OM）进行微观结构分析。

#### 2.3. 材料表征

通过比较理论密度和实验密度，评估复合材料中的孔隙率。理论密度基于组成材料的密度及其比例，而实验密度则通过质量与体积测量得出。硬度测试按照ASTM E10-00标准进行，使用布氏硬度法。抗拉强度测试遵循ASTM E8/E8M-08指南。磨损行为通过固定轨道直径为60 mm的针盘摩擦测试装置进行评估，测试条件包括不同负载（15, 30, 和45 N）和转速（150, 300, 和450 RPM），持续30分钟。每个试样在测试前进行10分钟的预运行，以确保表面接触良好。磨损率通过质量损失计算得出，磨损表面使用扫描电子显微镜（SEM）进行分析。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1. 光学显微镜分析

图1（a和b）展示了含有2 wt% SiC和0.75%及1.5% Mg的Al-Si复合材料的光学显微镜图像。图像中的暗区对应于SiC颗粒，这些颗粒在基体中均匀分布，尺寸范围为60–80 μm。微观结构表明，增强相在基体中均匀分散，这体现了搅拌铸造技术在实现颗粒均匀分布方面的有效性。没有观察到明显的孔隙或气泡，图像还显示了基体与增强相之间的良好界面结合。尽管本研究未深入探讨原子尺度的相互作用，但已有研究指出，Mg合金表面可以显著影响界面结合和电子重新分布，为Mg在提升复合材料性能方面的作用提供了有价值的见解。

#### 3.2. 密度

表3显示了SiC和Mg颗粒共同作用下密度的变化。理论密度基于组成材料的密度及其比例，而实验密度则通过实际样品的质量和体积测量得出。实验密度通常低于理论密度，这是由于孔隙的存在。研究指出，Mg含量的增加会导致密度下降，而SiC含量的增加则会提高密度。例如，当Mg含量从0%增加到1.5%时，Al-Si合金的密度从2.67991 g/cm3下降至2.6583 g/cm3。这种密度变化是因为Mg的原子质量低于Al，从而降低了合金的密度。另一方面，SiC的加入会略微提高复合材料的密度，因为其密度高于Al。例如，当SiC含量从0%增加到4%时，复合材料的密度从2.66906 g/cm3上升至2.68674 g/cm3。然而，孔隙率的变化较为复杂，随着Mg含量的增加，孔隙率先上升后下降。这种变化可能与Mg和SiC在铸造过程中的相互作用以及过程中可能存在的气体捕获有关。

#### 3.3. 硬度

表3还展示了SiC和Mg颗粒共同作用下硬度的变化。增强相如SiC的加入对复合材料硬度有显著影响。由于其高刚度和强度，SiC颗粒能够有效抵抗位错运动并形成更硬的金属间化合物，从而提高复合材料的硬度。Mg含量的增加（从0%到1.5%）在所有SiC含量下均导致硬度的持续上升。这一现象与之前的研究一致，表明Mg通过形成Mg?Si沉淀物，提高了Al-Si合金的硬度。此外，Mg的加入有助于SiC颗粒的均匀分散和微观结构的细化，进一步增强了Al-SiC复合材料的性能。从图1中可以看到，SiC颗粒的加入显著提高了复合材料的硬度，这可能是由于它们形成了更硬的相，从而增强了材料的抗磨性能。

#### 3.4. 极限抗拉强度（UTS）

图2展示了不同Mg和SiC含量下复合材料的极限抗拉强度变化。研究发现，Mg的加入显著提高了Al-Si基复合材料的UTS，且这种效果随着SiC含量的增加而增强。例如，对于不含SiC的Al-Si复合材料，随着Mg含量从0%增加到1.5%，UTS值从158.8 MPa上升至217.8 MPa。在含有2%和4% SiC的复合材料中，随着Mg含量的增加，UTS值分别从172 MPa和182.3 MPa提升至207 MPa和217.8 MPa。这些结果与先前的研究一致，表明Mg能够通过形成Mg?Si沉淀物来增强Al-Si合金的机械性能。此外，Mg的加入有助于SiC颗粒的均匀分布和微观结构的细化，从而进一步提升Al-SiC复合材料的性能。

#### 3.5. 磨损率与摩擦系数（COF）

图3（a）展示了在15 N负载和150 RPM转速下Al-Si复合材料的磨损行为。磨损率随着Mg和SiC含量的增加而持续降低。对于不含Mg的AlSi复合材料，0% SiC的磨损率为8.47 mm3/N，2% SiC为7.18×10?3 mm3/Nm，4% SiC为6.57×10?3 mm3/Nm。加入0.75% Mg后，磨损率分别降至8.07×10?3 mm3/Nm（0% SiC）、6.955×10?3 mm3/Nm（2% SiC）和6.31×10?3 mm3/Nm（4% SiC）。进一步增加Mg含量至1.5%，磨损率进一步降低至7.38×10?3 mm3/Nm（0% SiC）、6.41 mm3/Nm（2% SiC）和5.82 mm3/Nm（4% SiC）。这些结果表明，SiC的加入通过形成更硬的相提高了复合材料的耐磨性，而Mg的加入则通过提高硬度和改变微观结构进一步增强了耐磨性能。

图3（b）展示了在30 N负载和300 RPM转速下的磨损率变化。研究发现，随着SiC含量的增加，磨损率显著降低。例如，对于不含Mg的AlSi复合材料，0% SiC的磨损率为9.28×10?3 mm3/Nm，2% SiC为8.55×10?3 mm3/Nm，4% SiC为7.07 mm3/Nm。加入0.75% Mg后，磨损率分别降至8.97×10?3 mm3/Nm（0% SiC）、8.29×10?3 mm3/Nm（2% SiC）和7.44×10?3 mm3/Nm（4% SiC）。进一步增加Mg含量至1.5%，磨损率进一步降低至8.33×10?3 mm3/Nm（0% SiC）、6.93×10?3 mm3/Nm（2% SiC）和6.38×10?3 mm3/Nm（4% SiC）。这些结果表明，SiC的加入通过提高硬度和形成更耐磨的表面显著降低了磨损率，而Mg的加入则通过提高硬度和改变微观结构进一步提升了耐磨性能。

图3（c）展示了在45 N负载和450 RPM转速下的磨损率变化。数据显示，SiC和Mg的共同作用显著降低了磨损率。对于不含Mg的AlSi-0Mg复合材料，0% SiC的磨损率为13.1×10?3 mm3/Nm，2% SiC为10.5×10?3 mm3/Nm，4% SiC为8.48×10?3 mm3/Nm。加入0.75% Mg后，磨损率分别降至11×10?3 mm3/Nm（0% SiC）、9.46×10?3 mm3/Nm（2% SiC）和7.98×10?3 mm3/Nm（4% SiC）。进一步增加Mg含量至1.5%，磨损率进一步降低至9.86×10?3 mm3/Nm（0% SiC）、9.04×10?3 mm3/Nm（2% SiC）和7.29×10?3 mm3/Nm（4% SiC）。这些结果表明，SiC的加入通过形成更硬的相提高了复合材料的耐磨性，而Mg的加入则通过提高硬度和改变微观结构显著降低了磨损率。

#### 3.6. 磨损表面表征

图5展示了基体合金（AlSi不含Mg或SiC）和增强复合材料（AlSi含1.5% Mg和4% SiC）的SEM图像。SEM分析揭示了基体合金和增强复合材料在磨损特性上的显著差异。在未增强的AlSi-0Mg-0SiC合金中，观察到沿滑动方向的明显裂纹，表明由于磨料磨损导致的严重塑性变形。表面显示出深沟槽、涂抹和塑性碎片，暗示了局部微焊接现象。相比之下，增强复合材料（AlSi-1.5Mg-4SiC）表现出更好的耐磨性，硬钢对磨面在SiC颗粒周围磨损了铝基体。一些SiC颗粒脱落或被困住，与金属碎屑一起参与了陶瓷颗粒丰富的三体磨损机制，导致较高的摩擦系数（COF）。相反，基体合金的三体膜主要是金属的，起到了润滑层的作用，降低了摩擦。增强复合材料表现出更明显的三体膜（图5b中的白色区域），这些膜在降低磨损率和增强表面保护方面发挥了关键作用。

### 4. 结论

本研究证明，Mg和SiC的联合添加显著提升了搅拌铸造Al-Si基复合材料的机械和摩擦学性能。微观结构分析显示，SiC颗粒在基体中均匀分布，从而提高了硬度、抗拉强度和耐磨性。随着Mg含量从0%增加到1.5%，抗拉强度从158.8 MPa上升至217.8 MPa，尤其是在SiC增强的复合材料中，这一效果更为明显，表明了Mg和SiC的协同作用。磨损测试在不同负载和滑动速度下显示，磨损率随着Mg和SiC含量的增加而持续降低，这归因于Mg?Si沉淀物的形成和SiC增强效应，这些效应细化了微观结构并提高了载荷承载能力。

本研究的局限性在于仅限于实验对Al-Si-Mg-SiC复合材料的机械和摩擦学行为进行调查，没有涉及计算模型。虽然实验结果清楚地展示了增强相和微观结构细化对材料强度的提升作用，但缺乏计算建模限制了更广泛的应用推广。未来的研究可以结合实验与预测工具，例如近期的研究表明，将物理模型与深度学习相结合可以高效预测应力-应变分布和机械性能，同时保持可解释性。将这种方法扩展到Al-Si-Mg-SiC系统，可能有助于更快的性能预测、改进的设计策略以及更创新的复合材料开发。

### 5. 资金信息

本研究未获得任何资金支持。

### 6. 出版声明

本研究的出版声明不适用。

### 7. 参与声明

本研究的参与声明不适用。

### 8. 伦理声明

本研究的伦理声明不适用。

### 9. 数据可用性声明

通讯作者同意在合理请求下提供数据。

### 10. 作者贡献

所有作者均阅读并批准了论文的最终版本。Ashwin Shetty负责实验工作；Thirumaleshwara Bhat设计了实验方法；Sathyashankara Sharma负责解释和分析；Ravikantha Prabhu负责编辑论文；Ananda Hegde负责分析和撰写论文；Nithesh K负责编辑论文。作者声明没有利益冲突。